综合物探在探测煤矿采空区中的应用.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 综合物探在探测煤矿采空区中的应用综合物探在探测煤矿采空区中的应用 马志飞，王祖平，刘鸿福 太原理工大学矿业工程学院，太原（030024） E-mail pony1984621 摘摘 要要 采煤活动造成的地下采空区会引发地表沉陷等严重的地质灾害， 影响人们正常的生 产和生活活动。根据煤矿采空区表现出来的地球物理特征，能够利用高密度电阻率法、瞬变 电磁法、 地震勘探、 测氡法等物探方法探测其位置和范围。 选择两种或两种以上的方法组合， 可以实现优势互补，提高物探的解释精度。 关键词关键词综合物探；煤矿；采空区 中图分类号中图分类号TD15 1. 引言引言 煤炭资源是我国主要能源之一， 大规模的开发和利用在带来巨大的经济效益和社会效益 的同时， 也给矿山周围生态环境带来了严重的破坏。 煤矿地下开采是引起地质灾害的主要原 因之一。 由于采空区改变与破坏了地球表面和岩石圈的自然平衡， 就会产生采空区塌陷等地 质灾害。塌陷区不仅会导致地下水枯竭，耕地破坏，生态环境恶化，还会使当地房屋受损， 道路地裂变形，高速公路、铁路、机场等重大工程以及城市建筑因处理采空区塌陷而增加建 设难度和费用，严重影响区域内经济可持续发展和社会稳定。因此，探明煤矿开采造成的采 空区的位置及其范围，对及时采取措施进行治理、消除安全隐患具有重要意义。 2. 煤矿采空区的地球物理特征煤矿采空区的地球物理特征 当煤层未被采动时,地层一般呈现成层性和完整性,在小区域内同一地层的电性差异不会 太大。通常情况下，视电阻率值以采空区空洞为最高，其次是石灰岩、煤层，泥岩及充水 岩溶裂隙岩层为最低。煤层被采空后，在煤层上下岩层间形成一定的空袭，破坏了岩石的完 整性、连续性，故该处电阻率值明显高于周边完整岩石处的电阻率，表现出明显的局部高阻 特性。当采空区的空隙被水充填，其电阻率呈低阻反映，没有被水充填的采空区和巷道为特 高阻，灰岩层为高阻，煤层呈中到相对高阻。灰岩层和未开采煤层横向较均匀且分布范围一 般很大，充水的巷道呈低阻但范围很小 ［1］。这些特性成为电法探测地下采空区良好的地球 物理前提。 未被采动的煤层与其顶底板岩性上的差异是一个较为稳定的波阻抗界面,具有良好的弹 性波反射条件，以人工激发的弹性波在地壳中传播,当遇到弹性分界面时,其路径、振动强度 和波形将随所通过介质的弹性性质和几何形态的不同而变化； 在采空区域， 波的旅行时间和 速度会受到很大影响,同相轴发生畸变异常,煤层反射波的这种中断、扭曲、振幅和频率特征 等变化为开展二维、三维地震勘探提供了工作前提。 在煤矿采空区上方覆盖层中还可测到氡气的高值异常，这是由于采空区中断隙发育,有 利于氡的聚集，而在塌陷区,由于地表覆盖层下塌与下覆地层的相连,形成较发育的裂隙,所以 氡向地表的迁移通畅,但此时氡气保存条件差,所以形成氡异常不高；而在残留煤柱处,由于煤 层的孔隙及裂隙不发育,上覆地层的应力破坏较小,地层裂隙不发育,不利氡的运移,因此在地 表覆盖层中形成低氡浓度 ［2］。一般规律是采空影响区的氡气异常值相对比采空区的氡气 异常值要小，比非影响区的氡气异常值要大。氡值的差异反应了地下地质环境的变化，指示 了煤矿采空塌陷等地质灾害的区域、范围和强度。因此，可以通过地面氡气测量确定煤矿地 - 2 - 下采空区以及采空影响区的位置与范围。 正是由于地下介质层间存在着电性、放射性、弹性等物性差异，给地球物理勘探方法的 研究和实施提供了理论基础，由此而发展的高密度电阻率法、瞬变电磁法、二维及三维地震 勘探、 测氡法等多种物探方法不仅在矿产资源勘探中应用广泛， 而且在煤矿采空区等地质灾 害勘查领域发挥着越来越重要的作用。 3. 探测采空区的物探方法及其特点探测采空区的物探方法及其特点 3.1 高密度电法高密度电法 高密度电阻率法的理论基础是静电场理论, 利用不同物质成份所具有的电阻率差异为 物理前提。 它是将数十根电极一次性以基本极距布设完毕， 通过程控式多路电极转换器选择 不同的电极组合方式和不同的极距间隔，完成野外数据的快速采集。和常规电阻率法一样， 它通过 A、B 电级向地下供电流 I，在 M、N 极间测量电位差△U，从而求得该记录点的视 电阻率值 PSK△U/I。采用计算机数据处理、解释及成图，从而推演出地质体的大小、形状、 分布和特征。其成果是以视参数剖面图、断面等值线图等形式给出，对部分装置采集的数据 还可以进行二维反演，得到二维层析成像模型。 特点工作效率高、精度高、探测深度适中，对采空区中积水的探测有良好的效果。高 密度电阻率法不仅能给出地面位置与范围，还能进行定量解释（对深度的计算）, 但是这种 方法的野外施工和室内反演都受地形的影响。 