试论综合物探方法在煤矿采空区探测中的应用

宋顺昌

（贵州省地矿局地球物理地球化学勘查院 贵州贵阳 550018）

试论综合物探方法在煤矿采空区探测中的应用

宋顺昌

（贵州省地矿局地球物理地球化学勘查院 贵州贵阳 550018）

物探技术就是当前比较先进的勘测方法，可以判断地壳中岩石的物理属性。本文先对煤矿采空区的现状进行了分析，并对着综合物探方法进行了阐述，最后结合实例对综合物探方法在煤矿采空区探测中的应用进行了描述，供相关人士参考。

综合物探；煤矿采空区；探测

1 引言

我国地大物博，煤炭的存储量较大，随着科学技术的发展，采矿技术水平有所提升，但也存在许多影响安全生产的危险因素，比如说矿井水害。本文从煤矿采空区现状分析入手，选择合适的物探技术对其进行综合勘探，对采空区的应用进行准确预测，从而取得较好的地质效果，为今后的煤炭矿井开采方案选择提供理论实践依据。

2 煤矿采空区的现状

煤矿采空区的产生是因为地质运动或者人工作业导致地下出现了大范围的空洞现象，采空区作业的危险程度较高，在作业过程中容易出现作业人员和生产设备陷入采空区，从而导致大量的人员伤亡和设施损坏，使得企业的经济效益直接受损。采空区的显著特点是隐蔽性非常强，同时其空间分布呈现不规律的状态，这就给预防采空区发生矿难的防御工作的进行带来了很大的困难。怎样识别和判断采空区的地理位置、其空间结构对于相关的工程技术人员来说是应对采空矿难的核心问题。常见采空坍塌事故形成原因是煤矿地下开采过程中形成了大量的采场和通道，而这些空间没有进行及时的填充和修补，这就使得露天开采的过程中出现采空等安全事故的发生，工作人员和生产设备的安全无法得到保障。

在我国的采矿行业当中，其开始的时间比较早，早期的开采没有形成相应的行业标准和信息共享，所以相对而言其采矿的秩序不够稳定。总体上呈现开采地点比较随意，采矿没有计划性，开采后没有明显标记，整个矿产资源的分布和开采没有详细的档案记载。现阶段我国的经济发展迅猛发展，对于煤矿资源的需求量也增大很多，在原有的开采痕迹上进一步开采，就使得采矿历史性遗留的采空区严重威胁开采工作的平稳进行，采空后不处理，经过自然环境的侵蚀作用造成矿柱变形、通道维护困难、井下冒落以及地表塌陷等都会造成严重的人员和物资损毁。采空区的不确定性和隐蔽性已经成为现阶段我国煤矿开采的客观作业环境，如何通过有效的现代技术手段来对其进行预测和安全防护是相关工作人员急需解决的问题。

3 综合物探技术的相关评价

就目前来看，我国在采空区探测方面存在多种综合物探技术手段，他们在技术层面各有优势，也存在问题。比如说较为流行的地震勘测、高密度电法、瞬变电磁法等等。本文将主要介绍这三种物探技术手段的优势与劣势。

3.1 地震物探技术

地震物探技术所利用的并不是真实的地震，而是由人工制造的仿地震波。这种地震波会引起对煤层采空区上覆岩层的破坏，同时，地震波的强吸收衰减性，也使得采空区的反射波回馈频率有所降低，使得采空区岩层的裂隙与围岩碎块产生波动无序甚至畸变。相对来说，采空区下部岩层却没有明显变化。所以当煤层采空区顶板遭到破坏后，就应该通过其剖面反射波组的变化情况来判断煤层采空区内部结构的各种低频干扰，从而识别煤层采空区的实时状态。相对而言，这种物探方法的缺点也很明显。由于煤层采空区在受到强烈地震波坍塌之后，它的上覆岩层会遭受严重破坏，这时采空区的上层冒落带和裂隙带就会形成一个具有深层裂隙高度的破坏带，它对地震波的传播反馈会产生相当影响。这种影响甚至可以导致勘测者对于采空区的实际大小和异常大小出现识别误差，对查明采空区区域的富水性也有严重影响。

