煤矿采空区常用地球物理探测技术分析对比

冯 鹏，宋春华，韩沙沙

（1山东金岭铁矿有限公司，山东 淄博255084；2中煤地质工程总公司上海分公司，上海200135）

煤矿采空区常用地球物理探测技术分析对比

冯 鹏1，宋春华2，韩沙沙2

（1山东金岭铁矿有限公司，山东 淄博255084；2中煤地质工程总公司上海分公司，上海200135）

结合实例重点分析了电剖面法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法、三维地震法、测氡法等常用物探技术的工作原理、应用情况及优缺点。随着勘探精度要求的提高以及采空区问题的复杂性和难度，单一物探方法已不能完全满足要求，建议采用多种物探方法相结合的方式提高探测的准确性。

煤矿采空区；物探技术；电剖面法；电磁法；三维地震法；测氡法

1 前言

近年来随着煤矿上组煤层煤炭资源的开采殆尽，越来越多的煤矿开始开采下组煤，而在上部煤层形成的采空区越来越多，对下组煤的安全开采带来很大的隐患。采空区的探测方法多种多样，目前国内外主要是以采空区调查、工程钻探、地球物理探测为主，辅以变形观测、水文试验等。

探测煤矿采空区的物探方法主要分为以下几类：1）重力勘探。采空区因开采形成质量亏损，从而形成低重力异常，探测重力异常，从而确定采空区的分布、大小、边界等。2）电法勘探。电法勘探是通过探测采空区与围岩的电性差异来确定采空区的位置和大小，尤其探测积水采空区效果明显。主要的探测方法有电剖面法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法等。3）地震勘探。地震勘探是通过探测采空区与周围地震的弹性差异来确定采空区的位置分布，其控制采空区的边界效果较好。4）测氡法。测氡法是一种放射性测量方法。在采空区的上方会形成氡的富集，而在附近区域氡的含量会明显变少，通过测量氡含量的多少可确定采空区的位置。本研究结合实例重点对常用的几种物探技术进行分析。

2 常用采空区物探技术分析

2.1 电剖面法

2.1.1 工作原理

电剖面法采用固定极距的电极排列，即针对某一深度沿测线逐点供电和测量，获得视电阻率剖面曲线，以了解地下一定勘探深度内沿测线方向上岩石的电性变化。正常情况下地层的电性变化有一定的规律性，反映在视电阻率剖面图上为视电阻率值变化稳定，等值线呈似层状分布，变化平缓。当存在采空区时，视电阻率值将发生明显变化，从而达到探测采空区的目的。

2.1.2 实例分析

研究区概况：研究区位于黑龙江省鸡西市某煤矿，在穆棱河南侧的冲积河漫滩和北侧古老的麻山群变质岩所形成的山峰之间。主要地层由上到下分别为第四系、桦山群、白垩系穆棱组和城子河组、麻山群。其中白垩系穆棱组和城子河组为主要含煤地层，岩性以砂岩为主。研究区内主要开采煤层为城子河组4、9煤。经前期采空区调查，发现区内小煤窑星罗棋布，浅层煤层已基本采空。

采集装置：三级联合剖面法，AB/2=200m。图1为测线L5240电剖面法视电阻率曲线。图中曲线1表示

图1 L5240电剖面法视电阻率曲线

2.1.3 优缺点分析

电剖面法装置较为简单，施工方便，采空区边界清晰易辩。但其垂向只能测1个深度的数值，数据少，不适合于倾角大的地层。

2.2 瞬变电磁法（TDEM）

2.2.1 工作原理

瞬变电磁法是在地表敷设不接地线框，输入阶跃电流，当回线中电流突然断开时，在下半空间就要激励起感应涡流以维持断开电流前已存在的磁场，并且此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用不接地线圈在地面中心探头观测此二次涡流磁场或电场的变化情况，可用以研究浅层至中深层的地电结构[2]。由于地层的沉积是连续而稳定的，所以横向上的电性差异应该很小。采空区的存在则会打破这一平衡，使其相对于围岩出现或高阻（不含水采空区）或低阻（积水采空区）的现象，这便是采用瞬变电磁法探测采空区的理论基础。

2.2.2 实例分析

研究区概况：研究区位于黑龙江省双鸭山市某煤矿，区内地表平整，均为农田，无电线和建筑物干扰。主要地层由上到下分别为第四系、桦山群、白垩系穆棱组和城子河组、麻山群。其中白垩系穆棱组和城子河组为主要含煤地层，岩性以砂岩为主，主要开采煤层为城子河组1、3上、6、8、12煤，浅部煤层小窑已基本采空。

