多种物探技术在煤矿采空区探测中的应用研究

张开伟 赵海超 王世淼

(河北建设勘察研究院有限公司，河北 石家庄 050031)



多种物探技术在煤矿采空区探测中的应用研究

张开伟 赵海超 王世淼

(河北建设勘察研究院有限公司，河北 石家庄 050031)

根据某煤矿采空区表现出来的地球物理特征，利用高密度电阻率法、瞬变电磁法、地质雷达法三种综合物探方法，探测了其位置、发育规模及范围，三种物探方法相互验证，异常位置基本一致，提高了物探成果的解释精度。

高密度电法，瞬变电磁法，地质雷达，采空区

0 引言

我国的煤炭开采活动具有历史久、范围广、规模大等特点，而早期煤炭开采活动管理混乱，盲目开采，未能及时填埋治理形成的采空区，时间久之，引起一系列的地表沉陷、断裂等地质灾害，威胁人民生命财产安全。而因为缺少正确的开采施工图纸，不能及时发现已有地下采空区，这就迫切需要采用有效的物探方法去探测采空区的位置、产状、规模等，以便于及时治理。

1 地球物理特征及勘探方法的选择

1.1 地球物理特征

大部分煤层分布于覆盖层以下，经地下开采后，形成空洞，破坏了原有的地质构造形态，应力失衡，如未做有效的相应支护措施，造成顶板下沉、塌陷，最终形成三带：冒落带、裂隙带和弯曲下沉带[1],见图1。

三带的产生相应的破坏了原有的地质形态，也打破了该区域的正常的地球物理特征，形成采空区以下几点特有的物理特征：

1)电阻率特征。当煤层被采空以后,若被地下水充填，因水中富含游离的钙、铁离子，使得采空区具有低阻高极化率的电性特征；当裂隙带或冒落带不充水时,仅为高阻的空气，则采空区出现高阻特征,据此可确定采空区的范围。

2)电磁波特征[2-4]。空气是自然界中电阻率最大、介电常数最小的介质，电磁波速最高，衰减最小。水是自然界中介电常数最大的介质，电磁波速最低。干燥的岩石、土和混凝土其电磁参数虽有差异，但差异不大，基本上多数属于高阻介质，介电常数在4～9之间，属中等波速介质。但是由于各类岩土不同的孔隙率和饱水程度，显现出较大的电磁学性质差异。在采空区的冒落带上下表面，存在原有岩体与空气或地下水的界面；在裂隙带区域，存在致密岩体与破碎松散岩体的分界面；以上两种界面，由于界面两侧介电常数的不同，产生明显的电磁性差异，利用这些差异，可探测出采空区的产状埋深。

1.2 勘探方法原理

由于地下采空区情况复杂，采用单一物探方法进行探测容易造成误判，所以我们通常采用多种物探方法进行综合解释。经多次验证，我们提出了用高密度电剖面法、瞬变电磁法相互佐证探测深部采空异常，并以地质雷达扫面寻找浅层裂隙及采空塌陷造成的上覆地层松动带异常，最后辅以钻探验证的工作方法。

1.2.1 高密度电法

高密度电法是通过人工建立地下稳定直流电场，一次性布置若干道电极，采用数控装置控制排列形式快速采集数据进行剖面扫描，研究地下地质体的电阻率变化，从而查明有关地质问题的一种直流电阻率勘探方法。

1.2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法(简称TEM)通过发射回线向地下发射电磁波激励地下目标，当发射回线产生的一次磁场在周围传播过程中，遇到地下良导电的地质体，将在其内部产生感应电流，通过接收回线观测二次场，并对观测的数据进行分析和处理，对地下地质体的相关物理参数进行解释。

1.2.3 地质雷达法

雷达探测的基本原理是使用电磁波穿透地质介质，当存在电磁性质差异界面时，电磁波发生反射，根据反射波的时程与动力学特征确定介质的结构。通常用于快速扫描、发现异常。

2 应用实例

2.1 探测区地质概况

探测区位于井陉矿区北部，属近山丘陵地貌，地势较平缓。本区煤田含煤系地层顶板埋深约100 m，自下而上分别为二叠系下统山西组黑灰色页岩、深灰色砂岩夹薄层煤；石炭系太原组深灰、灰黑色砂质泥岩、粉砂岩、页岩夹灰岩夹一层煤及本溪组铝土页岩、泥岩夹灰岩夹薄煤层。山西组厚度约50 m，底部含煤有1层局部可采；太原组厚度约50 m，中部含煤厚度约20 m可采；本溪组厚50 m～60 m，仅见1～2薄层煤，分布不稳定，煤层均不可采。

