物探方法在煤矿采空区的应用

李晓斌

(煤炭科学研究总院,北京100013)

煤矿采空区是引起地质灾害的主要原因之一,它不仅造成了当地地质环境的恶化、地面塌陷、居民房屋倾斜裂缝、耕地破坏、地面积水、生态环境脆弱等,甚至诱发滑坡和泥石流等,危害到人民的正常生活和生产,而且严重的影响到当地的经济的可持续发展和社会稳定。物探方法 (地球物理探测)是利用目的物与周边介质的物理性质差异,运用适当的地球物理原理和相应的仪器设备,通过分析研究观测到的物理场,探查地质界限、地质构造及其他目的物或目标的勘探方法,或者是测定地质体或地下人工埋设物的物理性质或工程特性的测试方法。对于煤矿采空区的探测,较其他方法,物探方法高效、经济、施工灵活、信息丰富等优点,可以取得较好的探测效果。利用地球物理方法探测煤矿采空区是主要手段之一,根据煤矿采空区或空洞地球物理场的特征,其物探方法主要有直流电法类、电磁法类、人工地震类及放射性等。

1 煤矿采空区地球物理特征

由于历史多种原因,我国目前已形成的煤矿采空区或小煤窑大多集中在50～200m,煤层采厚为1～4m。地下煤层被开采厚,在地下形成了空洞,破坏了原本平衡的地下应力系统,产生局部应力集中,覆岩在应力的作用下发生了变形、断裂、位移和冒落等,并重新达到了应力平衡,在采空区上形成了“三带”,如图1所示。

图1 煤矿采空区垮塌“三带”示意图

跨落带:煤层踩空上部岩层出现塌落。

断裂带:塌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,两侧受到剪应力,因而岩体出现大量裂隙,岩石的整体性受到破坏。

弯曲带:断裂带以上到地面,在自重应力的作用下产生弯曲变形,而不再破裂。

如果采空区较深,煤层较薄,且上覆岩坚硬,则垮塌的可能性较小,即使垮塌下身,对地面的影响也较小;反之,则对地面的影响较大,尤其是当采空区尚未充填密实,如果建造高层建筑将诱发地基继续深陷。

冒落带由于塌陷作用,使其物性发生变化,增大了目标体的规模,有助于采空区探测。其发育高度与上覆岩及采厚有很大的关系,对于中硬性上覆岩的经验计算公式为:

式中,Hli为导水裂缝带高度 (m);∑M为煤层累计开采厚度;±6.3为计算中误差,与岩性有关。

1.1 采空区地震波特性

通常情况下,由于煤层与围岩存在着明显的波阻抗差异,当煤层具有足够厚度时,便可形成良好的煤层反射波。但煤层采空及其上覆岩遭受破坏后,在地震时间剖面上必然是反射波组的中断或消失,同时煤层顶部结构的不规则破坏,也将产生各种低频干扰。这些特性可作为识别采空区是否存在的标志,但多大范围的采空区在时间剖面上才能反映,这个问题依赖地震记录的横向分辨率。在水平叠加时间剖面上,地震记录的横向分辨率取决于第一费涅尔半径 ri大小,即地震波横行分辨率的极限。

式中,v为平均速度;t0为反射波的双程旅行时间;f3为地震波的主频。

由式 (2)可知,横向分辨率随深度的增加而降低,随频率的提高得到改善。换而言之,深部的地质体必须在横行上有较大的延伸长度才能与浅层较小的地质体产生同样的地震效应。在地震记录信噪比较高的情况下,若采空区的尺度大于或等于第一费涅尔半径,才能在水平叠加时间剖面上识别采空区。反之,则无法识别采空区。

煤层的采空区或塌陷区与完整的地层相比,地层变得疏松,密实度降低 (即单位体积内介质密度降低),同时使传播于其中的地震波速度下降。由于采空区形成的断裂、破碎、空洞等使得瑞利波传播到这些位置时,将突然消失或发生散射。当采空区未发生塌陷时,以空洞的形式保存下来,瑞利波传播到这些位置时突然消失或产生散射,在频散曲线上反映为采空区顶板处明显的“之”字形拐点,引起煤层上部地层结构疏松,使得传播于其中的瑞利波速度降低,在频散曲线上反映受影响的地段内瑞利波速度显著降低,依据这一特性可以在横向上确定塌陷区的范围,在纵向上确定塌陷影响的范围。

1.2 采空区及塌陷区电性特性

电阻率特征,从理论上讲,当煤层被采空以后,短期内形成一定规模的充气空间,造成采空区相应的电性与围岩电性不同,经过一段时间后,采空区上方岩层在重力作用下发生塌陷变形,致使岩层破碎并出现裂缝,地下水便从破碎岩层和裂缝向采空区汇集并溶解大量的电解质。在水解作用下,岩层中的钙、铁离子等呈游离状态存在。因此充水采空区具有低阻高极化率的电性特性。由于跨落、断裂及离层的存在,围岩具有电阻率高、低极化率的特征,形变越大,电阻率越高。当断裂带不充水时,出现高阻特征,充水时,呈现低阻特征,据此可确定充水采空区的边界范围。

电磁波特征,当地下采空区分布极不规则,无充填,只保留煤柱。停采后,经过多年的风化,可能使煤柱遭受破坏,导致整个采空区的顶板塌落,并逐渐发展到地表,引起地表开裂塌陷。鉴于地下塌落区岩体介质较松散,在应力拱的作用下,可能存在有一定规模的断裂。由于这两个原因,导致存在两种界面:一是岩体介质与空气或地下水的界面;二是致密岩体与松散岩体的接触界面。这两种界面都存在明显的电磁性差异,导致雷达波在传播过程中产生反射,可产生明显的反射界面。利用这一特性,即可圈定出采空区的分布范围,确定其埋深。瞬变电磁异常在采空区表现为低阻、高感应、高纵向电导。

