煤矿采空区地面综合物探方法优化.pdf

2023 年 8 月2023 年第 8 期21 世纪以来，中国煤炭行业蓬勃发展，带来了巨大的经济效益和社会效益，推动着中国国民经济持续快速发展，对国家发展起着至关重要的作用。随着对煤炭的长时间开采，煤矿中出现大量的采空区，导致地表大面积沉降，地面建筑物、交通设施、生活基础设施和土地都受到严重破坏，给周边人民的生活和生产带来了极大的威胁，对中国经济建设和社会稳定造成了严重的影响和危害。因此，查明采空区的具体情况，避免塌方、突水等灾害性地质现象的发生，已成为亟待解决的问题。近几十年来，煤矿采空区地面物探是有效防范煤矿采空区灾害发生的重要途径。1采空区的类型及特性根据采空区充填物、空间形态、电阻率等的不同，采空区可分为不同的类型。井下采空区由于所处的地质环境不同，内部充填空气或水。如果在煤矿开采后上覆地层没有崩落，则采空区为充气型采空区。如果开采后上覆地层和围岩的应力导致产生导水裂缝，地下水会进入采空区，若填满整个采空区，则形成充水型采空区。如果塌陷区是由采空区顶板塌陷形成的，则整个采空区可能含有砾石、水、空气，此类采空区为混合型采空区1。根据空间形态的不同，采空区可分为完整采空区和破坏性采空区。上覆地层发生基础位移时，采空区围岩物性变化不大，采空区的基本空间形式保持不变，这样的采空区即为完整采空区。在开采的影响下，采空区上覆地层分离、破裂和压碎，从而导致采空区煤块脱落，顶板塌陷，即形成破坏性采空区。采空区类型多样且错综复杂，因此在探测采空区时，需要用到不同的物探方法2。2物探方法的分类2.1探地雷达法通过宽频带短脉冲的方式，电磁波从地面经天线发送，经地层和地质异常体反射，重返地面，再由接收天线接收。煤矿采空区不同，地面电磁波的强度和波形也不同，在探测中需要优化并调整。该方法具有良好的持续性和较高的分辨率，可以判断出介质的结构，适用于极浅采空区3。收稿日期：2022-09-05作者简介：李旭袁 1983 年生袁 男袁 山西太原人袁 工程师袁 主要从事地球物理勘查尧 物探方面的工作遥煤矿采空区地面综合物探方法优化李旭（山西省煤炭地质水文勘查研究院有限公司，山西 太原 030006）摘要：随着煤矿的不断开采袁 出现大量采空区遥 煤矿采空区对工程建设等具有不良的地质影响袁 应采用有效的勘探方法准确判定采空区的位置袁 并采取相应的治理措施袁 以降低采空区的危害遥 采空区勘探需要用到不同类型的物探方法遥介绍了探地雷达法尧 地震法尧 高密度电阻率法尧 瞬变电磁法及可控源音频大地电磁法袁 分析了每种物探方法的优缺点遥不同物探方法的结合更有利于实现对采空区的精准探测遥关键词：煤矿曰 采空区曰 物探方法中图分类号：P631；TD325+.3文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)08-0189-03Optimization of Ground Comprehensive Geophysical Prospecting Method inCoal Mine GoafLI Xu(Shanxi Coal Geological Prospecting Institute of Hydrology Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,Shanxi,China)Abstract:With the continuous mining of coal mines,a large number of goaf areas have emerged.The goaf of coal mines hasadverse geological impacts on engineering construction,and effective exploration methods should be used to accurately determinethe location of the goaf,and corresponding control measures should be taken to reduce the harm of the goaf.Exploration of goafrequires the use of different types of geophysical prospecting methods.The ground penetrating radar method,seismic method,high-density resistivity method,transient electromagnetic method,and controllable source audio frequency magnetotelluric methodwere introduced,and the advantages and disadvantages of each geophysical prospecting method were analyzed.The combination ofdifferent geophysical methods is more conducive to achieving accurate detection of goaf.Key words:coal mine;goaf;geophysical prospecting method（总第 215 期）实践运用1892023 年第 8 期2023 年 8 月2.2地震法地震法是一种常用的高分辨率方法，用于探测含煤地层中的断层、采空区、陷落柱等地质异常体，从而为安全高效开采提供科学指导。