老窑采空区的探测技术与实例研究.pdf

第3 3卷第 3期 2 0 0 8年 3月 煤 炭 学 报 J OUR NAL OF C HI NA C OAL S O CI E T Y Vo 1 ． 33 No． 3 Ma r ． 2 00 8 文章编号 0 2 5 39 9 9 3 2 0 0 8 0 3 0 2 5 1 0 5 老窑采 空 区的探测技术与 实例研 究 程建 远 ， 孙 洪星 ， 赵 庆彪 ， 苏 德国 1 ．煤炭科学研究总院 西 安研究 院 ，陕两 西安7 1 0 0 5 4；2 ．煤炭科学研究总院 开采 设计研究 分院 ，北京 1 0 0 0 1 3 ；3 ．河北金 牛能源股份 有 限公 司 东庞煤矿 ，河北 邢 台5 4 0 0 0 0 ；4 ．山东泰丰矿业集 团 王家寨煤矿 ，山东 新泰2 7 1 2 0 4 摘要针对老窑不 同的采煤方法 如壁式开采、房式开采 、不同的采空区类型 -b , ． I - 作 面采 空区、巷道采空区等 以及采空区 内充填物质的差异等 多种 复杂情 况，讨论 了老窑采 空区的地 震波场和电磁 波场响应 ，结合一些典型工程 实例 ，总结 了老窑采空 区与老窑巷道在二维、三维地 震资料上的判识标志以及视 电阻率断面上的显示特征 ，提 出了小煤窑采空区快速检测的最佳技术 组合 ，即综合利 用遥感地质影像分析、地面地质调查、地面地震与电法勘探以及钻探验证等多种 手段相互配合，能够实现采空区的多方法、多参数综合探测 ，减 少多解性 ，提 高综合探测精度． 关键词 老窑；采空区；探测 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 2 2 文献标识码 A The de t e c t i o n t e c hn o l o g y o f e x c a v a t e d r e g i o n i n c o a l mi ne a n d c a s e s t ud y C HE N G J i a n y u a n ， S U N Ho n g x i n g ， Z H A O Q i n g b i a o ， S U D e g u o 1 ． xi ’ a n B r a n c h，Ch i n a C o a l Re s e a r e h I n s t i t u t e，Xi ’ a n 7 l 0 0 5 4， i n a；2． Co a Mi n i n g a n d De s z Br a n c h，C h i n a Coa l Re s e a r c h I n s t i t u t e 1 0 0 0 1 3，Ch i n a；3 ， Do n g p a n g Co a l Mi n e，He b e i J inn i u En e r g y Co r p ．L t d ．，Xi n g t a i 5 4 0 0 0 0，C h i n a；4． Wa n g fi a z h a i Co a l Mi n e ，S h a n d o n g T a ， Mi n i n g Cor p ．L t d ． ，X i n t a i 2 7 1 2 0 4 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c f e a t u r e o f d i f f e r e n t m i n i n g m e t h o d s 1 o n g w a l l a n d r o o m p i l l a r mi n i n g ， d i f - f e r e n t v o i d w o r k i n g f a c e v o i d a n d r o a d w a y v o i d a n d o t h e r s ， d i f f e r e n t fi l l i n g ma t e r i a l s i n v o i d a r e a a n d o t h e r c o rn p l i c a t e d s i t ua t i o ns ，t h e 2D a nd 3 D s e i s mi c a n d e l e c t r o ma g n e t i c r e s p o n s e i n mi n e d o u t a r e a a n d a ba n d o n e d g a l l e r y we r e s t u d i e d，wh i c h we r e s u p p o r t e d b y s o me t y pi c a l e n g i n e e r i n g e x a mpl e s ．