综合物探手段在探测煤矿采空区的应用

叶一飞，王光宇，吴亚荣，杨喜平，张博龙

(1.陕西榆林能源集团郭家滩矿业有限公司，陕西 榆林 719000；2.陕西银河煤业开发有限公司，陕西 榆林 719000；3.陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719099)

0 引言

地球物理勘探方法(或称应用地球物理，简称“物探”)是以岩矿石等介质的物理性质差异为物质基础，利用物理学原理，通过观测和研究地球物理场的空间和时间分布规律以实现基础地质研究、环境工程勘察和地质找矿等目的的一门应用科学。在地球物理勘探中，广泛应用于各种岩矿石等介质的物理性质或物性参数。其中电法勘探是以地壳中岩矿石间的电性差异为基础，通过观测和研究天然电磁场和人工电磁场的空间与时间分布规律进行地质勘探、找矿等的一种物探方法[1]。电法勘探利用的参数较多，它应用范围较广，主要用于探查区域与深部地质构造、寻找油气田、寻找金属与非金属矿产，解决水文地质和工程地质中的有关问题，以及工程建设中的路基、桥基和环境勘查中的一些问题[2]。微动勘探是指对天然场源微动信号进行数据处理提取Rayleigh波频散信息，通过反演该信息获得地下介质横波速度结构，分析地质体与周围介质的波速差异，从而查明或解决有关工程地质问题的一种物探技术，是一种环保、抗干扰能力强、探测深度大、适用范围广的新型物探技术[3]。

采用瞬变电磁、激电中梯和微动勘探综合手段探查某煤矿采空区，由于试验采空区和第1次探测采空区特性基本一致，导致第1次误判，通过对物探手段组合和工作方法的改进，最终探查到采空区，为在类似条件下开展煤矿采空区的探测提供了借鉴。

1 勘探区概况

勘探区属鄂尔多斯盆地沙漠区与黄土高原区接壤过渡地带，自然地貌主要为河谷阶地区和黄土梁峁区。根据资料在阴影部分可能存在采空区。通过对阴影部分地形地貌和人居环境的调查及分析后，选取A、B、C、D这4个区域开展物探工作，如图1所示。

图1 推测采空区(阴影部分)及4个物探工作区域

2 地质特征

2.1 勘探区地层

表1 含煤地层及上覆岩层特性

2.2 勘探区地球物理特性

根据已有的测井资料分析，本区各地层电阻率差异不大，大都在50～400 Ω·m之间，煤层电阻率较高，一般在400～1 000 Ω·m之间，最高可达1 800 Ω·m。但本区无论是地层或煤层，都比较稳定，煤层可能会形成层状的高电阻率异常，未开采区一般不会形成局部电阻率异常。当地下煤层局部被开采后，在煤层内形成一定规模的空间，此时的采空区为空洞。从电性上分析，其电阻率表现为高阻反映，一般要比正常岩层的电阻率高3～5倍，有的可达10倍以上。但随着时间的推移，其周围的应力平稳状态遭受破坏，产生局部的应力集中，采空区顶板在上覆岩层压力的作用下，会发生变形、断裂、位移、冒落，形成冒落带，这样上覆岩层就会在地球重力的作用下逐渐断裂、塌陷，地下水就会侵入，同时地表水也有可能沿裂缝向采空区内渗漏，此时采空区的电阻率会随之发生变化，表现为低电阻率异常反映，这时采空区电阻率的大小取决于其富水、充水状况。这是瞬变电磁工作的物性基础。

煤层极化率较高，采空后极化率降低，这是开展激发极化法工作的物性基础；采空后形成的采空区、断裂破碎带和冒落带会使岩石密度降低，形成低速异常，这是微动探测的物性基础。

3 工作参数的试验

3.1 瞬变电磁

开展物探工作前，在已知采空区地表进行瞬变电磁、激电中梯和微动探测的技术试验。试验主要采用瞬变电磁进行勘探，然后视激电中梯和微动探测手段对瞬变电磁异常进行验证，再确定物探手段的组合方法，试验的目的主要是确定进行瞬变电磁勘探时采用的发射框大小，采样频率和发射电流等参数[4]。