该方法利用介质间的波阻抗差异进行探测。介质间的波阻抗差异越大，则出现的地震波的能量越高；介质间的波阻抗差异越小，则出现的地震波的能量越低。地震法主要可分为反射法和折射法（见图 1）。其中，反射法是勘探中最常用的方法。可利用不同维度的地震勘探技术探测不同深度的采空区2，4。(a)反射法(b)折射法图 1地震勘探示意图2.3高密度电阻率法岩性不同，岩层的电阻率也不同。高密度电阻率法的应用中，在电流传输到地面时，根据测量电极接收到的电阻率变化，确定地质条件的变化。根据电阻率曲线所反映的特性，分析地质结构的构造状态、规模以及岩层类型。通过电剖面法和电测深法的结合，可以快速且准确地提供被测地电剖面的地质解释图。高密度电阻率法的优点是工作效率高，数据采集精度高，能获得更详细全面的采空区信息，更好地反映较小的地质结构5-6。此外，该方法抗干扰能力强，通过高密度的观测点，可获得更全面的数据，通过分析数据可更好地掌握采空区地质结构的变化特征。高密度电阻率法工作原理如图 2 所示。图 2高密度电阻率法工作原理图2.4瞬变电磁法瞬变电磁法属于一种时域电磁感应法。其基本原理是利用电偶源和磁偶源，在地下采空区建立一次脉冲磁场。在一次磁场间歇间，采空区地质体会产生感应涡流，感应涡流随时间变化会产生感应磁场，即二次磁场，也叫感应场。二次磁场的信号可以被接收线圈或接地电极接收，如图 3(a)所示。由于地下介质的结构、含水率、规模、电阻率等不同，二次磁场的衰减特性不同，通过计算程序可以得到电阻率反演伪剖面图，进而判断地下介质的性质和空间分布格局3-4。在高阻围岩中寻找低阻地质体，瞬变电磁法是最灵敏的方法，并且检测效率高，如图 3(b)所示。而且，接地线源在后期信号更强，有利于对更深层次以及积水采空区的探索。2.5可控源音频大地电磁法可控源音频大地电磁法是由人工控制场源做频率测深的方法（见图 4）。通过沿X方向布置接地导线 AB，向Y方向（地下方向）提供一定音频的谐变电流，在其一侧或两侧 60毅的张角区域内，沿X方向布置测线，并沿测线X方向观测相应频率的电场分量Ex和与电场分量正交的磁场分量Hy，进而算出视电阻率和阻抗相位6-7。该方法适用于各种场地，效率高，勘探深度、范围大，可穿透高阻地层，有利于对中深层采空区进行勘探。3煤矿采空区地面物探方法优化煤矿勘探中，鉴于探测条件和地质环境越来越复杂，对探测精度和探测效率的要求也越来越高。基于上述对采空区物探方法的概述，选择合理的物探方法对煤矿采空区进行地面勘探非常重要。地震回应时间表面来源反射界面来源距离深度（d1）深度（d2）数据采集转换器转换器主机电极系测量断面1902023 年 8 月2023 年第 8 期图 4可控源音频大地电磁法示意图采空区主要分为极浅层采空区、浅层采空区、中深层采空区和深层采空区。1)极浅层采空区的探测可使用高密度电阻率法和探地雷达法。用探地雷达法探测采空区边界范围，用高密度电阻率法探测采空区。探测时需将两者线距控制在 10 m 内，点距控制在 2 m 内。2)一般来说，浅层采空区探测用浅层地震法、高密度电阻率法及瞬变电磁法。浅层地震法主要探测采空区边界范围，主测线线距不超过 20 m，联络测线线距不超过 100 m，道距不超过 5 m。采用高密度电阻率法及瞬变电磁法探测采空区，线距不超过 20 m，点距不超过 10 m。3)中深层采空区的探测采用地震法、可控源音频大地电磁法及瞬变电磁法。中深层采空区的探测中，结合各种物探方法的原理和应用情况对设备参数进行设置。地震法探测采空区边界范围，其主测线线距应小于 40 m，联络测线线距应小于 200 m，道距应小于10 m；采用可控源音频大地电磁法以及瞬变电磁法探测采空区，线距不大于 40 m，点距不大于 20 m。在探测时，应注意分辨率的准确性和设备运行效果的合理性。4)对于深层采空区的探测，采用三维地震法、可控源音频大地电磁法及大地电源瞬变电磁法。几种不同物探方法的结合不但有利于确保采空区探测的准确性，而且有利于控制干扰因素，为后续工作的进行带来便利。探测深层采空区需要将线距设置在 60 m 以内，点距在 30 m 以内1-4。综合物探方法的应用为煤矿勘探带来极大的便利，但是还是会存在一些风险，因此应考虑到地面导体及高压线区域、地形起伏等因素对采空区物探法选择的影响，妥善解决各类物探方法在实际应用过程中出现的风险问题。4结束语随着煤炭开采规模越来越大，采空区探测面临地质条件复杂、充填条件复杂以及探测区干扰源等众多不利因素，采用传统单一方法很难实现对采空区的精细探测。对现有的物探方法与关键技术进行了梳理，分析了各种方法的优缺点。在采空区探测中，应根据采空区的不同特征选择合适的物探方法，为中国煤炭行业持续发展提供更为有力的技术支撑。参考文献：1范录庭.煤矿采空区地面综合物探方法优化分析 J.内蒙古煤炭经济，2022(10)：45-47.2陈飞.煤矿采空区地面综合物探方法优化分析 J.当代化工研究，2019(4)：99-100.3李文.煤矿采空区地面综合物探方法优化研究 J.煤炭科学技术，2017，45(1)：194-199.4王晨晨.煤矿采空区勘查及其病害分析 D.石家庄：河北地质大学，2016.5薛国强，潘冬明，于景邨.煤矿采空区地球物理探测应用综述 J.地球物理学进展，2018，33(5)：2187-2192.6马丽娜，吕月.综合物探方法在煤矿采空区勘察中的应用 J.城市地理，2015(22)：82.7李洪嘉.综合物探技术在煤矿采空区探测中的应用研究 D.长春：吉林大学，2014.（编辑：高志凤）(a)基本原理(b)响应特性图 3瞬变电磁法理论传输线圈二次领域接收领域第一领域涡流矿石振幅高电阻率低电阻率结束时间电源60毅ABXY1 000 mHyEx李旭：煤矿采空区地面综合物探方法优化191