综合物探技术在煤矿灾害防治中的应用

综合物探技术在煤矿灾害防治中的应用

马如庆 刘国利 邓新刚

枣庄矿业（集团）有限责任公司柴里煤矿 山东 滕州 277519

摘要：我国以煤炭为主的能源结构特点决定了矿井物探服务于煤炭安全生产的的重要性;同时我国的含煤地层特征、地质构造模式和开采条件的复杂性，决定了我国矿井物探技术发展历程和内涵的独特性。与地面物探相比，井下物探具有半空间-过度空间-全空间问题，施工环境、观测系统和仪器装备具有特殊要求，使得矿井地球物理场观测的技术瓶颈大、干扰因素多，数据采集、物性反演、地质解释难度大;但同时，矿井物探具有距探测目标近、物探异常明显、探采对比实证性强、运用灵活等优点。基于此，本文主要对综合物探技术在煤矿灾害防治中的应用进行分析探讨。

关键词：综合物探技术；煤矿灾害防治；应用

1 前言

据我国国家开发行与中国煤炭地质总局的联合调查资料表明，地球物理勘探可以查明煤矿矿井地质构造(断层、陷落柱等)、老采空区及含水层分布等，为矿井工作面布置、开采方式的选择和防、治水等提供依据，同时地球物理勘探的应用还可消除多种地质风险。然而单一的地球物理方法往往在勘探对象、勘探深度、分辨能力与解决问题的全面性上存在某些弊端，而运用综合地球物理方法防治煤矿地质灾害与地质风险的优势明显，综合物探技术以其独具的信息量大、分辨率高、控制网密等优点，使得较准确地探测小规模断层、陷落柱、含水体等地质体成为可能。

2 综合物探方法简介

2.1瞬变电磁法

瞬变电磁法（ＴＥＭ法）属于时间域电磁感应法，它利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲场，在一次脉冲磁场间歇期间利用回线或电偶极接收二次场，该二次场是由地下良导地质体受激励引起的涡流所产生的非稳电磁场。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、规模、产状等。由于该方法是纯二次场测量，故与普通电法勘探相比，具有对低阻地质体反映灵敏，纵横向分辨率高，勘探深度大，工作效率高等优势。

2.2三维地震

三维地震采集是一种面积采集技术，其特点是利用炮点网格和检波点网格的合理组合而获得分布均匀的地下数据点网格及所要求的覆盖次数。其应用目的是为了使地下目标的图像更加清晰、位置预测更加可靠。三维地震勘探把沿测线观测的二维地震方法扩展到三维空间，由深度方向Ｚ和构成面积的Ｘ、Ｙ构成三维空间，通过面积观测技术获得与勘探地质体相适应的三维数据体。与二维地震比较，三维地震勘探有如下特点：第一，数据量大，煤田三维地震勘探可形成一般为１０ｍ×１０ｍ×１ｍｓ的三维数据体，能够沿任意方向抽取剖面和按任意时间（深度）抽取时间剖面或时间切片研究与解决地质问题，三维数据体比较精细地反映地下地质情况。第二，偏移归位准确，经过三维偏移的三维数据体空间归位正确，使地震与地质的空间对应关系简单化。

三维地震勘探能够获得一个三维空间上的数据体。提供剖面的、平面的、立体的地下地质图构造图象，大大地提高了地震勘探的精确度，对地下地质构造复杂多变的地区特别有效。三维数据体的信息点的密度可达５ｍ×５ｍ，获得信息量丰富，地震剖面分辨率高，煤矿深部的断层、异常体等均可直接或间接反映出来。

3 综合物探技术的应用

3.1三维电性数据体的形成和数据分析

通过对外业采集的在二维平面上或三维空间中的随机分布的数据进行网格化(线性插值、距离加权插值、径向基函数插值等)，得到空间或平面网格数据，对三维电性数据体进行信息分析。如采用边缘检测的方法确定出空间三维体的变化率最大的突变位置，这些位置往往是勘探工作者感兴趣的部位，如断层、破碎带等，还可以对三维电性数据进行滤波、三维相干等数据处理。

