煤炭采空区电性特征的定性分析

申建平, 边祥会,席振铢,高 远

(1. 湖南省煤炭地质勘查院，湖南长沙 410014；2.湖南五维地质科技有限公司，湖南长沙 410205； 3.中南大学地球科学与信息物理学院， 湖南长沙 410083)

煤炭采空区电性特征的定性分析

申建平1, 边祥会2,3,席振铢3,高 远1

(1. 湖南省煤炭地质勘查院，湖南长沙 410014；2.湖南五维地质科技有限公司，湖南长沙 410205； 3.中南大学地球科学与信息物理学院， 湖南长沙 410083)

煤炭是我国的主体能源，在国家的经济发展与社会稳定中起到了极其重要的作用,以前生产过程中遗留的煤炭采空区是目前需要研究的重要问题。本文首先简要介绍了我国煤炭资源的发展现状，接着从煤层被采空前后力学变化特征的角度分析了煤层不同开采程度下力学性质的变化，并结合煤矿生产经验给出了煤层不同开采程度下的采空区填充属性，为煤炭采空区电性特征的定性分析打下了基础。然后，对煤炭采空区的电性特征进行了定性分析，总结出5种煤炭采空区的电性特征，即1)电性层横向不再连续，出现局部低阻和高阻异常；2)煤层对应的低阻区域呈现出纵向扩展的趋势；3)煤层与围岩电性界面紊乱；4)低阻区向上延伸形成纵向低阻带；5)电性层不再具有层状特征，电性层序与正常地层层序不再对应)。最后，利用郴州市鲁塘煤(石墨)矿区采空区的实例，说明本文煤炭采空区电性特征的定性分析是合理的。

临空面 采空区 电性差异 电性特征 定性分析

Shen Jian-ping, Bian Xiang-hui, Xi Zhen-zhu, Gao Yuan. Qualitative analysis of electric characteristics in coal mined-out areas[J]. Geology and Exploration,2016, 52(6):1147-1151.

1 我国煤炭资源的发展现状

煤炭是我国的主体能源，在国家经济发展与社会稳定中起到了极其重要的作用。中国将继续优化能源供给结构，建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系①，煤炭在一次能源结构中的占比将持续降低，但到2020年，煤炭占一次能源的比重仍将达到62%②，在未来相当长时期内，煤炭作为我国主体能源的地位不会改变，煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。十二五规划出台后，煤炭资源整合陆续展开，小矿私采滥挖、资源浪费等现象得到全面遏制，淘汰落后产能成效显著，安全生产形势持续好转。但之前大矿采肥丢瘦、小矿乱采滥挖等的后遗症并未解决，如：开发难度增大、开采危险性增高；资源回采率降低；造成地面沉降，甚至威胁地面人身安全等。这些问题的存在不利于以后的储量核算、安全生产、发展规划等，与建设环境友好型社会的宗旨不相符。加大煤炭采空区的勘探力度刻不容缓。钻探虽为最可靠有效和直接的勘探手段，然勘探成本巨大，地球物理勘探成本低廉，大地电磁测深法是获取采空区电性特征的有效有段之一。

2 煤炭开采前后的力学变化特征

煤是地壳运动的产物，古生代的石炭纪和二叠纪、中生代的侏罗纪和白垩纪以及新生代的第三纪的某段时间段内，大量植物残骸堆积起来，经过复杂的泥炭化和煤化作用最终转变成固体可燃矿产(杨起等，1979；杨孟达等，2000)。可见，煤层是由有机物质和无机物质组成的层状沉积岩体，形成的煤层可以赋存于各种不同的沉积序列中，是地层的一部分，具有成层性的特征。在地层未受到构造(如断层、褶皱等)影响的情况下，煤层呈连续、厚度均匀或渐变的一维层状特征；在受到构造运动的影响后(原文涛，2012)，煤层赋存特征及电性特征会依构造相应的变动。

煤层被采空后，原力学平衡系统被打破，迫使岩体产生形变或发生位移以建立新的受力平衡关系(沈明荣等，1999；王作棠等，2011；周霞等，2013)：

(a)当采空范围不算大，临空面附近的围岩强度较高时，采空区围岩只需发生微小形变即可达到应力平衡状态，此时围岩不会坍塌，亦没有大范围的节理裂隙产生。

(b)当采空范围较大，临空面附近的围岩强度不足以支撑整个空间时，围岩各个单元将发生一定的位移，节理、裂隙大量出现(李同林等，2000)，内部应力重新分配，直至建立新的力学平衡。

(c)当采空区范围大或围岩强度不高，临空面附近的围岩强度不足以支撑整个空间自重且围岩各个单元发生一定位移后仍不能建立新的力学平衡时，围岩将发生坍塌甚至坍塌贯穿至地表形成地面塌陷。采空区底板在承压水的巨大压力下也存在发生突涌的可能(徐海燕等，2001；李百寿等，2009；薛培等；2016)。

