羅 霄，許智海，李正勝，李 文，姜 鵬

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013； 3.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000；4.中國礦業(yè)大學(北京)，北京 100083)

我國早期的部分礦井，由于技術裝備水平低、生產工藝落后以及缺乏科學管理和長遠規(guī)劃等原因，再加上周邊一些小煤窯的私挖濫采，導致在礦井開采過程中留下了許多規(guī)模不等、情況不明、形態(tài)不規(guī)則的老采空區(qū)。老采空區(qū)所誘發(fā)的坍塌、礦震、有毒有害氣體的涌出、水害、火災等災害對礦井資源的整合、技術升級以及周邊一些大型工程的施工造成嚴重的危害[1]，嚴重制約著礦山企業(yè)的安全生產和地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。探明采空區(qū)的規(guī)模以及影響范圍，是分析采空區(qū)對環(huán)境、礦井安全生產、地面建(構)筑物、重要設施的影響和破壞的前提，為預防和控制采空區(qū)引發(fā)的災害提供科學參考。

地球物理勘探技術由于其快捷性和經濟性等優(yōu)點在煤層采空區(qū)探測中得到了廣泛的使用。井下物探的工作原理是依采空區(qū)內介質與煤、巖層的物性差異來探測識別煤層采空區(qū)的，但是由于地層結構的復雜性和單一物探方法本身存在的缺陷，有時同一種地層介質會有較大范圍的物性參數區(qū)間，而不同的地層介質存在相近的物性參數值，導致使用單一物探參數解釋物探資料時出現同一地質體擁有不同的曲線形態(tài)或不同的地質體擁有相同的曲線形態(tài)和異常值[2，3]。而且由于單一物探方法存在的技術局限性會導致物探效果不佳以及反演結果的多解性[4，5]，使得探測結果的可靠性降低甚至沒有參考的價值。

本文針對單一物探參數和單一物探方法對探測煤礦采空區(qū)存在解釋結論符合率低、精度低的不足，根據地質條件和地層的巖石物理特性提出使用多參數綜合物探方法[6]對陜北侏羅紀煤田中能億安煤礦井田范圍內的5-1號煤層采空區(qū)的分布范圍及狀況進行勘查，并結合鉆探勘查進行物探驗證，以期查明勘查區(qū)內采空區(qū)的分布范圍及其賦存情況，為采空區(qū)災害的預防和治理提供科學參考。

1 工程概況

府谷縣田家寨鎮(zhèn)中能億安煤礦井田范圍內主要賦存3-1、5-1、5-2號煤層，礦井整合前采用的是房柱式開采3-1號煤層，形成采空區(qū)面積約1.869km2；南部小窯開采5-1號煤層，形成采空區(qū)面積約1.043km2。整合后煤礦開采5-1號煤層，煤層平均厚度2.70m，埋深11.20～217.59m，煤層頂板巖性以中粒砂巖為主，粉砂巖次之；底板以粉砂巖為主，局部為細粒砂巖。該煤層層位穩(wěn)定，結構較簡單，屬大部可采的穩(wěn)定型中厚煤層。整合區(qū)內地表覆蓋有黃土和風積沙，為典型的黃土梁峁地形，區(qū)內構造極其簡單，無褶皺，整體為傾角在1°左右的大單斜層。

2 地球物理測井多參數應用

為了驗證地層結構和查明地層物性特性，為物探解釋提供依據，本次對FGX-YA-01號、FGX-YA-02號、FGX-YA-03號和FGX-YA-10號地質鉆孔進行地球物理測井探測。

2.1 參數選擇

本次使用測井儀為TYSC-QB型輕便數字測井儀，根據勘查區(qū)地層物性特征，選用的參數方法有：三側向電阻率LL3、自然伽瑪GR、自然電位SP以及井徑CAL等。通過對4個鉆孔的綜合測井資料各參數進行統計，總結了孔內不同巖層物性特征，其結果見表1。

表1 煤、巖層物性特征統計表

2.2 資料解釋

根據本次測井解譯資料及鉆探勘查成果，分別得到四個地質勘查孔的測井曲線，其中FGX-YA-01號地質勘查孔部分測井曲線如圖1所示。

由本次測井成果知，本區(qū)煤巖層物性穩(wěn)定，煤層具有高電阻率、低密度、低伽瑪的特性，與圍巖物性差異明顯，各地質時代的地層均有其物性特征和組合規(guī)律，曲線形態(tài)明顯。