2.2 物探工作及解释

按照我们提出的综合物探方法，我们对该区域进行了探测。高密度电法采用DUK-2高密度电法测量系统，采用120道、点距5 m大剖面测量；瞬变电磁法使用ATEM Ⅲ型瞬变电磁仪，采用重叠回线装置，线框边长为50 m，点距10 m；地质雷达法使用Zond-12 e型地质雷达及配套非屏蔽型38 MHz天线，采用点测方式，点距1 m。下面选取三种方法在同一区域所做的数据做简要对比解释。

图2为高密度电法G5号测线视电阻率等值线图，剖面东西向布置。表层土在电性上呈低电阻率反应，视电阻率ρs<40 Ω·m；堆积层岩性不均匀,较松散,呈较高电阻反应,视电阻率ρs=40 Ω·m～90 Ω·m；而下伏基岩为高阻电性层,视电阻率ρs在200 Ω·m左右；在剖面中部第120 m和320 m处出现低电阻率等值线圈，埋深在30 m左右，分析解释为浅层采煤巷道被地下水或碎石土充填引起的低阻反应；另外，地表水通过地层中的裂隙垂向渗透可能将第四系地层中粉土、粉质粘土等细颗粒土运移至地层深部，会形成低阻粉质粘土层的缺失、不连续或明显的产状变化，通过设置视电阻率ρs=40 Ω·m标志层并追踪其形态，我们发现标志层在第120 m和320 m处向下弯曲，因此推断此处地层电性发生了异常，佐证了采煤巷道的存在。

图3是与G5剖面垂直布置的T3雷达剖面，在G5剖面第120 m处相交；由T3可以看出有三处强反射信号，呈双曲线状态，在125 m后雷达反射信号紊乱，变弱，并伴有双曲线型反射波，推测此处为空洞及松动带反应，此异常位置与G5的“低阻异常1”对应。图4是与本测线中部基本平行重合的地质雷达T4号测线，雷达影像在第55 m～65 m埋深30 m下出现强烈的反射波信号，呈双曲线状态(见图4空洞异常3)，分析解释为地下空洞异常引起，与G5剖面的“低阻异常2”位置对应。雷达剖面与高密度剖面异常位置基本吻合，说明地质雷达法可有效发现浅表地层中的空洞及松动带反应，进一步可判断出采空塌陷对表层地基稳定性已经有了一定的影响。

图5为S29号瞬变电磁剖面，该剖面与T3平行，水平距离约20 m，本剖面反演所得视电阻率等值线图显示在中部有高阻异常反应，与T3中“空洞异常2”位置对应，因此可判断此异常的产状；北侧低阻反应与G5高密度剖面的“低阻异常1”位置对应，而T3号地质雷达剖面反映此处反射波同相轴错乱，信号变弱，故推测此区域为采空塌陷引起表层土松动、地表水渗漏造成的低电阻率异常，并可根据瞬变电磁剖面中视电阻率等值线的形态进一步大体判断采空的空间分布形态及采空对周围土体的影响范围。

综合三种物探方法互相验证，异常位置基本一致，证明了综合物探方法在寻找采空区的有效性。

3 结语

通过本工程实例证明，高密度电法、瞬变电磁法和地质雷达三种物探方法相结合对于寻找煤矿采空区的有效性，高密度电法和瞬变电磁法侧重寻找深部采空异常，其中高密度电法可利用电性追踪判定地表水对地基的破坏程度，瞬变电磁可大体判断采空区的空间展布，而地质雷达通过寻找采空区塌陷和持力层破坏等采空区表层特征来推测采空区的位置。三种物探方法相互验证，综合判断,使解释与推断更趋合理。

[1] 李焕春,张有朝,王士平.高密度高分辨电阻率法在采空区“三带”的探测研究[J].河北煤炭,1999(2):38-40.

[2] 刘红军,贾永刚.探地雷达在探测地下采空区范围中的应用[J].地质灾害与环境保护,1999,10(4):73-76.

[3] 路军臣,苏维涛,张济怀.瞬变电磁法在探测小窑采空区中的应用[J].河北煤炭,2002(2):39.

[4] 任基林,邓金灿,苏亚汝,等.瞬变电磁法在探明某矿区采空区方面的应用[J].矿产与地质,2001(15)：69.

Study on the application of multi-geophysical prospecting techniques in mined-out area survey

Zhang Kaiwei Zhao Haichao Wang Shimiao

(HebeiConstructionSurveyAcademyCo.,Ltd,Shijiazhuang050031,China)

According to global physical features of mine-out area, the paper applies High-Density Resistivity Method, transient electromagnetic method and geological radar method, it explores its location, development scale and scope. Three kinds of physical probing methods testifies one another, and abnormal location is in accordance, which improves the interpretation accuracy of its physical probing achievement.

High-Density Resistivity Method(HDRT), transient electromagnetic method, geological radar, mined-out area

1009-6825(2017)09-0060-02

2017-01-12

张开伟(1982- )，男，硕士，高级工程师

P624

A