3.2 高密度电技术

高密度电技术的主要目的是向地下供应高压直流电，靠测量和改变电机探测电性异常来引发电流场出现畸变，如图1所示。它可以一次性进行多装置的数据采集，并通过计算比值参数来凸显异常信息存在的各种特点。与电阻率物探法相同的是，它也通过采空区岩层的电阻率作为评判标准，所以也可以说，高密度电技术的根本就是电阻率法。这种方法的优势就在于对一些浅层地质的异常分辨能力相当强，而且具有良好的抗扰能力。但是它的缺点就是很容易受到高电阻屏蔽的影响，只能勘探较浅（不高于200m）的深度，再深层勘探分辨率就会极具下降1/3甚至1/2左右。

图1 高密度电法试验剖面图

3.3 瞬变电磁技术

瞬变电磁技术与地球物理电磁感应探测有关，它基于时间域，由人工完成，如图2所示。在此种方法中，不需要进行低回回线甚至接地线源的连接，它会自动向地下发送一组脉冲电磁场，然后利用线圈来观测和感应脉冲电磁场的地下涡流，从而解决一些电磁场中所出现的地质问题。这种方法对地质体的反映相当灵敏，而且具有很高的纵横向分辨率。它的勘测深度范围大，可以从100～500m，而且它不会受到高电阻率的影响，工作效率极高。对于一些含水地质体来说，它能够快速发现采空区积水区中的电性异常反应。但同时它的缺点就在于对高阻地质体反映性差，这一点和高密度电法类似。

图2 瞬变电磁法试验剖面（线框120×120）

4 实例应用案例分析

某煤矿位于城市城镇边缘地区，其地质条件较差，地貌形态属中低山区，最高海拔高度+1890m，最低海拔高度+1686m，相对高差204m；地形大部分为库车河流冲刷而形成的河床阶地，地形较为平坦，多为第四系砂砾石及亚砂土所覆盖。井田含煤地层为下侏罗统塔里奇克组，目前主采下10煤层，没有直接顶，均为比较坚硬的砂岩、砂砾岩基本顶，采用综采放顶煤回采工艺，工作面开采高度平均5.5m，采放比1：1；上覆下5煤层原小窑开采结束。该矿为高瓦斯矿井，各煤层属易自燃煤层，煤尘均具有爆炸危险性。

4.1 火区情况

由于该矿区的建设时间比较长，其采空区面积比较法，且情况比较危机。煤层赋存不连续全区未采，矿井普遍存在漏风现象。该火区的发生从1986年的井下开始，一直未得到根治，特别是开采下10煤层有直接威胁的各自燃隐患区域（火区）的面积大小与连通情况、周围裂隙分布情况、火势强度分布情况、高温点分布情况、各火区CO、CO2和其它有毒有害气体泄漏情况等都难能准确给出。

4.2 火灾探测

该矿区利用综合物探方法进行火灾的探测，主要从以下几个方面入手：①地形地质测量，用全站仪极坐标法测量地表裂隙、高温点3处，采用GPS圈定土源地面积7728m2，定位变压器具体位置1处；测量供水管路全长1489m。②红外成像，利用CAMTMPM675红外成像仪，共完成地表红外成像41张，接图2张；拍摄勘查区数码照片15张，接图5张。由于采空区发火位置较深且时间较短，煤火燃烧体向围岩及地表传导的热量有限，在红外成像中热异常较为微弱，仅在南区局部发现温度异常。红外拍摄过程中，背景温度16～19℃，可以分辨出地表温度异常点成线状分布于1005综放工作面中部老一号井采空范围内，面积约856m2。③地表踏勘和测温，用全站仪对老一号斜井和1005综放回采区地表进行踏勘，用Nam-37红外测温仪对红外成像中发现的温度异常和地表塌陷裂隙区进一步测量。通过踏勘，发现老一号斜井开采范围地表裂隙6处，裂隙总长度320m，裂隙内温度16～19℃，在环境背景温度范围内。其中1005采场地表温度异常区呈带状垂直于煤层走向分布，在1005工作面中部，温度20～70℃，有蒸汽冒出。

