煤矿采空区的地球物理特征探讨

来源：中矿岩土研究院时间：2023-04-20 11:31 热度：

在煤矿采空区的勘察、稳定性评价、治理过程中，大部分小煤窑均难以找到准确的地质资料，而兼并重组整合煤矿更是普遍存在地质勘查工作程度低、地质情况不明的现象，对于安全生产、有效治理都有极大的负面影响。因此，进行采空区探测工作十分必要，除常规的利用钻探进行检测外，目前利用物探法探测采空区的相关案例也越来越多，常用的方法有三维地震法、瞬变电磁法、高密度电法、综合测井等。在利用物探法对采空区进行探测前，有必要对目标采空区的地球物理特性进行分析，这也是物探法施工的三大前提条件之一。
1 采空区形成机理
地下煤层采空后形成具有一定几何规模的空间称为采空区。采空区的出现使得周围岩体原有应力平衡状态遭到破坏, 上覆岩层失去支撑, 产生移动变形, 直到破坏塌落。随着煤层开采面积的扩大, 上覆岩层自下向上直至地表逐次产生移动、变形、破裂等, 由此引起采空区塌陷、回填及地面塌陷下沉。随着开采的终结及时间的变化, 当应力重新分布并达到新的平衡时, 岩层与地表移动才会终止。以煤层采空塌陷区为例，可将它分为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。

煤层采空区三带示意图

2 采空区地球物理特征

对于正在进行开采的采空区来说，冒落带、裂隙带不发育, 当采深比较大时, 采空区引起的地球物理异常非常弱, 探测的效果也较差。对于开采后废弃的采空区而言, 其上覆岩层已达到新的应力平衡状态, 冒落带、裂隙带均已发育成熟，扩大了异常范围, 有利于采空区的探测。

2.1 波阻特征

在大部分工程项目中，采用地震类物探方法进行探测时都只关注介质的波速特性，实际上，影响地震信号传播的是波阻抗，即波速和密度的乘积。煤层与其顶底板岩层普遍存在着较大的波速和密度差异，可视为一个非常明显的波阻抗变化界面，能够形成可检测的反射波。由于采空区的存在，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变形、强度变低，直到反射信号消失。同时，煤层顶部结构的不规则破坏，也将产生各种低频干扰。
除常规的二维或三维地震勘探外，近年来也有部分工程采用面波勘探。当采空区上覆岩层未发生塌陷并以空洞形式保存下来时, 瑞雷波传播到断裂、破碎和空洞位置时会突然消失或发生散射, 在频散曲线上反映为在采空区顶板处有明显的“之”字形拐点, 且速度迅速下降；当采空区发生塌陷后, 引起煤层上部地层结构疏松, 使得传播于其中的瑞雷波速度降低, 在频散曲线上反映为受影响地段内瑞雷波速度显著降低。

2.2 电性特征

当地层完整，没有采空区时，电阻率断面图在横向上一般表现出成层性和完整性，同一地层的电性差异相差不大。当地下的煤层被采出后，短期内会形成一定规模的充气空间且无填充, 其电阻率较围岩高。但是随着时间的推移，上覆岩层就会在重力的作用下逐渐断裂、塌陷，地下水就会侵入，采空区的电阻率随之发生变化。对于充水采空区，由于地下水的流动性及电离作用，采空区呈低电阻高极化特征。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。分析对比电阻率参数及探测区域内地层的电性差异，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。除电阻率外，采空区的介电性也会发生变化，但是相应的探测方法（如地质雷达法）探测深度普遍较浅，应用较少，本文不对其进行过多介绍。

2.3 放射性特征

采空区的放射性特征应用较少，一般用于综合测井探测工作或地表检测工作。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。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、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，在裂隙集聚，形成一个与采空区形态接近的氡异常区。通过能谱测量方式可以获得氡浓度的信息（实际是测量氡衰变所释放的γ射线的强度），达到圈定采空区位置和范围的目的。

3 结论

根据不同采空区埋深，可以选择不同方法组合进行勘探。经过长时间生产实践发现，在电磁环境较差、高压线和人文设施等电磁噪声较大的区域，瞬变电磁法的效果并不理想。由于我国现代化进程比较快、矿业开采比较发达，大部分勘探区往往存在较强的电磁干扰，而强噪声背景下的弱信号往往蕴含着重要信息。针对这一问题，当前主要有利用相关分析、小波分析等算法来进行TEM弱信号的提取的软解决方案、改变仪器设备（如OCTEM）等硬件解决方案等发展方向。除此之外，利用高密度电法进行采空区探测的技术也较为成熟，但是受限于测线长度，一般有效探测深度较浅，很少能超过200m。利用地震勘探技术探测煤田采空区位置和范围在生产实践中取得了很好的效果，但是对于采空区下组煤的探测还处于探索研究阶段，这也将是三维地震勘探技术发展的一个方向。利用放射性、重力等进行勘探的工程案例也时有发生，但是总体效果一般，单一应用时局限性较大。未来，利用多种勘探方法组合，进行采空区平面位置、埋藏深度、发育特征的精细探测势必为采空区勘探的发展趋势之一。

煤矿采空区的地球物理特征探讨

2 采空区地球物理特征

2.1 波阻特征

2.2 电性特征

2.3 放射性特征

3 结论

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