主要施工参数：大定源回线装置采集，发射线框600m×600m，发射频率8.33 Hz，发射电流10 A。

图2为L580瞬变电磁法视电阻率剖面图和地质剖面图，图中存在两处明显的低阻异常，一处位于1煤和3上煤深度，桩号340～660之间，该异常呈长条状圈闭，且形状顺着煤层方向，视电阻率值在20～40Ω·m之间，明显小于背景电阻率。推断在该位置，1煤或3上煤存在采空积水。另一处位于8煤深度，桩号720～780之间，该异常呈圆形圈闭，视电阻率值＜40Ω·m。通过对比相同位置采集的直流电测深法资料和可控源音频大地电磁法资料，发现在第一处异常区均有异常反应，表明推断较可靠[3]。

图2 L580瞬变电磁法视电阻率剖面图和地质剖面图

2.2.3 优缺点分析

瞬变电磁法具有施工效率高，高阻围岩寻找低阻体灵敏、分辨能力强、剖面测量与测深同时完成等优点，同时瞬变电磁法异常显现明显（尤其对于积水的采空区），为最常用的采空区探测手段。但是瞬变电磁法存在浅层探测盲区的缺点，这大大缩小了其有效勘探深度，同时瞬变电磁法的低阻层向下“延滞”现象也比较明显，不利于区分多层采空区。

2.3 可控源音频大地电磁法（CSAMT）

2.3.1 工作原理

当地层电阻率固定时，电磁波的传播深度（或探测深度）与频率成反比，高频时探测深度浅，低频时探测深度深。可以通过调整供电频率的高低，得到不同深度的地电信息，从而达到垂向频率测深的目的，根据所测视电阻率特征，了解地下地质体的产状和特征，分析推断构造带空间分布形态及地层岩体之间接触关系。

2.3.2 实例分析

研究区概况：研究区与2.2.2为同一个研究区。

主要施工参数：收发距离为12 km，工作频率1.33333～9600 Hz，采集时间 40min。

图3为L420线CSAMT和TDEM视电阻率剖面图和地质剖面图，对比TDEM，CSAMT视电阻率剖面图中显示的整体地层呈层性更好，地层倾斜方向与实际地层倾斜情况吻合度高。CSAMT在1煤和3上煤深度，桩号360～620区域，同样也存在着异常反映，只是没TDEM反映明显。

图3 L420线CSAMT和TDEM视电阻率剖面图和地质剖面图

2.3.3 优缺点分析

CSAMT是20世纪80年代才开始真正发展起来的地球物理新技术，具有工作效率高、勘探深度范围大、受地形影响小等优点，同时因CSAMT具有垂向分辨率高的优点，为解决多层采空区的探测问题提供了思路。但由于其技术（尤其是处理技术）还不是非常成熟，在浅层的探测应用效果并不好。随着煤层开采的越来越深，CSAMT资料处理技术的越来越成熟，相信会得到越来越多的重视和应用。

2.4 三维地震法

2.4.1 工作原理

在地表以人工方法激发地震波，在向地下传播时，遇有介质性质不同的岩层分界面，地震波将发生反射与折射，在地表或井中用检波器接收这种地震波，通过对地震波记录进行处理和解释，用以推断界面深度、构造形态及其物性参数。煤层采空区引起的上覆岩层破坏对地震波有很强的吸收频散衰减作用，使反射波频率降低，破碎围岩及裂隙对地震波衰减还表现为反射波波形变得不规则、紊乱甚至产生畸变，而采空区下方则由于岩层相对完整而变化不明显。即在地震时间剖面上采空区位置出现了连续煤层反射波组的中断或消失。

2.4.2 实例分析

研究区概况：研究区位于山西省朔州市某煤矿，区内地表大部分被黄土覆盖，地势总体呈北高、南低之趋势。主要地层由上到下分别为第四系，第三系上新统静乐组，二叠系上石盒子组、下石盒子组、山西组，石炭系太原组、本溪组，奥陶系马家沟组。主要开采煤层为 4、5、8、9、11 煤，其中 4、9 煤局部已被采空，且存在小窑越界开采的情况。

主要施工参数：10线8炮束状观测系统，960道中间放炮接收，线距40m，道间距10m，炮间距80m，24次覆盖（4横向×6纵向）。

图4为采空区在地震时间剖面上的反映，图中CDP112～198之间位置，9号煤层所对应的反射波消失，和两侧反射波存在明显的不连续，而在其下部奥灰顶界面附近，出现一组能量非常强的反射波。

图4 采空区在地震时间剖面上的反映

2.4.3 优缺点分析

三维地震法勘探精度高，对构造体的位置、形状等的分析判断都有很高准度，已广泛应用于煤炭、油气等资源勘探中。在采空区探测中，也能较为准确地判断出采空区边界，但无法确定采空区的积水情况，同时因为勘探成本较高，所以三维地震法很少被用来做采空区探测。