2 采空区地球物理探测方法

一般而言,利用地球物理探测技术探测煤矿采空区,除了埋深外,采空区的探测在很大程度上依赖其上覆岩的破坏程度,应综合考虑其复杂性与多变性。

①采空区上方裂隙带发育的范围与采空区面积有关。对正在进行开采的采空区,冒落带、裂隙带不发育,其电阻率表现为高阻特性,波速表现为低速;当采深比较大时,用地球物理方法探测具有一定的困难。②开采后废弃的采空区,其上覆岩已发生了充分的形变,并达到新的应力平衡状态,冒落带、裂隙带均已发育成熟。当采空区充水时,表现为低阻特性;当采空区不充水时,表现为高阻特征。③采空区的物理特性随时间变化的,最终在平衡后趋于稳定。在采空区冒落带、裂隙带稳定前,其电阻率随稳定程度而变化。这种变化受多种因素的影响,如冒落带及裂隙带范围、围岩岩性、充填性及含水程度等。因而,在探测时,应充分考虑其复杂性及多变性。

对于刚刚形成的采空区,冒落带、裂隙带等不发育,其电阻率一般为高阻特性,地震波速具有明显的波阻抗特性。对于煤层开采较深、水文地质条件相对简单的采空区,其地球物理方法探测具有一定的困难。随着时间变化,当应力趋于新的平衡稳定,采空区的地球物理特性将发生变化,如冒落带、裂隙带等均已发育成熟,甚至采空区中充水等。这些复杂性和多变性在选用地球物理方法时要充分考虑。

2.1 地震探测方法

在煤矿采空区探测中应用较多的是地震探测方法,具有勘探精度较高、效果好的特点,但是成本相对较高。浅层折射法在覆盖层探测中具有技术优势,由于煤矿被采空,在地震反射记录上,形成煤层反射波的地球物理前提已不存在,因此煤层反射波的缺失是解释采空区的依据之一,如图2所示。另外,煤矿采空区使其在地下地质结构中形成一个物性与周围界质差异很大的不均体。因此在煤层采空区,即使在地震记录上接收不到反射波,但仍能接收到该不均匀体 (煤层采空区)的背向散射波。因此散射波也是解释采空区的另一特征。

另外,煤层被采空后,在其上方及周围形成了冒落带、裂隙发育带及受其影响产生的地表变形带。由于煤层采空区的存在,改变了地层的速度结构众所周知,横波速度 (Vs)是反映土体力变性质的指标。天然源面波勘探是研究地下介质横波速度结构的有效方法,煤层采空区的存在将会在面波频散曲线上形成较大的“之”字型回折,而正常地层的频散曲线则较平滑 (图3)。图3(a)是未被采空地段的频散曲线,可见煤层未被采空区的频散曲线较光滑。图3(b)煤层是被采空后的频散曲线,在埋深130m处有一较大的“之”字型特征。

图2 地震勘探D1线地震反射时间剖面

天然源面波勘探 (即微动勘查)是一种物探新技术,众所周知,我们生活的地球无时无刻不在震动,只不过这种震动太微弱,我们感知不到,这种震动来自两个方面:一是气压、海浪、潮汐产生的低频震动;二是各种人文活动也产生较高频率的震动。经研究得知,微动是一种平稳的随机过程,且面波占整个能量的70%以上,而面波又不同于体波具有频散现象。利用这一特征采用观测到微动的数据经处理后可得到频散曲线,并用此来解释地下的地质结构。一般而言,为了调查采空区对近地表土体的影响程度,选择多道瞬态面波勘探。

2.2 电法探测方法

电阻率法通过测量流过埋置在地表的电极间的电流所引起的电压的空间变化,来直接测量大地的总电阻。该类方法对孔隙流体化学含量的变化敏感,但不提供大地力学性质的直接信息,通常无法达到地震反射法所能达到的精度。然而在正常情况下,电阻率法和地震法相比,却有着极大的成本优势。电法和电磁法勘探的解释工作通常要求使用反演程序生成一个与数据相符的模型。在煤矿采空区勘探中的直流电阻率法 (高密度)测量结果如图4所示。

煤矿采空区中应用广泛的另一种电法是瞬变电磁法,电阻率法之所以被电磁法取代,是因为电磁法能更快地提供大致相当的信息,却无须使用与大地接触的电极,如图5所示。图3与图4是同一测线分别利用高密度电法和瞬变电磁法的地质反演成像图,可明显看到两者对采空区有相当的效果。然而,瞬变电采极易受到周围环境干扰。

图3 频散曲线 (微动面波勘探)

图4 煤矿采空区高密度电法测量结果

图5 煤矿采空区瞬变电测量结果

3 结论

煤矿采空区是导致地质灾害的主要原因之一,必须加大其勘探力度,为防止产生地面塌陷等,以及煤矿采空区主要治理措施提供可靠的依据。采取物探工作先行的技术路线,可以获取更多的信息。煤矿采空区的探测不仅对地质灾害治理具有重要的参考价值,也可用于煤矿采空区的“三带”评价、煤矿水文地质划分、环境评估和评价效果等具有较高价值,为煤矿安全生产提供可靠的保障。采用多种方法相结合的综合手段,合理布置勘探工程,减少勘探工作量,降低勘探成本,已经成为煤矿采空区勘查的重要技术方法,并且在实际中亦取得了较好应用和效果。

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