The r e s u l t s h o ws t ha t t h e i n t e g r a t e d me t h o d s o f r e mo t e s e n s i n g，s e i s mi c e x p l o r a t i o n，e l e c t r o ma g n e t i c d e t e c t i n g a n d d r i l l i n g i s t h e b e s t t e c h no l o g y c o mbi na t i o n，wh i c h h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c o f mu l t i me t h o d s ，mu l t i p a r a me t e r s t o r e d uc e t h e u n c e r t a i n t y o f i n t e r p r e t a t i o n a n d a c h i e v e a h i g h p r e c i s i o n ． Ke y wo r ds o l d a nd s ma l l c o a l mi n e；e x c a v a t e d r e g i o n i n c o a l mi n e；d e t e c t i o n 近几年 ，老窑采空区出水成为矿井突水的显著特点之一．由于历史原 因，在我国不少大型煤炭生产基 地周边都存在着老窑破坏 ，这些老窑大多数都没有采掘图纸 、乱采乱掘 ，给国有煤矿的安全生产 、大型工 程场地的选址等带来安全和质量隐患 ，迫切需要采用先进 的技术手段予以查 明． 为此 ，总结 了老窑采空区探测的技术现状 ，讨论 了老窑的采煤方式与采空区的地球物理特征 ，结合一 些典型工程实例 ，总结 了老窑采空区、老窑巷道的判识标志 ，并给 出了今后老窑采空区探测的最佳技术组 合的建议． 收稿 日期 2 0 0 7 0 4 2 5 责任编辑 毕永华 基金项 目国家重点基础研究计划 9 7 3 资助项 目 2 0 0 6 C B 2 0 2 2 0 8 作者简 介 程 建远 1 9 6 6 ～ ，男 ，陕西乾县人 ，研究员 ，博士生导师 ．T e l 0 2 98 7 8 5 4 9 9 4 ，Ema i l c j y 6 6 0 8 1 6 3 ， c o rn 维普资讯 2 5 2 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年 第3 3 卷 1 老窑采空 区探测的技术现状 根据国内外相关文献的调研整理 ，目前用于老窑采空 区探测的方法主要分为 3类 ① 老窑采空区的 地质调查 ，它主要通过了解老窑开采图纸资料 、进行地 面裂缝调查等方式 ，获得采空区的初步概略资料 ， 优点是成本很低 ，不足之处是精度不高；② 地球物理探测手段 ，其方法门类很多 ，近于无损探测．优点 是精度高、速度快 、成本低 ，不足之处是存在多解性 ；③ 钻探检测 ，通过地 面钻探直接进行采空区的探 测 ，其优点是精度高、直观性强 ，缺点是速度慢 、费用高，难 以确定采空区的边界范围． 在上述众多的老窑采空区调查方法 中，以地球物理探测技术应用最为广泛．从文献调研来看 ，用于采 空区调查的地球物理方法很多 ，主要包括地震类方法 如浅层地震曲 J 、瑞雷波 I 8 J 、地震映像法 、 电法类方法 如地质雷达、高密度电法、T E M、电法 c T _ 1 ” 、放射性勘探以及综合物探方法 如地震 与电法综合等 ，这些方法均在一些地 区取得了较好 的效果． 