根据力学特征及实践经验，采空区的充填属性无外乎以下几种情况：

(1)巷道未坍塌，采空区为空洞，围岩较完整，围岩的层状特征未被破坏。

(2)巷道未坍塌，采空区被泥、水、碎石充填，围岩较完整，围岩的层状特征未被破坏。

(3)巷道未坍塌，采空区或为空洞或被充填，围岩节理裂隙发育，围岩的层状特征尚未被破坏，但电性特征被破坏。

(4)坍塌，煤层被采空后，上部围岩坍塌，甚至形成自上至下的贯穿性塌陷(地面塌陷)，煤层及上部围岩层状特征均被破坏，岩体破碎。

3 煤炭及采空区电性特征定性分析

虽然电性的定量分析是每一位地球物理工作者所期望的，但是在生产实践中受制于地质体差异、勘探网度、仪器精度、数据的处理技术与反演方法等因素，定量分析与实际相差甚远，而定性分析和解释更具有合理性。因此合理的电性定性分析是煤炭采空区勘探成功的关键。

煤层的电阻率较围岩电阻率低一个或数个数量级。电性特征定性分析是根据煤层被采前后的力学性质变化及不同岩性的电性差异来进行定性分析的。根据上述煤层开采前后力学特性变化的分析，当煤层被采空后，原地层结构发生的变化致使电阻率电性特征也会发生相应变化。

3.1 正常煤层电阻率剖面的电性特征

(1)横向连续，煤矿是盆地沉积变质矿床，忽略构造运动的影响，其介质横向相对均匀、电性特征相对稳定。

(2)电性具有层理性，煤层及其围岩几乎是一维层状介质，其电阻率剖面图像具有不同电阻率色带相平行的特征。

(3)高低阻界面清晰，煤层与围岩间的电性差异大，煤层的电阻率较围岩的电阻率低至少一个数量级，因此，围岩的高电性界面与煤层的低阻电性界面清晰，电阻率纵向梯度大。

(4)电性层序与地层层序对应关系一般为，围岩～煤层～围岩的地层层序对应的电性层为高阻～低阻～高阻的电性层序。

3.2 采空区域电阻率剖面的电性特征

(1)与煤层对应的电性层横向不再连续，出现局部低阻和高阻异常。当煤层不连续开采或开采巷道内充填属性不同(如局部被泥、水、碎石等充填，局部为空洞为充填)时，在电阻率剖面图上会呈现局部的相对高阻异常或低阻异常。

(2)煤层对应的低阻区域呈现出纵向扩展的趋势。煤层被开采后，受力平衡被打破，在围岩(尤其上部围岩)的作用下，临空面周围出现节理裂隙，致使围岩电阻率降低，低阻区域呈现纵向扩展的趋势。

(3)煤层与围岩电性界面紊乱。煤层被开采后，若节理裂隙进一步发展或围岩强度不足以承受上部围岩荷载时，岩体就会发生坍塌松动，当岩体坍塌松动不均时，煤层与围岩的电阻率界面紊乱。

(4)低阻区向上延伸形成纵向低阻带。在上部荷载的综合作用下，当局部围岩坍塌松动区域向上延伸至地面时，这一区域内岩体破碎、节理裂隙发育，其对应的电性特征即为纵向低阻区。

(5)电性层不再具有层状特征，电性层序与正常地层层序不再对应。当采空区横向范围较大、纵向坍塌松动的范围亦较大时、或者存在多层煤时，该范围内的地层层序被破坏，电性层序也不复存在，正常一维层状介质转变为三维复杂地质体，电性层序混乱。

4 煤炭采空区电性特征定性分析解释案例

4.1 案例地质背景

南方石墨鲁塘煤(石墨)矿区位于湖南省郴州市北湖区鲁塘镇③，矿区开采历史悠久，早在20世纪30年代就有开采活动，解放后，特别是90 年代末期以来，矿区开采进入了旺盛时期，各小煤矿、小煤窑数不胜数，仅在矿区西部煤炭(石墨)坑口就多达300个以上，巷道相互穿插，开采过程中挑肥丢瘦、乱挖滥采，开采秩序异常混乱，整个矿区已经千疮百孔。2010后南方石墨有限公司逐步对这一地区的矿山进行整合以进一步开发利用，然而自从整合以来矿山始终未能真正投产，原因是资料可靠性低，资料缺乏，原巷道或坍塌或被水充填，不得通行，难以进行全面的地下调查，煤矿(石墨)哪里已被开采哪里保有，不得而知。全面钻探取证，成本巨大，矿山难以承担。在这种情况下，地球物理勘查辅以井下调查与适量钻探验证成为了最优选择。

4.2 目的

运用音频大地电磁测深法(何继善，1990；席振铢等，2011；边祥会等，2013)查明矿区范围内采空区与残留煤层的分布范围，为以后矿区的发展规划提供参考。

4.3 分析及解释

表1 鲁塘煤炭(石墨)矿区岩石标本电阻率参数统计表

图1 S6区8线、14线、18线音频大地电磁测深二维反演剖面示意图Fig.1 AMT sketch map of 2D inversion profile of Line 8, Line 14 , and Line 18 in area S61-电阻率等值线; 2-采动区; 3-未动煤层层位; 4-采动煤层层位; 5-电阻率色谱1-resistivity contour; 2-mined and broken zone; 3-Intact coal seam position; 4-mined and broken coal seam position; 5-resistivity chromatography