3.2三维地震资料解释中的切片技术

切片技术是三维地震勘探有别于二维地震的重要技术特点，也是克服目前三维地震资料解释中二维解释工作流程问题的重要手段。切片技术有利于揭示矿井开拓过程中迫切要求解决的小断层、陷落柱异常、小褶曲及相关精细构造与岩性问题。切片解释技术是全三维地震解释的主要方法之一，它基于“体”的解释概念，优越于传统的地震解释方法，为煤矿采区三维地震构造解释与岩性分析提供了强有力的手段。

3.3全三维地震资料解释中的相干体与方差体技术

相干体与方差体技术是研究三维数据体中的不连续性特征及相邻道地震信号之间相似性的解释性处理技术，该技术充分利用了三维资料中每个CDP点的信息，避免了因常规抽线解释而遗漏小断层的缺陷。利用相干体与方差体技术，可通过新的数据体切片、层切片或透视图等手段，展示地下断层展布及断面的特征，实现断层等地质现象的全三维解释。

3.4三维地震资料的波阻抗反演技术

将地震资料结合声波测井资料反演成波阻抗剖面，得到既有较高垂向分辨率又有较好横向连续性的反演剖面，同时反演对地震资料进行高频和低频恢复，将地震有限频带扩展为宽带，进行以煤岩层为单元的地质解释，把界面性的地震资料转换成可与测井资料对比，具有岩性特征的波阻抗资料，有助于煤层厚度预测，圈定采空区范围、火烧区等异常体边界。

3.5瞬变电磁法探测陷落柱

一般认为，煤田陷落柱形成与奥灰岩溶裂隙有关，由于岩溶裂隙的发育和扩大，周围地层受重力作用而塌落下沉，因此，陷落柱内部充填物常常成分复杂、比较松散，正常的地层沉积层序被打乱，陷落柱与煤层的接触边界两测存在着明显的密度、速度、电性等物性差异。图１是采用瞬变电磁法在某煤矿已知含水陷落柱上测得的试验线断面图，做试验线的目的是为了分析解释邻区某工作区域内陷落柱的发育及导、含水情况。图１中实线为主要煤层底板标高，下部点线为奥灰顶面标高，图１中标示处为陷落柱，从电性剖面图中可以看出，６５０～７４０ｍ之间新生界下部及煤系地层视电阻率等值线出现明显扭曲下降，奥灰中也有一定反映，陷落柱的低阻电性特征非常明显，与已知陷落柱位置、大小及特征非常吻合。该试验线的电性特征将为相邻工作区域的分析解释提供物性解释依据。

图１ 陷落柱在断面图上的反映

3.6瞬变电磁法勘察采空区

煤层采空区因岩体垮落破碎，电阻率值明显增大，而当采空区完全充水后，水体不仅充填了采空区，而且也充填了冒落裂隙带，因而在岩体破坏区，其电阻率又明显降低。据此，通过探测地下岩层的电阻率及其变化，可以判定岩层的结构状态和含水状况。山西某地进行煤矿整合，需要对周围早期煤矿的开采情况和采空区的分布进行勘察，为了配合资料的分析和处理，进一步指导解释工作，在已知的采空区地段进行瞬变电磁法方法试验。

4 结语

安全是煤炭工业和煤炭企业发展的前提和保证。在提倡科学发展和建设和谐社会的今天，提高煤矿安全生产保障程度，防治煤矿地质灾害与地质风险已成为煤矿企业安全工作的重点。因此，在工程实践中必须全面、系统地分析煤矿地质灾害与地质风险防治中的地球物理特征，合理布置综合物探方法，从不同物性特征研究煤矿煤层结构与岩性、水文地质、陷落柱与煤层的小构造，运用多学科的技术和手段对采集的数据进行处理和解释，才能取得较好的地质效果。

参考文献：
[1]吴有信.复杂地形条件下的瞬变电磁法勘察效果[J].工程勘察，2008，(3):40-44.

[2]吴有信.宜万铁路马鹿箐隧道瞬变电磁法勘察效果[J].工程地球物理学报，2007，4(1):21-26.