3.2 瞬变电磁法瞬变电磁法 瞬变电磁法（简称 TEM）通过在不接地回线中或接地电极间供以方波电流，向地下间 歇性地发送一次电磁场， 在一次脉冲磁场的间歇期间， 利用另一回线或探头接收由地下地质 体受激励引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场（按指数规律衰减），二次场的大小与 地下地质体的电性有关低阻地质体感应二次场衰减速度较慢，二次场电压较大；高阻地质 体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地 下地质体的电性、性质、规模和产状等，从而可以解决采空区等地质问题。 特点瞬变电磁法基本不受地形的影响，能克服高阻屏蔽层的影响，具有对低阻含水体 特别灵敏，受体积效应影响小，纵横向分辨率高，且施工方便、快捷、效率高，对水的探测 有一定的效果。但是，探测地下采空区时只能给出地面位置与范围，不能进行定量解释（对 深度的计算）。而且，当遇到周边或地表由大的金属结构和高压输电线时，会对测量数据产 生干扰。 3.3 地震探测地震探测 在地面上接收地下上下两层介质波阻抗 （岩石密度与纵波的速度乘积） 不同的界面反射 地震波， 来得到地下信息的一种物探方法。 当地下存在采空区时， 这一波阻抗界面明显存在， 可根据地面上不同时间接收到的反射波来判断地下采空区的位置与范围。但是，地形复杂， - 3 - 波速快这一微小的时间差是不能很好地解释采空区的； 此外采空区上方岩石破碎， 地震波要 发生散射，使得有效波不能很好地得到，进而影响到探测的准确性。 特点实际工作中工作点不能太多，而且经费很高。对水的探测基本无效。 3.4 氡气测量方法氡气测量方法 煤矿采空区形成后，改变了地下地质体的应力分布状态，促使地质体发生变形，从而改 变了地下气体的运移与集聚环境，对氡气的运移与富集具有一定的控制作用，主要表现为储 气作用、集气作用和通道作用三个方面，因此，氡射气元素向采空区运移，在采空区集聚， 在地表形成一个与采空区形态相应的氡异常区[3]。 因此， 可以通过测量地表氡元素的浓度来准 确圈定煤矿采空区的位置和范围。现在常用的具体方法有活性碳测氡法、α 杯法等。 特点与其它方法相比，地面测氡在地面实施不受地形、地电、电磁场、被探测对象埋 藏深度等条件制约，且野外施工方便、操作简便、快捷、成本低、工作效率高。只能给出地 面位置与范围，不能进行定量解释（对深度的计算）。 4. 应用实例应用实例 4.1 探测区地质概况探测区地质概况 探测井田位于河东煤田中段离石矿区的北部。井田为黄土丘陵区，大部分被中、上更新 统黄土和上新统红土所覆盖， 只在沟谷中出露有少量基岩。 井田内含煤地层由石炭系上统太 原组和二叠系下统山西组构成。井田内除西部边界断层外，断裂不发育，主要为纵贯南北的 宽缓的向斜。未发现岩浆活动及陷落柱。在矿井生产过程中，发现有落差小于 5m 的断层。 总的说来，构造属简单类。井田内主要含煤地层为山西组和太原组。主要可采煤层为 4 号煤 层，埋深约 170m 左右。 4.2 物探工作及其解释物探工作及其解释 为查明地下 4 号煤采空区，选择使用瞬变电磁法和测氡法两种方法结合，以保证物探解 释结果的准确性。本次探测电法工作使用的是吉林大学研制、重庆地质仪器厂生产的 ATEM II 型瞬变电磁仪，采用重叠回线装置，线框为边长为 50m。测氡工作采用的是 α 杯测氡法, 即测量所衰变的子体镭放射出的射线强度。选用的仪器为大电离室式智能化 α 杯测氡仪 CD1α 杯测氡仪。下面选取 10 测线和 14 测线做简要解释。 10 测线，瞬变电磁与氡气测量的测线重合，受地形限制，瞬变电磁实际测量长度 70m， 点距 10m，共 7 个测点，测氡实际测量长度 110 m，点距 10 m，共 11 个测点。图 1 为 10 线瞬变电磁多测道电压剖面图。以测点为横坐标（算术坐标） ，Vt/I 值为纵坐标对数坐标, 将每个测点的 22 个 Vt/I 值,按 1～22 道的次序,相应展布在图上,然后将相同的 Vt/I 值相连 成线,即为多测道电压剖面曲线图。由于瞬变电磁二次场随时间的衰减具有在高阻层衰减快、 低阻层衰减慢的特征， 故在高阻层采集到的二次场电压值小， 在低阻层采集到的二次场电压 - 4 - 值大。反映在剖面曲线图上，低值响应部分为高阻层，高值响应部分为低阻层。从图上可以 看出， 中晚期测道的曲线在 1～4 号点均为低电压； 图 2 为 10 线瞬变电磁视电阻率拟断面图， 在深部 170m 附近出现视电阻率高值异常，推断为地下采空区所至；图 3，曲线在 1～4 号点 出现氡值记数的高值异常，峰值达到 72 个读数。综合分析 1～4 号点范围为采空区，4 号点 为采空区边界。 14 测线，瞬变电磁与氡气测量的测线重合，测量长度都是 110 m，点距 10 m，共 11 个 测点。由图 4 可以看出，中晚期测道的曲线在 1～5 号点均为低电压；图 5 中在深部 170m 附近出现视电阻率高值异常，推断为地下采空区所至；图 6，曲线在 1～5 号点出现氡值记 数的高值异常，峰值达到 47 个读数。