但是，针对不 同的采煤方法 如壁式开采 、房式开采 、不同的采空区类型 工作面采空区 、巷道采 空区等 、不 同的开采年限以及采空区内充填物质差异等多种复杂情况 ，如何筛选最佳的物探方法手段 ， 以实现 陕速 、精细 、综合探测的 目的，目前 尚缺少相关研究和报道． 2 老窑采空 区的地球物理特征 2 ． 1 老窑的主要采煤方式 一 般的采煤方法分为壁式和柱式 2种．壁式采煤 的特点是采煤工作面长 ，主要依靠支护控制顶板 ，采 掘工艺分离 ，回采率高、生产成本相对较大等 ，这是大型矿山主要采用的采煤方法 ；柱式采煤的特点是采 煤工作面短 ，主要依靠保留部分矿柱维护顶板 ，采煤与掘进 “ 合二为一”，没有完整的通风系统与支护设 施 ，安全隐患大 、采出率低 、生产成本低等 ，也称为 “ 柱式采煤” ，这是一般小煤窑的采煤方式． 老窑在房式和房柱式采煤时 ，多数采空区在重力和地层应力作用下 ，顶板塌陷、垮落，形成垮落带 、 断裂带和弯曲下沉带 ；对于老窑巷道穿采方式 ，由于开采面积较小 、残留煤柱较多 ，应力转移到煤柱上 ， 地层没有引起大的变动 ，采空区以充水或不充水的空洞形式保存下来． 2 ． 2老窑 采空 区的地球 物 理特征 从理论上讲 ，房式和房柱式采煤的采空 面积相对较大 ，必然会引起地球物理场 电磁场 、速度场等 的显著变化 ，容易利用地球物理的手段加以查明；而对于小煤窑巷道穿采的采煤方式 ，由于采煤巷道断面 较窄、残 留煤柱较多 ，加上小煤窑一般只采煤层厚度的一部分，还留有相当一部分残余煤层等 ，其探测难 度大、精度低 ，要实现快速 、精细 、综合探测 ，还存在不少有待于攻关 的难题． 通过综合研究以往 已知采空 区的地质特征和地球物理特征 ，建立各类采空 区的地质 一地球物理判识标 志系列，可以为老窑采空区的精细、快速、综合勘探提供依据． 2 ． 2 ． 1 地震波场的响应特征 一 般情况下 ，煤层与其围岩存在着 明显 的波阻抗差异 ，当煤层厚度大于 1 m时，便可形成 良好的煤层 反射波．但是，当煤层采空及其顶板遭受破坏后，在地震时间剖面上表现反射波组的中断或消失，同时煤 层顶部结构的不规则破坏，也将产生各种低频干扰，这些可作为识别采空区是否存在的标志． 未采空区域煤层的反射波 ，波形特征明显 ，能量突出，信噪 比高 ，同相轴连续性好 ，可以作为标准反 射波在全区进行追踪 ；局部采空 区在未采空范围内，煤层反射波能够连续追踪 ，而在采空区边缘煤层反射 波波形发生畸变 ，直至进入采空 区后煤层反射波彻底消失 ；对于大面积的采空 区，煤层 的标准反射波已经 消失 ，出现杂乱反射信号 ，仅能够从地震时问剖面上隐约发现个别残 留煤柱和巷道反射 的痕迹． 上述采空区的地震判识标志 ，同时适于二维和三维地震资料解释．由于采空区探测的复杂性 ，二维地 震解释效果难以保证地震效果最佳． 2 ． 2 ． 2 电磁场的响应特征 维普资讯 第 3期 程建远等 老窑采空区的探测技术 实例研究 2 5 3 煤层顶板以砂岩 为 主 ，电阻 率 较低 ，一般 为 1 0～5 0 Q m，而 煤层 电阻率 较 高，一般 为 1 0 0～ 5 0 0 Q m．在地层没有被破坏的情况下 ，地层 电阻率 由低到高规律性 变化．充水的采空区具有低 阻、高 极化率的电性特征 ，这种情况下采空区的判识标志比较明显 ；当采空区不充水时 ，由于空腔的存在而则出 现高阻特征． 3 老窑采空 区探测 的实例 研究 3 ． 1 老窑采空区的探测实例 图 1给 出了陕西某 地 利用三维地震进行采空 区 探测的应用 实例 ，其 中图 1 a 是一条 同时穿过未采 区与采空区的典型地震时 间剖面 ，图 1 b 是 利 用 该区三维地震数据体提取 的 “ 沿煤层综 合地震属性 分析 图” ，该 图是 对 多种 地震属 性 经过 图像 光 滑 、 反差增强 、边缘增强和边 缘拾取等特 殊处理之后得 b 1 采 的三维地震解释 Fi g ． 1 The 3D s e i s mi c d a t a e x p] a na t i o n f o r n o r ma l c o a l a n d e x c a va t e d c o a l a 未采 区与采空 区在地震 时间剖 面的反 映特征 ； b 未采 区与采窄 区 在沿煤层属性切 片上 的反映特征 到的，它能够直观地从平面上得到地下采空区的总体分布格局和反映特征．