綜合物探法在礦井地質(zhì)災(zāi)害勘查中的應(yīng)用研究

馮軍宏　艾曉康　蘇鵬

[摘要]本篇介紹了采區(qū)地震勘探、瞬變電磁法的工作原理，并分析了其在煤礦地質(zhì)災(zāi)害勘查中的應(yīng)用及其效果。綜合運(yùn)用采區(qū)地震勘探、瞬變電磁法等工作方法，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，提高物探的解釋精度，查明煤礦地質(zhì)災(zāi)害問題，對于礦山安全生產(chǎn)具有重要意義。

[關(guān)鍵詞]綜合物探法 煤礦地質(zhì)災(zāi)害 地震勘探、瞬變電磁法 采空區(qū)

[中圖分類號] P694 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-3-249-1

在煤炭開采過程中，斷層、陷落柱、含水層（體）是不可忽視的災(zāi)害性地質(zhì)異常體，它們破壞了煤層的連續(xù)性，嚴(yán)重降低了機(jī)械化采煤的效率，甚至可能引發(fā)透水、瓦斯突出等事故，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來威脅；煤礦采空區(qū)沉降對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成極大的影響或威脅，也對現(xiàn)有煤礦開采形成安全隱患。隨著煤礦采掘機(jī)械化，開采規(guī)模、開采強(qiáng)度和深度的加大，煤礦地質(zhì)災(zāi)害問題越來越突出，查明煤礦的地質(zhì)災(zāi)害問題，對于安全生產(chǎn)意義重大。綜合物探法在煤礦地質(zhì)災(zāi)害勘查中應(yīng)用十分廣泛，研究綜合物探法應(yīng)用原理，及各類地質(zhì)災(zāi)害中的優(yōu)缺點(diǎn)，具有重要意義。

1常用綜合物探方法介紹

1.1采區(qū)地震勘探

三維地震勘探提供剖面的、平面的、立體的地下地質(zhì)構(gòu)造圖像，提高了對地下地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變地區(qū)地震勘探的精度。三維地震勘探可完成如下煤礦采區(qū)勘探任務(wù)：查出埋深1000m以內(nèi)，落差大于3～5m的斷層；查出主要煤層起伏大于5m的褶曲、主要可 采煤層底板深度，解釋誤差小于1% ～1.5% ；查出直徑大于20m的主要煤層陷落柱；解釋主要可采煤層厚度變化；預(yù)測主要可采煤層的分叉、合并帶、沖刷缺失帶；查明主要可采煤層的地下露頭位置；劃分奧陶紀(jì)灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育帶；圈定 主要可采煤層的自燃火燒區(qū)范圍；對巖漿巖影響可采煤層的范圍、焦化帶進(jìn)行劃分；查明新生界厚度，對底部含、隔水層做出評價(jià)等，是常用的物探方法。

1.2瞬變電磁法

瞬變電磁法 （簡稱TEM）通過在不接地回線中或接地電極間供以方波電流，向地下間歇性地發(fā)送一次電磁場，在一次脈沖磁場的間歇期間，利用另一回線或探頭接收由地下地質(zhì)體受激勵引起的渦流產(chǎn)生的隨時間變化的感應(yīng)二次場（按指數(shù)規(guī)律衰減），二次場的大小與地下地質(zhì)體的電性有關(guān)。低阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場衰減速度較慢，二次場電壓較大。高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場衰減速度較快，二次場電壓較小。根據(jù)二次場衰減曲線的特征，可以判斷地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等，從而可以探測采空區(qū)及相關(guān)地質(zhì)問題。該法基本不受地形影響，能克服高阻屏蔽層的影響，對低阻含水體特別靈敏，受體積效應(yīng)影響小，縱橫向分辨率高，且施工方便、快捷、效率高，對水的探測有一定的效果。但探測地下采空區(qū)時只能給出地面位置與范圍，不能進(jìn)行定量解釋（深度的計(jì)算）。且遇到周邊或地表有金屬結(jié)構(gòu)和高壓輸電線時，測量數(shù)據(jù)會受到干擾，應(yīng)用時受到了一定的限制。