在已知采空区的试验情况如下：用300 m×600 m和200 m×200 m发射框进行试验，对比后发现200 m×200 m发射框受边框影响明显，异常形态复杂，对采空区范围反映欠佳(左半部分红色为已知采空区)，如图2所示；用16 Hz和8 Hz采样频率进行试验，对比后发现8 Hz采样频率结果异常较为凌乱，不能准确地反映已知采空区范围(左半部分红色为已知采空区)，如图3所示；用10 A和20 A这2种不同发射电流进行试验，对比后发现二者异常范围几乎一致，如图4所示，说明瞬变电磁工作采用10 A或20 A的发射电流均可。

图2 300 m×600 m和200 m×200 m发射框试验对比

图3 16 Hz和 8 Hz采样频率试验对比

图4 10 A和20 A 2种发射电流试验对比

经分析对比，为保证采集数据质量，最终确定瞬变电磁的工作参数为：采用20 A发射电流，300 m×600 m发射框和16 Hz采样频率。

3.2 激电中梯

在相同的已知采空区，对激电中梯方法进行技术试验，供电极距AB为900 m，测量极距MN取40 m，在未采段显示高极化率，采空区显示低极化率异常，视充电率对采空区反映良好，结果如图5所示。激电中梯在未采段显示高极化率，采空区显示低极化率异常，电阻率异常不明显，激电中梯可作为辅助手段对瞬变电磁异常进行验证。根据试验确定工作时供电极距AB选择900～1 000 m，在A、B极间1/3地段观测，MN距应适合关系式MN≥(1/50～1/30)AB，接收测量极距选40 m，供电脉冲宽度选2 s，点距20 m。

图5 激电中梯试验结果

3.3 微动测量试验

采用三重圆台阵，根据探测深度要求(约220 m)，确定三重圆台阵半径分别为r(12.5 m)、2r(25 m)、4r(50 m)，圆心处布设1台数据采集器，圆周上布设3台数据采集器，每个采集站连接一个2 Hz宽频带检波器，共10个采集器，如图6所示。根据试验，确定每点采集时长大于50 min，采用4G数据实时监控系统，确保数据质量。

图6 微动测量数据采集器布置

通过微动测量试验并与瞬变电磁试验进行对比，在已知采空区视电阻率显示为高阻特征，对应微动测量为低速异常，未采段显示为高速异常，界线明显。2种方法在试验区对应良好，可以为瞬变电磁佐证。

4 物探工作

4.1 测点布设

瞬变电磁的基本网度为20 m×20 m，测点为实地放样标定，参考站接入陕西地理信息局提供的陕西CORS播发的数据作为参考站数据，布设采用实时动态(RTK)作业方式进行施测。为加快工作进展，采用2台RTK进行定点施测作业，定点施测作业前，2台RTK相互用已知控制点进行校验，满足本次设计及规范要求(水平精度：±10 mm+10-6；垂直精度：±20 mm+10-6)。具体做法是将各测点理论坐标输入仪器，然后用RTK实时动态坐标放样，依次放样出各个测点实地位置，在实地打桩定点，各桩均捆绑测旗作为标记，方便在野外目视不佳的环境中快速找到测点，并且在测旗上注记测点点线号，方便记录。

4.2 第1次物探工作

利用试验确定的工作参数，在A、B、C区开展物探工作，其中A区地表环境复杂，测区地貌地物有壕沟，生长有灌木、杂草等，距离小河不远，地表局部有受雨季影响形成的潮湿洼地，还有地形起伏较大的干燥沙漠区域，因此A区属于物探环境最为复杂的区域。根据A区瞬变电磁煤层所在深度的视电阻率异常切片图来看，区别非常明显(红色为高阻区)，如图7所示。B区的探测范围较小，从断面图特征来看(图8)，煤层深度电阻率值较为平稳，没有局部低阻异常出现，煤层深度视电阻率切片图显示视电阻率值范围在53～56 Ω·m之间，等值线宽缓，推断B区越界开采的可能性不大，推测没有充水采空区存在；随后对A区开展分析，推测A区的相对高阻区域可能是受到地表潮湿洼地的影响，因此未在A、B两区实施钻探验证。

图7 A区煤层深度瞬变电磁切片

图8 B区煤层深度瞬变电磁切片

在C区实施瞬变电磁物探后，发现在1060线到1100线，1080点到1260点范围内出现高阻异常，与已知采空区试验获得的采空区特征相似。经讨论后，决定在C区高阻区进行钻探验证。根据调查收集的资料分析研究，钻探验证设计施工了3个钻孔(ZK1、ZK2、ZK3)，钻孔位置采用实时动态(RTK)方式进行施测，经钻探验证C区的高阻区，其并非采空区，如图9所示。