图 1 b 中的浅色部分为煤层 正常区域 ，深色部分为煤层采空区；而在时间剖面上采空区表现为 同相轴的变弱甚至缺失 图 1 a ． 可以看出利用三维地震沿层切片圈定采空区 ，其空间分辨率很高 ，且易于解释 ，这是 因为地下采掘 活动在平面上具有一定 的规律性 ，而三维地震沿煤层切片能够较好的刻画出这一特点． 3 ． 2老窑巷道的探测实例 相对于采空区范围的地震圈定而言，地下孤立的采掘巷道检测难度极大 ，这是 由于小煤窑的巷道断面 较小 、地震横 向分辨率不足引起 的．时间剖面上 的直接异常幅度并不明显 ，特别是在该区周边存在采空区 影响 、井下巷道又错综复杂 的情况下更是如此 ，因此只有高信噪比、高分辨率和高保真度的地震资料 ，才 具有解释地下采空巷道的条件． 图 2是断面 2 ． 5 ll l 2 ． 5 I ll左右 、地下埋深分别为 6 0 ，3 0 0和 5 0 0 Ill的巷道 ，相应在地面二维 、三维 地震剖面和三维地震水平切片上的反映．根据以往地震勘探资料的解释经验，认为三维地震的水平切片是 解释巷道的有效技术途径． a b C 图 2 地下 巷道在二维 、三维地震剖 面和j维地震水平切 片上 的反映 F i g ． 2 T h e d i f f e r e n t e x h i b i t i o n o f c o a l l a n e wa y u n d e r g r o u n d i n 2D，3 D s e i s mi c p r o fi l e a n d 3 D s e i s mi c a t t r i b u t e “ l a y e r s l i c e ’ ’ a 断面 2 ． 5 m x 2 ． 5 m_序右、地下埋 深 6 0 m的巷道 ，地面二维地震削 面[ ； b 断 面 2 ． 5 m2 ． 5 m 右 、地 下埋深 3 0 0 m的巷道 ，地面三维地震剖面 [ 。 ] ； c 断面 2 ． 5 m2 ． 5 m左右 、地下埋深 5 0 0 m的巷道 ，三维地震时 间切片 ] 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 8 年第3 3 卷 图3为某地实测的高分辨 电测深法视 电阻率断面，图左中部出现的一个低阻闭合圈是一条已知充水 的 巷道，图中解释了6 个低阻异常圈闭，除了最右侧的异常为断层导水的反映外，其余几个异常定性解释为 局部老窑采空和塌陷区积水区，其宽度很不规则．经过后期地面钻孔验证 ，上述解释推断是正确的． 一 l O 一 2O 一 3 0 4 0 5 O 一 6 O 图3 某采空区实测的视电阻率断面 单位m F i g ． 3 T h e s e c t i o n o f e l e c t r i c a p p a r e n t r e s i s t i v i t y i n o n e e x c a v a t e d c o a l mi n e u n i t m 必须说明的是 利用三维地震资料实现巷道检测 ，地震资料必须具有 高空间采样率 、高叠加次数 、 高信噪比、高分辨率和高保真度的特点，为了避免地震解释的多解性，还应该开展电磁法勘探以及钻探工 作 ，进行综合地质解释． 4 老窑采空区探测的优选技术 4 ． 1 遥 感地 质调查 在老窑采空区调查中，利用遥感影像和数字高程模型，结合野外地质考察，可以迅速确定需要重点研 究的地段和范围，为下一步工作提供指导． 遥感影像不仅从宏观上能够展现采空区及其它地面变形破坏的影像全貌 ，而且能直观地揭示其平面展 布的影像信息 ，为分析地面变形状态与采矿活动的关系提供丰富的信息．采空区地面遥感地质调查 的优势 在于遥感影像本身具有多类别 、多层次 、多光谱 、多时相及高分辨率等特点 ，可以利用不同时期 的航片 、 卫片 ，经过现代图像处理与分析 ，演绎不同时期煤矿采矿活动的范围和密度 ，遥感 图像对于采矿活动范围 大 、深度浅 、期次多 、周期长 ，在地面已经引起一定 的变形破坏地段 ，反映较为清晰可靠 ，且成本较低 ， 其不足之处是对于采矿活动时间短、深度大 、范围小 的情况 ，不能得到准确判定． 4 ． 2三维地震勘探 三维地震勘探成果包含了丰富的地质信息，可以用来精确地圈定勘探区内的煤层采空区范围．