如图1所示是郴州市鲁塘煤(石墨)矿区S6区8线、14线、18线音频大地电磁测深二维反演剖面示意图。以8线为例，该剖面位于一向斜构造内，电阻率断面图中由冷色(蓝色)到暖色(红色)电阻率逐步增高。结合地质资料，剖面中主要存在四个煤层层位，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。从图中可以看出Ⅰ、Ⅱ层位遭到严重破坏，Ⅲ、Ⅳ层位仍能分辨出来。1号采动区处在一大范围的低阻区域内，区域内电性层序被破坏，为自下而上的纵向低阻区，低阻区纵垮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ煤层层位，推测岩体自下而上贯穿性坍塌，地面塌陷或沉降。2号采动区与1号采动区相似，范围较1号范围小，主要为Ⅰ煤层采空后上部坍塌所致。3号和4号采空区内低阻区呈纵向扩展的特征，推测煤层采空后围岩出现节理裂隙，但未(大规模)坍塌。在Ⅲ煤层层位上的向斜核部(1号采动区的右下部)，电性层序正常，但电阻率横向不连续，存在局部相对低阻和相对高阻区，推测煤层被采空，但围岩未发生坍塌，巷道围岩较完整，节理裂隙不发育，电性的横向不均匀为煤层的不连续开采或巷道的充填属性不同(局部被泥、水、碎石充填、局部未充填)所致。在Ⅲ煤层的大号端、Ⅳ煤的两端，高低阻界面清晰、电性层序正常、电阻率横向连续，推测煤层未被开采。

4.4 效果

井下巷道调查及已有地质资料表明音频大地电磁测深法探测矿区内采空区与保有区的圈定范围与实际情况基本一致，采空区验证钻孔ZK8-1、ZK8-2的验证结果证实采空区的存在，效果较好，采空区电性特征的定性分析是合理的。

5 结论

我国当前能源资源供给窘迫及环境追求日趋友好的情况下，进行煤炭采空区的勘探迫在眉睫，全面钻探验证成本高昂，地球物理勘查辅以井下调查与适量钻探验证为最优选择。在运用岩石的电性特征进行煤(石墨)矿采空区的勘探中，对电阻率断面图进行分析解释时，务必充分弄清煤层被开采前后的电性特征及其差异，这是煤炭采空区勘探的成功的关键。

[注释]

① 国务院.2016.《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》[R].

② 国务院办公厅.2016.《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》[R].

③ 湖南省煤炭地质勘查院．2015.湖南郴州鲁塘煤(石墨)矿采空区探测报告[R]．

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Qualitative Analysis of Electric Characteristics in Coal Mined-Out Areas

SHEN Jian-ping1, BIAN Xiang-hui2,3, XI Zhen-zhu3, GAO Yuan1

(1.TheCoalGeologicalExplorationInstituteofHunanProvince,Changsha,Hunan410014; 2.Hunan5DGeologicandGeophysicalCompany,Changsha,Hunan410205; 3.SchoolofGeoscienceandInfo-physics,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410083)

Coal remains the main source of energy in China. It plays a very important role in the economic development and social stability of the country. At present, the mined-out areas produced during previous production are one of the serious issues to study urgently. Firstly, this paper briefly introduces the present situation of the development of coal resources in China. Then from mechanical change characteristics of coal seams before and after mining, this paper makes an analysis the changes of mechanical properties of coal seams under different mining degrees and filling properties of mined-out areas, which permits the qualitative analysis of electric characteristics of the coal mining areas. Then, resistivity characteristics of the coal mining areas are analyzed qualitatively, and 5 kinds of such features are summarized as follows. 1) The electric layers are no longer continuous laterally, and the local low- and high-resistivity anomalies are present. 2) The low resistance region presents a trend of vertical expansion. 3) Electrical interfaces are disordered between coal seams and surrounding rocks. 4) The low resistance regions extend upward and form a longitudinal low-resistance zone. 5) The electrical layer dose not have the layered characteristic, and the electrical sequence is no longer corresponding to the normal stratigraphic sequence. Finally, a case study of mined-out areas in the Lutang, Chenzhou coal (graphite) mining area demonstrates that the qualitative analysis of electric characteristics of mined-out areas in this paper is reasonable.

free surface, mined-out area, resistivity difference, electric characteristics, qualitative analysis

2016-07-05；[修改日期]2016-11-06；[责任编辑]陈伟军。

申建平(1963年-)，男，高级工程师。E-mail：631237139@qq.com。

边祥会(1983年-)，男，工程师，长期从事地球物理勘查工作。E-mail：13874923403@163.com。

P631

A

0495-5331(2016)06-1147-05