图9 C区高阻区及验证钻孔位置

4.3 分析第1次物探结果

由于第1次物探出现误判的情况，分析原因主要有2个：①试验的已知采空区为综采工艺，坍塌、冒落带范围较大，并且是刚形成不久的采空区，且井下采空区没有进行人为储水的情况，采空区涌水为自流状态，所以充水特征不明显，采空区显示为高阻。而推测采空区并非综采工艺，坍塌、冒落带范围较小，且形成时间较长，充水特征与已知采空区不同，因此需探查的采空区与已知采空区所反映的物理特性不尽相同，可能会造成误判；②由于C区测区较小，未能涵盖实际的采空区，对性质相似的采空区异常特征缺少实际资料，且受到测区厚沙层的影响，按已知采空区异常试验取得的物理特征进行推断，可能会造成误判。

4.4 第2次物探工作

基于上述情况，在C、D两区开展补充物探工作即第2次物探，为重新认识采空区可能性提供依据，紧挨C区向南部延伸为D区范围，在D测区采取了3种物探手段，分别是瞬变电磁、激电中梯和微动监测，物探工作参数与第1次物探工作参数保持一致。瞬变电磁显示C区视电阻率在48 Ω·m以上，为高阻区，D区视电阻率大都在46 Ω·m以下，为低阻，且梯度带特征明显，进一步说明D区为可能存在采空区的可靠性。激电中梯在试验采空区以视充电率小于15‰为采空区特征，充电率异常对采空区的反映较为明显，视电阻率规律性不强，以此为依据，同样在D区把视充电率小于15‰推测为采空区。由于地形起伏变化较大的地方对激电中梯测量结果的影响较大，D区南部由于沟壑纵横，地形高差较大，图面显示规律性不强，但可作为瞬变电磁的辅助手段确定采空区大致范围，如图10所示。

图10 C、D区煤层深度瞬变电磁切片

根据微动测量结果，用已知采空区试验取得的参数，把低于1 000 m/s的横波低速区推断为采空区的反映，并且横波速度小于1 400 m/s与瞬变电磁低阻范围基本吻合，推测为疑似采空区。在实际应用中，微动测量虽然有分辨率高、受环境噪声影响小、易于实施等优势，但也受地表介质及地形影响，对采空区边界的反映也存在不确定性，适合作为采空区探测的辅助手段，对瞬变电磁推断的采空区进行佐证。对3种物探手段及组合方法探测分析后，确定结合瞬变电磁和微动测量的成果将推断采空区分为Ⅰ级-可靠、Ⅱ级-较可靠、Ⅲ级-疑似3个等级。其中横波速度小于1 000 m/s与瞬变电磁视电阻率值低于43 Ω·m范围吻合段，推测为Ⅰ级采空区，性质可靠；瞬变电磁视电阻率值低于43 Ω·m，横波速度小于1 400 m/s，推测采空的可能性较大，推测为Ⅱ级采空区，较为可靠；视电阻率在43～48 Ω·m之间，但是没有低阻异常中心，范围较小，不排除有采空的可能，由于没有微动探测佐证，推测为Ⅲ级采空区，如图11所示。

图11 C、D区三级采空区推断范围

4.5 第2次钻探验证结果

为验证改进物探组合方法探测采空区，考虑便于钻探施工，在Ⅱ级采空区设计2个验证钻孔ZK4和ZK5，进行第2次钻探验证，根据钻探过程中冲洗液漏失、掉钻等情况，判断是否探测到采空区[7，9]，钻探过程及验证结果见表2。

表2 验证钻孔特征及结果

经过2个钻孔的钻探验证，确定了Ⅱ级-较可靠为采空区。

5 结论

(1)相同的物探工作参数下采空区显示物理特征不一样，根据分析这和采空区的充水特征有直接关系，为类似情况下开展物探工作提供宝贵经验。

(2)根据物探结果将推断采空区分为Ⅰ级-可靠、Ⅱ级-较可靠、Ⅲ级-疑似这3个等级，并经钻探验证Ⅱ级-较可靠存在采空区，说明Ⅰ级-可靠存在采空区是可以定性的。

(3)微动测量在采空区部位显示中低速异常区(横波速度1 400 m/s以下)，与瞬变电磁相对低阻范围基本吻合，可作为本区采空区探测的配套手段；激电中梯由于地形的原因，异常范围边界欠清晰，仅可以作为辅助手段，因此在类似条件下采空区最佳探测方法为瞬变电磁+微动测量。