利用常 规三维地震资料解释老窑采空区 ，是在进行了反射波对 比的基础上 ，从 已知资料出发 ，首先选择一些主干 剖面进行解释， 再逐步加密，提高解释精度；在每条剖面上，根据反射波同相轴的突变、消失、扭曲等各 种异常现象认真分析解释 ，按照由粗到细 大网格到小网格 、由纵向到横向、由剖面到切片、由剖面到 平面 、由平面到空间的步骤反复进行解释 ，才能获得较为满意的效果． 以往工程经验表明无论对于大面积采空区还是地下巷道的探测 ，三维地震勘探技术是首选手段 ，三 维地震的沿煤层属性切片是检测采空区的最佳途径． 4 ． 3电磁法勘探 为了减少地震解释的多解性 ，应该采用地震与电法联合勘探的手段圈定采空 区．如前所述 ，当煤层被 采空以后 ，造成采空区相应地层 的电性与围岩 电性不同．充水的采空区具有低阻高极化率 的电性特征 ；由 于垮落、断裂及离层现象的存在 ，围岩具有电阻率高 、低极化率的特征 ，形变越大 ，电阻率越高 ，据此可 确定充水采空区的边界． 4 ． 4 地面钻探验证 在以上工作的基础上 ，采用地面钻探手段 ，一方面可 以对物探成果进行直接验证 ；另一方面可以进一 步指导物探资料 的综合地质解释 ，提高解释精度． 维普资讯 第 3期 程建远等老窑采空区的探测技术 与实例研究 2 5 5 5 结 语 采空区已成为矿 山生产和工程建设过程 中迫切需要解决的难题之一．以遥感地质影像分析 、地面地质 调查 、地面地震与电法 ，辅以钻探验证等多种手段 、多种方法相互配合 ，能够实现采空区的多方法 、多参 数综合探测，减少多解性，提高综合探测精度，是小煤窑采空区快速检测的最佳技术组合． 这几种方法手段 的配合使用 ，从物性条件上 ，具有互 补性 ；从时 间、空 问上 ，可 以逐步实现 由粗到 细 、由定性到定量的探测效果 ，节省不必要 的工作量 ；从地质效果上 ，不 同物探方法相互验证 、去伪存 真 ，减少 了单一物探方法解释的多解性 ，实现采空区的快速 、精细探测 ，其应用前景非常广阔． 参考文献 [ 1 ] 韩少明，魏书宏．老窑采卒区在地震勘探时间削 』 - 的解释 [ J ] 、山西科技，2 0 0 3 2 5 4～ 5 5 、 [ 2 ] 程建远，张广忠，李林元 ，等．老窑采 区地震探测新技术及其应用前景 [ J ] ．中国煤 田地质 ，2 0 0 3 ，1 5 5 5 0 ～ 5 3． [ 3 ] 杨双安，宁书年．老窑采空区的地震探测与研究 [ J ] 、中 煤田地质 ，2 0 0 4 ，1 6 1 4 4～ 4 7 ． [ 4 ] 刘革 ，刘迪新．地震勘探方法在采窄 上的应用 [ J ] ．煤炭技术 ，2 0 0 2 ，2 1 9 6 l～ 6 2 、 [ 5 ] 黄克杰 ，黄克强，任玫琴，等．浅层地震反射法在煤田调查采空塌陷区巾的应用 [ J ] ．西部探矿 _ r 程 ，2 0 0 6 增 刊 5 3 9 5 4 0 、 [ 6 ] 王俊如 ，张龙起．浅层地震勘探在采空区勘测中的应用 [ J ] ．物探与化探 ，2 0 0 2 ，2 0 1 7 5～ 7 8 ． [ 7 ] 柏鹏，车殿国，张文玉．多波地震勘探技术在判定公路采空区 I 的应用 [ J ] ．黑龙江交通科技 ，2 0 0 1 6 3 3～ 3 8 王万顺 ，张波，耿 玲，等．高分辨率地震与大能最瑞雷波在采空区探测巾的应用 [ J ] ．巾国煤 田地质 ，2 0 0 4 ， 1 6 64 4～4 6 ． 于平 ，李爱民，武志敏，等．人 地震影像法在煤矿采窄区的应用 [ J ] ．东北地震研究，2 0 0 4，2 0 1 6 4～ 6 8． 张华 ，潘冬明．探地雷达在探测煤矿采空区的应用 【 J ] ．能源技术与管理 ，2 0 0 6 4 6～ 8 ． 袁树森 ，张志军．高密度电阻率法在地下煤矿采窄区探测中的应用 [ J ] ．矿产与地质，2 0 0 6 ，2 0 3 2 7 3～ 2 7 8 ． 李清林 ，谢汝⋯，1 二 玉普．应用电 C T成像探测煤矿采宅区及其稳定性计算 [ J ] ．工程地球物理学报，2 0 0 6 ，3 29 7～1 0 2 ． 祁民，张宝林 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