隐蔽采空区综合勘查技术研究_赵立钦.pdf

地地质质与与勘勘测测 隐蔽采空区综合勘查技术研究 赵立钦1， 2，李凤明3，李宏杰1， 2，吴作启1， 2 1. 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013; 2. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 煤炭科学研究总院 ，北京 100013; 3. 煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013 ［ 摘 要］隐蔽采空区所诱发的塌陷、矿震、有毒有害气体涌出、水害、火灾等严重威胁煤矿 安全生产，老矿井开采资料的缺失给采空区治理带来很大难度。应用采空区综合勘查技术可高效、准 确地探测采空区的位置、分布范围及积水情况。将采空区综合勘查技术应用到榆林市某地方煤矿浅埋 隐蔽采空区探测，取得良好效果，为类似条件的隐蔽采空区勘察提供借鉴。 ［ 关键词］隐蔽采空区; 综合勘查技术; 瞬变电磁法; 浅层地震法; 钻孔电视 ［ 中图分类号］ TD163［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201705- 0017- 04 Study of Synthesize Exploration Technique of Hidden Gob Area ZHAO Li- qin1， 2，LI Feng- ming3，LI Hong- jie1， 2，WU Zuo- qi1， 2 1. Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute，Beijing 100013 China; 2. State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining ＆ Clean Utilization China Coal Research Institute ，Beijing 100013，China; 3. China Coal Research Institute，Beijing 100013，China Abstract Some phenomena that induced by hidden gob area was seriously menace for safety mining，which were about collapse， mine seismic，hazardous gas pour out，water disaster，fire disaster and so on，old mine mining data deletion was the most influence factor for gob management. Then gob area position，distribution scope and water could be explored high effectively and accurately with gob synthesize exploration technique，then shallow hidden gob area of one coal mine in Yulin city was explored by gob synthesize ex- ploration technique，favourable results were obtained，it references for similar situation. Key wordshidden gob area;synthesize exploration technique;transient electromagnetic ;shallow seismic exploration; borehole televiewer ［ 收稿日期］ 2017－05－05［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 05. 005 ［ 基金项目］ 国家自然科学基金 51674142 ; 国家科技重大专项 2016ZX05045001－004 ［ 作者简介］ 赵立钦 1993－ ，男，辽宁阜新人，煤炭科学研究总院在读研究生。 ［ 引用格式］ 赵立钦，李凤明，李宏杰，等 . 隐蔽采空区综合勘查技术研究 ［J］． 煤矿开采，2017，22 5 17－20，16. 国内许多专家学者在不同区域、不同地质采矿 条件下就隐蔽采空区物探勘查做了大量研究。