圖1 FGX-YA-01號鉆孔部分測井曲線

3 采空區(qū)綜合物探技術應用

3.1 地球物理特征

3.1.1 地震地質條件

煤層由于具有低密度和低傳播速度的特點，與圍巖有著不同的波阻抗特性，是良好的天然物理分界面，如果煤層達到足夠厚度時，可以形成良好的、連續(xù)的地震反射波。當煤層采動后頂板及其上覆巖層受到采動影響發(fā)生破壞，形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，導致上覆巖層的連續(xù)性遭到破壞，這些地質因素的變化，使得煤層采空區(qū)或其上部地層的地球物理特征發(fā)生變化[7]，這是使用地震法的前提。

目的煤層5-1煤層厚度適中、對比可靠，煤層與上部3-1煤層間距適中，且煤層與其頂底板巖性差異明顯，是較好的波阻抗界面，預計在無采空的地段可形成較為連續(xù)的對應反射波[8]，深部地震地質條件較好。

3.1.2 電性條件

煤層采動過后，頂板及其上覆巖層發(fā)生破壞形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，破壞了原始地層在橫向上電阻率均勻分布的特性。當采空區(qū)形成后，在充水的區(qū)域，相對于圍巖會表現為低電阻特性；在未充水的區(qū)域，相對于圍巖會表現為高電阻特性[9]，這是使用電磁類方法探測的前提。

根據鉆孔資料，該區(qū)電阻率值約為80～185Ω·m，淺層電性條件較好。但由于測區(qū)內有外界電磁場的干擾會對音頻大地電磁法帶來影響。該區(qū)煤層具有厚度大、分布均勻的特點，且電性與上覆巖層有明顯的差異，存在明顯的電性標志層；但該煤層電性與下部巖層差異較小，電性標志層不明顯。綜合分析，本區(qū)淺部電性條件簡單，深部電性條件一般。

3.2 測線布置

本次采空區(qū)勘查工作共分2個區(qū)域，采用2種不同的綜合物探方法進行物探勘查工作。

1)區(qū)域1采用瞬變電磁和淺層二維地震相配合的綜合物探法[10]進行探測，勘探測線方向一致，以利于兩種物探資料的對比分析。瞬變電磁測量選用V8多功能電磁法探測儀，共布設瞬變電磁測線65條，其中，線距40m，點距20m；地震儀選用428Lite型多道遙測數字地震儀，共布設地震測線17條，主測線間距不大于160m，每平方千米物理點不低于667個。

2)區(qū)域2采用瞬變電磁和音頻大地電磁法相配合的綜合物探法[11-15]進行探測，瞬變電磁測量選用PROTEM67D瞬變電磁勘探系統，共布設瞬變電磁測線29條，其中，線距40m，點距20m；音頻大地電磁測量選用EH-4勘探系統，共布設音頻大地電磁測線20條，其中，線距60m，點距30m。

3.3 物探結果分析

3.3.1 區(qū)域1淺層二維地震法物探結果分析

本次探測共得到17條地震測線結果，其中6線和9線特征較明顯，如圖2、圖3所示。

圖2 6線地震剖面圖

圖3 9線地震剖面圖

從地震剖面圖中可以看出，推斷賦煤區(qū)內煤層反射波連續(xù)且變化平穩(wěn)，推斷采空區(qū)內煤層反射波分布雜亂無章，變化沒有規(guī)則，疑似采空區(qū)內煤層反射波表現為部分區(qū)域分布雜亂或部分區(qū)域突然消失，解釋為局部采空或煤層變化，煤層結構變化區(qū)內煤層反射波與正常地層對應反射波存在明顯差異，但仍有成層痕跡，排除采空區(qū)的可能性，解釋為煤層結構變化。

3.3.2 區(qū)域1瞬變電磁法物探結果分析

本次探測共得到65條瞬變電磁測線結果，其中T25測線特征較明顯，視電阻率斷面圖如圖4所示，可以看出T25測線視電阻率分布均勻，中部呈相對高阻，上、下呈相對低阻，下部成層性好，在1—12號點(圈定區(qū)域)之間視電阻率表現為高阻異常，結合地震資料和已知資料分析，判斷該區(qū)域為采空區(qū)。

