煤矿采空区物探方法探析

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1、煤矿采空区物探方法探析　　【摘要】大部分小煤矿没有保留下准确的地质资料，兼并重组整合煤矿普遍存在地质勘查工作程度低、地质情况不明，煤矿建设和生产存在安全隐患，将是制约安全生产的一大因素。因此进行采空区探测工作十分必要，目前探测采空区的物探方法较多，如瞬变电磁法、三维地震法、活性炭测氡法等。【关键词】采空区；瞬变电磁法；三维地震；活性炭测氡1.采空区形成机理地下矿层采空后形成的空间称为采空区。当采空区出现后，打破了原有的应力平衡，上覆岩层失去支撑，产生移动变形，直到破坏塌落。采空区塌陷后，形成采空塌陷区。以煤层采空塌陷区为例，可将它

2、分为3个带：①垮落带：煤层采空上部岩层出现坍落；②断裂带：冒落带上方岩体因弯曲变形过大，在采空区上方产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力，因而岩体出现大量裂隙，岩石的整体性受到破坏；③弯曲带：裂隙带以上直到地面，在自重应力作用下产生弯曲变形而未破裂。2.采空区地球物理特征2.1地震勘探的波组特征6煤层采空区塌陷垂直“三带”示意由于煤层与其顶底板岩层存在着较大的波速和密度差异，为一个非常明显的波阻抗界面，能够形成可检测的反射波。采空区的存在，致使地层原有物性条件遭到破坏，在煤层反射波组中表现为反射波同相轴的弯曲、减弱，直到消失，同

3、时煤层顶部结构的不规则破坏，也将产生各种低频干扰，因此用地震方法可以探测地下煤层采空区的分布。（1）采空区地震时间剖面判识。在沉积稳定煤层中掘进的工作面，人为地造成煤层局部的不连续性，使得地层局部物性条件发生突变（煤岩—空腔），表现在地震时间剖面上，势必造成在叠加剖面上的煤层反射波出现绕射波，在偏移时间剖面上则会出现“空白段”或“低能量”反射。（2）采空区三维地震水平切片判识。三维地震水平切片是圈定采空区范围的另一种简单有效的方法。但其前提条件为：煤田三维地震资料在野外采集过程中无较大的“变观”；资料处理中严格按照“高信噪比、高分

4、辨率、高保真度”原则进行。当煤层沉积相对稳定、煤层底板起伏形态局部变化相对平缓时，煤层反射波在水平切片中色彩稳定，无颜色突变现象出现；反之，当遇到采空区等地质异常体时，煤层反射波在水平切片中色彩将会出现颜色突变现象。6（3）采空区地震属性判识标志。地震属性是对地震数据的几何学、运动学、动力学和统计学特征的量度，地震属性分析技术是贯穿于应用研究、算法研究和综合软件系统的一种用来提取、存储、显示、分析、证实和评价地震属性的技术。地震属性的应用包括：由时间得到的属性能提供构造的信息；振幅属性能提供地层和储层的信息；频率属性能提供薄互层的

5、信息等。因为属性分析能够从空间上全局性地反映断层、采空区及陷落柱等构造的空间实际展布形态，被誉为地震解释的“放大镜”。在煤层沉积稳定，无采空区等地质异常分布，同时确保野外采集过程中无较大的“变观”存在，资料处理中严格按照”高信噪比、高分辨率、高保真度”原则进行的前提下，属性分析图片中，煤层的属性特征分布连续，当遇到构造、地质异常、采空区的分布在水平切片上表现为规律性的、有一定展布规律的色彩变化。2.2电性特征瞬变电磁法是一种时间域的电磁勘探方法。在地表敷设不接地线框或接地电极，利用阶跃波或其它脉冲电流场源激励，在大地产生过渡过程场

6、，断电瞬间在大地中形成涡旋交变电磁场，此涡流场随时间以等效涡流环的形式向下传播、向外扩展，利用不接地线圈、接地电极或地面中心探头测量。这种由地下介质产生的二次感应电磁场与地下介质的导电性有关，根据它的衰减特征，可以分6析计算地下介质的电性，从而可以判断它们的规模、产状等信息。当地层完整，没有采空区时，电阻率断面电性特征明显。当地下的煤层被采出后，在岩层内形成一个有一定规模的空间，与围岩相比，采空区的电阻率为无穷大。但是随着时间的推移，上覆岩层就会在地球重力的作用下逐渐断裂、塌陷，地下水就会侵入，采空区的电阻率随着发生变化，会出现相

7、对高阻或低阻异常区。对于未充水采空区将呈现相对高阻特征，通过对比区内地层的电性差异，可以寻找这种煤层采空区。对于充水采空区，由于地下水的流动性及电离作用，电阻率将呈现相对低阻的特征。分析对比电阻率参数，及区内地层的电性差异，寻找低阻异常区可以寻找含水采空区的分布和划分含水范围。2.3放射性特征当地下煤层被采出后其上覆岩层会破碎、断裂，形成一定规模的裂隙带，破坏了岩体中原有的天然应力状态，引起应力重新分布，在裂隙周边易形成一个应力松动圈（即应力降低了的区域）。这种情况往往会促使岩体内部的水分、气体由高应力区向低应力区转移。岩石破碎带

8、、断裂形成之后，改变了地下地质体的应力分布状态，促使地质体发生变形，从而改变了地下气体的运移与集聚环境，对氡气的运移与富集具有一定的控制作用。主要表现为三个方面：储气作用、集气作用和通道作用，通过上述种种作用，氡射气元素向岩石断裂破碎带运移，在裂隙