覃庆 炎等利用瞬变电磁法对积水采空区反映明显的特 点，探测了采空区积水情况，取得了良好的效 果 ［1－3 ］; 牟义等利用浅层地震法抗电性干扰能力强 的特点，探测了采空区的范围及边界 ［4－5 ］; 肖敏分 析了高密度电法精度的影响因素，并提出了相应的 解决措施，使采空区勘查范围更加精确 ［6 ］; 赵光 荣利用 EH4 分辨率较高的特点，对地质构造及电 性差异不大的地层进行探测，效果显著 ［7 ］; 李江 华等依据可控源音频大地电磁法对低阻异常反应明 显的特点，对采空积水区进行圈定 ［8－10 ］。单一的物 探方法存在多解性等问题，对此，相关学者采用多 种物探手段相结合的方法探测采空区。付天光等采 用瞬变电磁和浅层地震相结合的综合物探法，对比 分析两种物探方法的探测结果，取得了良好的探测 效果 ［11－13 ］。由于物探方法受地形起伏和地表电性 干扰较大，存在一定的多解性，所以其探测结果可 靠度相对较低，但物探勘察密度大，能较好地反应 勘察区域内采空区的整体分布状况;钻探成本高、 耗时长，且不能全面地反应勘察区域的采空区分布 状况，但其探测成果可靠度较高，能够准确地反应 采空区的存在。综合钻探与物探的优缺点，本文采 用综合物探法和钻探验证相结合采空区综合勘查技 术，对榆林市某地方煤矿 2－2 煤层浅埋隐蔽采空 区进行探测。 1隐蔽采空区隐患 对于我国许多已经关闭的和正在开采的老矿 区，其大量现存的采空区已成为煤矿和人民生活安 全的重大隐患，不仅为今后采空区附近地区煤矿生 产造成潜在危险，并有可能诱发地质灾害，严重威 胁到附近地区居民的生产及生活安全。其主要灾害 类型有采空区积水、采空区积聚有毒有害气体、采 71 第 22 卷 第 5 期 总第 138 期 2017 年 10 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 5 Series No. 138 October2017 ChaoXing 空区地表塌陷、采空区对露天矿开采的影响、采空 区煤层自燃、采空区遗留煤柱对其上下方煤层开采 的影响。 因此，针对隐蔽采空区的位置、分布范围不详 以及由此带来的各种灾害性问题，有必要对隐蔽采 空区位置、分布范围以及采空区积水情况进行精细 勘查，并分析勘查出的隐蔽采空区的特点，提出切 实可行的采空区治理措施，着重解决上述各类重大 安全问题，确保人民的生命财产安全，保证矿山安 全持续稳定发展。 2采空区综合勘查技术 采用采空区综合勘查技术探测采空区，首先要 结合调查结果、探测目的以及地球物理特征，选取 适当的物探组合方法，对可能存在采空区的区域进 行大范围物探勘查，然后对物探结果辅以钻探验 证，进而查清采空区的分布范围及赋存特征。 2. 1采空区调查 收集采空区资料的目的在于全面掌握地质、采 矿现状，特别是采空区状况，总结前人的工作成 果。收集资料主要为了解地形地貌、地层岩性、地 质构造、水文气象、采空区分布等基本信息。在此 基础上，进行工程地质调查、采空区专项调查、地 表变形监测及相关的测量工作调查，能够基本查清 隐蔽采空区大致的分布位置、性质及特征，为确定 物探、钻探勘查范围以及为勘查方案的选取提供依 据。 2. 2采空区地球物理特征响应 2. 2. 1电 磁场的响应特征 电 磁法是以岩石的导电性差异为应用前 提的地球物理勘查方法。煤系地层具有层状分布的 特点，电性分布在横向上是相对均一的。当存在岩 溶洞穴、煤矿采空区、断层或裂缝带等局部异常体 时，如果异常体充水，电 磁探测资料上呈现 低视电阻率异常反应。如果局部异常体不充水，则 表现为高视电阻率异常反应。 一般情况下，煤层及其采空区或者巷道与其周 围介质相比是绝对的高阻物性反应，探查煤矿采空 区可用查找高阻异常区来间接实现; 而在煤矿采空 区充水的条件下，其物性反应则相反，即明显的低 阻异常反应，对其探测应以寻找低阻异常为目的， 上述不同条件下的电性变化为以导电性差异为应用 前提的电 磁法的应用提供了良好的地球物理 应用前提。 2. 2. 2地震场波的响应特征 一般情况下，煤层的密度较围岩小得多，因此 煤层与围岩的波阻抗差异较大，是一较好的反射界 面，具备进行地震反射波法勘查的地球物理前提。 煤层为能量较强的反射波，在采空区存在的条件 下，反射波能量明显减弱或消失，这为地震探测方 法在采空区探测中的应用提供了前提。 2. 2. 3物探组合方法选取 目前，采空区物探方法主要有高密度电阻率 法、瞬变电磁法、EH4 大地电磁法、可控源音频 大地电磁法和浅层地震法 表 1 。由于各种物探 方法的应用都有一定的前提条件和局限性，单一的 物探方法很难解决一些较为复杂的采空区勘查问 题。