圖4 T25測線視電阻率斷面圖

3.3.3 區(qū)域2瞬變電磁法物探結果分析

根據鉆孔資料統計，本區(qū)域煤層采空區(qū)電阻率范圍見表2。

表2 煤層采空區(qū)電阻率范圍

本次探測共得到29條瞬變電磁測線結果，其中1040測線特征較明顯，視電阻率斷面圖如圖5所示，可以看出1040測線視電阻率在垂直方向上變化不均勻，在水平方向上變化均勻，中部的電阻率比上部和下部都高，如在1020—1200點和1280—1360點之間表現為局部高阻，結合已知資料分析，判斷該區(qū)域為采空區(qū)，在1200—1280點之間表現為低阻特點，判斷為富水區(qū)。

3.3.4 區(qū)域2音頻大地電磁法物探結果分析

在音頻大地電磁探測區(qū)內有高壓線存在，為了減少高壓線對音頻大地電磁法探測結果的影響，只分析5-1煤層附近的異常區(qū)和富水區(qū)的分布情況，1180測線視電阻率斷面圖如圖6所示，可以看出在1000—1180點之間視電阻率表現為低阻特點，結合已知資料判斷該區(qū)域為富水區(qū)。在1240—1360點之間視電阻率表現為高阻特點，結合已知資料判斷該區(qū)域為采空區(qū)，可以看出在1000—1360點區(qū)域5-1煤層已被采空，其中，部分采空區(qū)充水，部分采空區(qū)未充水。

3.3.5 綜合物探分析

區(qū)域1異常區(qū)的綜合分析主要根據淺層二維地震法和瞬變電磁法的探測結果進行，其中二維地震法對確定采空區(qū)及異常區(qū)的探測效果較好，瞬變電磁法對水體反映靈敏。由于布設測線時二維地震測線分布較稀疏，瞬變電磁測線分布較密集，因此分析時在二維地震測線布設的區(qū)域以地震法探測結果為準，確定異常區(qū)的范圍；在沒有布設地震測線的區(qū)域，由瞬變電磁法探測結果進行補充，進一步細化異常區(qū)的范圍和分布形態(tài)。經過綜合物探結果的處理及綜合對比解釋，查明了區(qū)域1內煤層采空區(qū)的分布情況，其中，推斷采空區(qū)1處，疑似采空區(qū)7處，構造異常區(qū)6處，電性異常區(qū)3處，區(qū)域1綜合解釋成果如圖7所示。

圖5 1040測線視電阻率斷面圖

圖6 1180測線視電阻率斷面圖

圖7 區(qū)域1綜合解釋成果

區(qū)域2測區(qū)西部有兩條高壓線穿過，音頻大地電磁法大部分數據受高壓線干擾較大，整體數據可信度較低。而瞬變電磁受到影響范圍相對較小，因此本次綜合分析時以瞬變電磁法探測結果為準，音頻大地電磁法探測結果進行補充修正。若兩種方法解釋的異常范圍重合，則以瞬變電磁為主進行分析解釋；若兩種方法解釋異常區(qū)沒有重合，則對異常區(qū)可靠性等級降低。經過綜合物探結果的處理及綜合對比解釋，查明了區(qū)域2內煤層采空區(qū)分布范圍，其中，推斷采空區(qū)2處，富水區(qū)6處，疑似采空區(qū)7處，如圖8所示。

圖8 區(qū)域2綜合解釋成果圖

4 結 論

1)采用單一物探參數進行資料解釋時，由于其參數范圍廣、誤差大，無法準確判斷地層介質，將多種物探參數進行組合，可以縮小參數范圍，從而可以準確判斷地層介質，提高物探結果的精度，本次煤層定性和定厚主要以自然伽瑪與三側向電阻率解釋成果的平均值作為確定成果，其他參數作為補充。

2)淺層二維地震法具有分辨率高的特點，在確定采空區(qū)及異常區(qū)的范圍時效果較好，但無法探測采空區(qū)積水情況；瞬變電磁法具有對水體敏感的特點，在探測低阻導體時反映靈敏，而且抗干擾能力強；音頻大地電磁法不僅對水體反映靈敏，而且可以一次完成不同深度的探測，但抗干擾能力差。

3)本次研究表明淺層二維地震法和瞬變電磁法結合使用，不僅可以確定采空區(qū)的分布范圍而且可以得出采空區(qū)積水情況，將瞬變電磁法和音頻大地電磁法組合使用，可以相互補充，提高探測精度。