2綜合物探法的應(yīng)用效果

2.1采區(qū)地震勘探應(yīng)用效果

一般情況下，煤層與其圍巖存在著明顯的波阻抗差異， 一般當(dāng)煤層厚度大于lm時，便可形成良好的煤層反射波。但是當(dāng)有陷落柱、煤層采空及其頂板遭受破壞后，在地震時間剖面上表現(xiàn)反射波組的中斷或消失，同時煤層頂部結(jié)構(gòu)的不規(guī)則破壞，也將產(chǎn)生各種低頻干擾，這些可作為識別陷落柱、采空區(qū)是否存在的標(biāo)志。陷落柱柱體由塊度大小不均，排列雜亂無章的上覆地層塌陷物充填膠結(jié)而成，充填物成分復(fù)雜、 松散、密度小、速度低，陷落柱附近及頂部圍巖多為煤系地層的砂巖、泥巖或煤層，其沉積穩(wěn)定，速度、密度與陷落柱相比，在橫向和縱向上都存在明顯的差異。根據(jù)三維地震解釋成果，結(jié)合礦井生產(chǎn)與鉆孔資料，對三維地震成果進(jìn)行驗(yàn)證。三維地震成果與礦井和驗(yàn)證孔資料吻合很好，給礦方提供了極有價(jià)值的地質(zhì)資料，礦方在生產(chǎn)中提前采取了防治措施，避免了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.2瞬變電磁法應(yīng)用效果

采空區(qū)積水后及構(gòu)造、陷落柱賦水其電阻率值比圍巖的電阻率值明顯降低，為瞬變電磁法勘探提供了良好的物性條件。通過利用瞬變電磁法，在探測采空區(qū)、構(gòu)造、陷落柱是否富水，預(yù)防煤礦水害方面取得的地質(zhì)成果得到了礦方開拓資料的驗(yàn)證、認(rèn)可和好評。

2.2.1瞬變電磁法探測陷落柱

一般認(rèn)為，煤田陷落柱形成與奧灰?guī)r溶裂隙有關(guān)，由于巖溶裂隙的發(fā)育和擴(kuò)大，周圍地層受重力作用而塌落下沉，因此，陷落柱內(nèi)部充填物常常成分復(fù)雜、比較松散，正常的地層沉積層序被打亂，陷落柱與煤層的接觸邊界存在明顯的密度、速度、電性等物性差異?？梢詮碾娦云拭鎴D中得到反映，陷落柱的低阻電性特征非常明顯，與已知陷落柱位置、 大小及特征非常吻合。電性特征將為相鄰工作區(qū)域的分析解釋提供物性解釋依據(jù)。

2.2.2瞬變電磁法勘察采空區(qū)

采空區(qū)上方的巖層由于沒有下方支撐力的作用，因此容易在重力的擠壓下發(fā)生塌陷變形，從而出現(xiàn)縫隙或者直接受壓破碎，這種巖層變化很容易讓地下水?dāng)y帶大量電解質(zhì)通過巖層的縫隙和破碎處進(jìn)入采空區(qū)，長此以往，在長期水解作用下，采空區(qū)的周圍巖層會被電解從而產(chǎn)生游離狀態(tài)的鐵離子和鈣離子，此時充水的采空區(qū)就具有了低阻高極化率的典型特征，而圍巖本身在不充水的狀態(tài)下具有電阻率高，低級化率的特征，若圍巖受壓變形越明顯時其自身電阻率就越高，利用這種采空區(qū)巖層和周圍圍巖的電性特征差異，就可以利用瞬變電磁法對采空區(qū)的含水量及采空區(qū)的具體邊界位置進(jìn)行精確定位。

3結(jié)論

安全是煤炭企業(yè)發(fā)展的前提和保證，在工程實(shí)踐中必須全面、系統(tǒng)地分析煤礦地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)防治中的地球物理特征，合理布置綜合物探方法，從不同物性特征研究煤礦煤層結(jié)構(gòu)與巖性、水文地質(zhì)、陷落柱與煤層的小構(gòu)造，運(yùn)用多學(xué)科的技術(shù)和手段進(jìn)行處理和解釋，才能取得較好的地質(zhì)效果。物探方法具有多解性，在反演和解釋過程中，常常會遇到多種解釋結(jié)果，在這種情況下就需要和鉆探方法結(jié)合，獲取鉆探的驗(yàn)證資料，或者選取兩種不同原理的物探方法，互相彌補(bǔ)各自的不足，達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)，從而有效避免單種物探方法的多解性和不確定性，獲得較為理想的解釋，提高物探的解釋精度。

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