2.5 测氡法

2.5.1 工作原理

氡（222Rn）是铀（238）系的唯一呈气态的无色无味的放射性惰性气体，是镭的衰变产物，其化学性质十分稳定，但物理性质十分活泼，能溶于水、油等液体中[4]。氡活动性强，具有很强的迁移能力，可以很容易由地下深部经过岩石进入地表土壤中。采空区的存在，改变了原有的地层应力结构，使氡开始向采空区运移、聚集，同时由于其很强的向上运移能力，使采空区上方形成氡的富集区，而在其附近地段氡含量明显减少[5]。通过分析氡含量横向上的差异可确定采空区的位置。

2.5.2 实例分析

研究区概况：研究区位于山西省吕梁市柳林县某煤矿，区内地表为典型的梁峁状黄土丘陵地貌。主要地层由上到下分别为第四系；第三系；二叠系石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组；石炭系太原组、本溪组；奥陶系峰峰组、上马家沟组。主要开采煤层为 4、5、8、9、10 煤，浅层煤已被局部采空。

主要施工参数：活性炭测氡法。

图5为1线氡值剖面图，图中1～15号点氡值大多超过270个计数/3min，且起伏明显，而16～20号点氡值较1～15号点明显偏低，且连续稳定，故推断1～15号点位置存在采空区。对比同期施工的瞬变电磁法和已知资料，反映的采空区位置基本一致，表明推断较为可靠[6]。

图5 某煤矿1线氡值剖面图

2.5.3 优缺点分析

测氡法具有成本低、操作简单、不受电磁及地形影响等优点，但只能确定采空区的平面位置，无法判断采空区的垂深和积水情况。

3 结语

各种采空区物探技术方法各有优缺点，都不能完美地解决所有的地质问题。随着勘探工作的不断深入，安全高效生产对勘探的精度要求不断提高，待解决问题的复杂性和难度加大，单一物探方法已不能完全满足新形势的要求，多种物探方法相结合的方式能大大提高探测的准确性。

目前，笔者认为较为完善的施工手段应该遵循下面几个流程：

1）进行采空区调查和收集相关已知资料，通过分析收集到的资料确定物探方案。2）选择物探施工手段，可采取三维地震和测氡法，初步确定采空区的位置或深度，再采用电法、电磁法确定采空区的积水性和深度（采取电法和电磁法相结合的手段可进一步提高解释的精度），运用各种数学方法对多种属性进行综合分析，调整处理参数，从而获得最终的采空区及积水范围分布规律。3）采用钻探手段对物探确定的采空区进行验证。

[1]韩沙沙.黑龙江龙煤矿业集团股份有限公司鸡西分公司某煤矿水文地质补充勘探地面物探报告[R].上海：上海中煤物探测量有限公司，2014.

[2] 李貅.瞬变电磁测深的理论与应用[M].西安：陕西科学技术出版社，2002.

[3]韩沙沙.急倾斜区安全开采方案论证（某煤矿西一采区急倾斜煤层浅部积水区探测）技术方案施工工程报告[R].北京：中国煤炭地质总局特种技术勘探中心，2016.

[4] 刘鸿福.氡及其子体运移的实验研究与机理探讨[D].太原：太原理工大学，1997.

[5]宋英慧.综合物探技术在煤矿采空区中的探测中的应用[J].山西煤炭，2011，31（5）：73-75.

[6]高建.山西省柳林县兼并重组整合煤矿区水文地质补充勘探和顶底板水害评价及防治对策综合研究地面物探报告[R].北京：中国煤炭地质总局特种技术勘探中心，2012.

Analysis and Comparison of Geophysical Detection Techniques Used in Coal Goafs

FENG Peng1,SONG Chunhua2,HAN Shasha2
（1 Shandong Jinling Iron Ore Co.,Ltd.,Zibo 255084,China;2 China Coal Geological Engineering Corporation Shanghai Branch,Shanghai 200135,China）

Composed with some practical examples,the working principle,application and their advantages and disadvantages of sectionmethod,transient electromagneticmethod and controlled source audio-frequencymagnetotelluricmethod,3d seismicmethod and radonmeasurementmethod commonly used geophysical exploration techniques were analyzed.With the improvement of exploration precision,there aremore complexity andmore difficulty problems for goafs,so the single geophysical explorationmethods did not fullymeet the requirements.To improve the accuracy of detection,using a combination of a variety of geophysical explorationmethods is recommend.

coal goaf;geophysical technology;electrical profiling;electromagneticmethod;3d seismicmethod;radonmeasurement

P631

A

1004-4620（2017）04-0005-04

2017-04-05

冯鹏，男，1988年生，2012年毕业于山东科技大学地球物理学专业。现为山东金岭铁矿生产技术中心助理工程师，从事物探工艺技术及管理工作。