综合分析 1～5 号点范围为采空区，5 号点为采空区边 界。 0.002.004.006.008.00 1.00 10.00 100.00 1000.00 10000.00 图 1 10 线瞬变电磁多测道电压剖面图 - 5 - 10203040506070 -200 -150 -100 -50 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 Hm 欧姆.米 图 2 10 线瞬变电磁视电阻率拟断面图 0 10 20 30 40 50 60 70 80 1234567891011 点号 Rn/3min 图 3 10 线 3min 测氡剖面图 - 6 - 0.004.008.0012.00 1.00 10.00 100.00 1000.00 10000.00 图 4 14 线瞬变电磁多测道电压剖面图 102030405060708090100110 -260 -240 -220 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 Hm 欧姆.米 图 5 14 线瞬变电磁视电阻率拟断面图 - 7 - 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1234567891011 点号 Rn/3min 图 6 14 线 3min 测氡剖面图 5. 结论结论 物探方法具有多解性，在反演和解释过程中，常常会遇到多种解释结果，在这种情况下 就需要和钻探方法结合，获取钻探的验证资料，或者选取两种不同原理的物探方法，互相弥 补各自的不足，达到优势互补,从而有效避免单种物探方法的多解性和不确定性,获得较为理 想的解释，提高物探的解释精度。高密度电阻率法和瞬变电磁法同属于电法，都是依据地下 介质层的典型特征为物理前提的， 因此在探测煤矿采空区时， 这两种方法的综合使用只能算 是一种方法， 不利于假异常的剔除， 在使用综合物探方法时应根据野外实际的地形地质情况 选择合适的组合方案。瞬变电磁法和测氡法、高密度电阻率法和测氡法组合都是很有利的。 而且，在地形条件特别复杂，无法对瞬变电磁或者高密度电阻率法进行施工时，测氡可以很 好地工作，依据同一工程项目临近测线的资料对比，也能取得很好的解释效果。 致谢致谢 在论文的创作过程中，得到了叶章、杨建军、刘敦旺、余传涛、丁勇、刘达龙、林金波 等大力支持和帮助，在此对他们一并表示感谢 参考文献参考文献 [1] 张进国,徐新学.高密度电法在地下煤矿采空区探测中的应用[J].西部探矿工程,2004,9965～66. [2] 唐岱茂,刘鸿福,段鸿杰等.氡气测量用于地表探测岩溶陷落柱的位置与范围[J].核技术,1999,2204223～ 227. [3] 杨华,刘鸿福.测氡在煤矿采空区的应用[J].山西煤炭,2003,230238～40. - 8 - Application of Integrated Geophysical in Prospecting Gob Area of Coal Mines Ma Zhifei, Wang Zuping, Liu Hongfu College of Mining Technology of TYUT，Taiyuan （030024） Abstract The underground gob area created by coal mining may cause serious geological disasters such as surface subsidence, interfering people s normal activities of working and living. A lot of geophysical exploration s such as high density resistivity ,transient electromagnetic ,seismic exploration and radon measurement can be used to prospect the location and the influence scope of gob,based on the geophysical characteristics of the gob area of coal mines. Choosing two or more kinds of these s and integrate, then can make up each other and improve the interpretation accurat of geophysical exploration. Keywords integrated geophysical; coal mine; gob area 作者简介马志飞（1984－），男，河南郸城人，太原理工大学地球探测与信息技术硕士生。