鉴于此，物探勘查前应在条件类似的已知采空 区进行物探方法的有效性验证，确定物探方法及其 参数，总结采空区的异常特征，并结合地形地质条 件、采矿条件、人文干扰条件及探测精度和深度等 要求，按照表 1 所示的各类物探方法的适用条件， 选取至少 2 种物探方法的综合物探方法进行勘查， 各物探方法之间可以达到物探结果相互验证、减少 单一物探方法推断的多解性、增加勘查结果可信度 和准确度的效果。 2. 2. 4物探组合类型划分 每种物探方法都有其适宜的探测深度，超过一 定的探测距离，其精度就会明显下降。为保证物探 结果的准确性和可靠性，依据探测深度，将物探组 合方式分为以下几种类型 1浅层采空区勘查对于埋深小于 200m 的 浅层采空区，适用的方法主要有浅层地震法、瞬变 电磁法、高密度电法。当上覆岩层裂隙发育较好 时，由于裂隙中充存气体，导致其视电阻率整体升 高，与采空区电性差异相对减小，宜采用瞬变电磁 法浅层地震法的物探组合方式; 由于高密度电法 对典型差异分辨较高，当上覆岩层发育较差时，宜 采用高密度电法浅层地震的物探组合方式;当重 点探测采空区积水情况时，宜采用高密度电法瞬 变电磁法的物探组合方式。 2中 深 层 采 空 区 勘 查对 于 埋 深 大 于 200m，小于 400m 的中深层采空区，适用的方法主 要有浅层地震法、可控源音频大地电磁法、EH4 大地电磁法。可控源音频大地电磁法可以定性分析 采空区上覆岩层冒落、断裂破坏及离层发育的程 度，该方法与浅层地震法结合可为采空区场地稳定 性评估提供依据;EH4 大地电磁法具有较高的分 辨率， 区分视电阻率差异能量较强， 受高阻覆岩 81 总第 138 期煤矿开采2017 年第 5 期 ChaoXing 表 1物探方法及适用条件 物探方法适用条件采空区异常特征 高密度电法 探测深度一般＜150m，主要适用于地形较为平缓的浅层采空区勘查，不易受地面导体 或高压线的干扰。对于不含水采空区的调查具有明显优势 瞬变电磁法 一般适用于采空区埋深小于 600m、基岩大面积出露等高阻屏蔽地区，易受地面导体 或高压线干扰，对于积水采空区勘查具有明显优势 EH4 大地电磁法 适用于中深采空区－深层采空区勘查，对于采深较大且地表较为复杂的采空区勘查有 明显优势，易于受地面导体或高压线的干扰 可控源音频大地电磁法 适用于中深采空区－深层采空区勘查，对于采深较大的采空区勘查有明显优势，较 EH4 大地电磁法抗干扰能力强 高阻异常区 不充水采 空 区 、 低 阻 异 常 区 充水采空区 浅层地震法 适用于地表松散层较薄、震动干扰小的区域，不受地面导体或高压线的干扰，对于房 柱式采空区勘查具有明显优势，但不能探测采空区积水情况。该方法适用于地形较为 平缓的浅层采空区勘查 三维地震法与浅层地震法适用条件相似，但该方法主要用于中深－深部采空区勘查 反射波能力弱、连续性 变差或消失 影响较小，但受地形起伏影响较大。该方法与浅层 地震相结合可探测高阻覆岩下采空区的分布范围及 其积水情况。 3深层采空区勘查由于浅层地震法的探 测深度有限，对于埋深大于 400m 的深层采空区， 适用的方法主要有可控源音频大地电磁法、三维地 震法、EH4 大地电磁法。三维地震法在采空区探 测上的作用与浅层地震法相似，主要是用来圈定采 空区范围，其与可控源音频大地电磁法、EH4 大 地电磁法的结合使用除探测深度外，其适用范围与 中深层采空区勘查基本一致。 2. 2. 5物探成果验证 钻探是一种广泛应用的采空区勘查方法，可直 观地获取地下准确的地质资料。采空区调查和物探 勘查得到的结论均需要通过钻探来验证，如根据掉 钻情况、循环液的变化、钻进过程中覆岩变化等来 确定采空区的分布及状态; 在此基础上，还可利用 钻孔电视设备直接观测采空区覆岩裂隙发育情况、 采空区分布及其积水情况等。 依据 煤矿采空区岩土工程勘察规范 ［14 ］，用 于物探成果验证和采空区特征的钻孔，应根据收集 资料的完整性和可靠性及物探成果综合确定。对于 资料丰富、可靠的采空区区域，可有针对性地布置 不少于 3 个验证孔。对于资料缺乏、可靠性差的采 空区区域，应根据物探成果，对异常地段加密布 置。 3工程实例分析 3. 1勘查区域概况 探测区域含煤地层为侏罗系中下统延安组 J1 －2y ，可采煤层为 3－2，2－2 煤层，且煤层埋深较 浅。3－2 煤层产于延安组第三段中部，上距 2－2 煤 层 50m 左右，为区内的主要可采煤层。煤层平均 厚度 1. 05m，属煤层厚度变化小且变化规律明显的 煤层; 2－ 2 煤层与 3 － 1 煤层的间距在 11. 40 ～ 16. 59m 之间。煤层埋深在 0～134. 00m 之间，平均 厚度为2. 36m，大体由北向南倾斜，平均倾角0. 5 左右。井田范围内存在大量未知 2－2 煤层采空区。 3. 