物探探测：

（1）物探选择

为有效探测地表及深部火区的分布及状况，物探选择自然电位法、磁法、高分辨率电阻率法和活性炭吸附测氡法，工程量及选用仪器见表1。

表1 物探工作量表

（2）成果分析

本次勘探工作共布设10条测线，基本覆盖全部勘探区范围，采用四种物探方法及地质调查等查明勘探区内的物性异常分布状况，推断西北部和中部区域为采空区燃烧形成的煤矿火区，见图3。图3中勘探区西北部，通过活性炭测氡法推断该区域为采空区燃烧形成的煤矿火区，面积16666m2，东西宽75m，南北长165m。采空区着火点下限标高+1686.5m左右，上限标高+1698.6m左右。勘探区中部，通过活性炭测氡法推断该区域为采空区燃烧形成的煤矿火区，面积15949m2，东西长122m，南北宽130m，采空区着火点下限标高+1686.5m左右，上限标高+1698.6m左右。以上两处着火点之间测氡值分布均匀，无明显氡异常值，以此推断两者贯通的可能性较小。

图3 物探圈定火区范围示意图

4.3 火灾区域划分

根据综合物探得出的地质报告来看，可以将该矿区的采空区火区分为三个部分：浅部露头火区。该区段是综合物探重点勘查区域，依据勘探结果分析，火区燃烧位于浅部，地表裂隙和塌陷发育，供氧充分，火势猛烈，夜晚可见地表蓝色火焰，白天从裂隙中也可见明火，地表最高温度达到900℃，由于长期蓄热，周围围岩蓄有大量的热量。这类火区的面积约20000m2，火源深度约在0～30m之间。二类区域：位于国道西北侧，主要是历史上的老空区，无论是综合物探还是生产地质报告均证明该区域老空区普遍发火。该火区的深度在30～100m之间，由于受供氧条件的限制，火区的燃烧不象第一类火区那样剧烈。这类火区的分布广泛，与采空区分布相似。三类区域：主要为下5煤层露头烧变区。该区勘探时裂隙发育，地表有返潮和蒸汽涌出，温度为40～120℃。在灭火施工注水过程中，该区为烟气主要涌出区域，阴雨天仍有气体涌出，证明该区段与下5煤采空区沟通，是地表与老空区空气贯通的主要通道。

5 结束语

综上所述，由于煤矿开采历史长久并且开采初始阶段没有形成秩序导致的煤矿采空现象已经成为现行煤矿开采的客观条件，其采空现象对于一线作业人员和生产设备的安全威胁十分严重，其工根本上是影响了企业的经济效益。如何采空进行判定处理的研究的重点课题，现阶段应用地质雷达法、重力勘探法、磁法勘探法和电法勘探法等物理探测方法对其进行处理，取得了一定的成果。由此说明应用科学技术手段来解决生产问题效果明显，煤矿开采是国家经济建设的需要，采空现象出现也是必然而且与日增多，如何对其进行科学有效的处理是需要长期研究的问题。

[1]王兆强，王国伍.论综合物探法在煤矿防治水工作中的应用[J].中国科技博览，2013：86.

[2]温来福，郝海强，刘志远，等.综合物探在山西省某煤矿采空区探测中的应用[J].工程地球物理学报，2014，01（01）：112～117.

[3]武秀芳，薛永军.综合物探方法在煤矿采空区勘测中的应用[J].山西建筑，2013，27（27）：50～51.

P631

A

1004-7344（2016）02-0170-02

2015-12-29

宋顺昌（1986-），男，汉族，贵州贵阳人，助理工程师，本科，主要从事物探行业工作。