2综合物探方法选取 2－2 煤层埋深在 0～134. 00m 之间，宜采用高 密度电阻率法、瞬变电磁法、浅层地震法相结合的 物探组合方法。2－2 煤层与其顶底板岩性差异明 显，是较好的波阻抗界面; 勘查区侏罗系地层粉砂 岩与煤层电性差异明显，为瞬变电磁法提供了良好 的电性基础。当存在积水采空区，表现为局部低电 阻率异常，这对于积水采空区勘查具有明显优势; 又由于高密度电法对电性差异分辨率较高，不利于 采空积水区的勘查，最终选用瞬变电磁法和浅层地 震法相结合的物探组合方法。 3. 3参数选取 3. 3. 1瞬变电磁参数选取 采用大定源回线装置，发射外框为 120m 120m; 发射频率为 25Hz;点距 20m;线距 40m。 物理点总共有 2840 个，其中检测点 95 个，检测点 占物 理 点 的 3. 34，满 足 煤 炭 电 法 勘 探 规 范 ［15 ］中不低于 3的要求。 3. 3. 2浅层地震参数选取 测线布设道距为 4m; 接收道数为 80 道; 排列 长度为 320m; 激发点距为 8m; 并且采用中间激发 的激发方式;叠加次数为 20 次; 最小炮检距为 4m; 最大炮检距为 160m;检波器采用 3 个串联， 挖坑埋置的检波器组合方式。 3. 4物探结果分析 3. 4. 1浅层地震 图 1 为 D25 线部分浅层二维地震解释示意图。 由图 1 可以看出，该部分表现为煤层反射煤层反射 波组能量突然减弱或消失，且 2－2 煤层对应同向 轴不稳定。但在右边柱号 15201595 区域内，表 91 赵立钦等 隐蔽采空区综合勘查技术研究2017 年第 5 期 ChaoXing 现为一小段煤层对应同向轴较为稳定，由于该矿整 合前采用房采式开采，保护煤柱留设尺寸较大，推 断其可能位于保护煤柱上。 图 1 DZ5 线部分浅层二维地震解释示意 3. 4. 2瞬变电磁 图 2 为 T18 线部分视电阻率断面。由图 2 可以 看出，上部呈相对高阻，下部呈相对低阻，实际煤 层相对下伏地层呈相对高阻，两者吻合良好。在 45－62 号点 图中实线圈定区域之间存在明显 高阻异常，分析为采空区的电性反映; 30－45 号点 图中虚线圈定区域之间存在相对高阻异常，分 析为采空区的电性反映。 图 2 T18 线部分视电阻率断面 3. 4. 3物探成果综合分析 由上述分析可以看出，浅层地震得出的采空异 常区域为柱号 986－1614，而且由浅层地震与瞬变 电磁测线布置的对应关系可知 图 3 ，30－62 点 号之间全部采空。但 30－45 号点之间的视电阻率 相对 45－62 号点之间的视电阻率又偏低。由此可 以推断，30－45 点号之间为积水采空区，45－62 号 点之间为干燥采空区。 经 2 种物探方法综合分析，基本查明了勘探区 内 2－2 号煤采空区分布范围。综合解释异常区 3 处，其中 1 处为推断采空区，1 处为疑似采空区， 1 处为积水异常区。异常区分布如图 3 所示。 3. 5物探成果验证 3. 5. 1钻探验证 在物探推断解释的采空区上总共布置 5 个物探 验证孔，钻孔布设如图 3 所示，ZK5 剖面空间位置 如图 2 所示。ZK1，ZK2，ZK5 揭露 2－2 号煤层采 空区; ZK3，ZK4 打到 2－2 煤层。 3. 5. 2钻孔电视观测 ZK1 在进尺 138. 36m 时出现了掉钻和明显的 吸风现象，疑似有采空区存在，为了更准确地判断 采空区，对 ZK1 进行钻孔电视观测。钻孔从孔口 开始观测，至 140m 结束。由图 4 可以看出，采空 图 3综合勘查解释成果平面 区顶板出现在距离孔口的 138. 36m 处，证实了采 空区的存在。 图 4 ZK1 钻孔电视成像 4结论 1由于二维地震法分辨率较高，在控制采 空区分布范围上效果较好，所以利用浅层地震可确 定采空区的位置及分布范围边界; 但浅层地震法无 法探测勘查区域的电性异常，经过对比分析瞬变电 磁与二维地震测线重复区域，可确定出采空积水区 范围。 2本次勘查共发现异常区 3 处，其中 1 处 为推断采空区，1 处为疑似采空区，1 处为积水异 常区。ZK1，ZK2，ZK5 均揭露 2 － 2 煤采空区。 ZK3，ZK4 打到 2－2 煤层，根据钻孔揭露情况，该 矿 2－2 煤部分采空。 3采空区综合勘查技术避免了单一物探方 法的多解性问题，各物探方法可以相互验证，可使 勘查结果更加精确、详实，能够细化采空区内部异 下转 16 页 02 第 22 卷 第 5 期 总第 138 期 2017 年 10 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 5 Series No. 138 October2017 ChaoXing