综合物探技术在煤矿采空区的应用研究

【摘要】：近年来,煤炭资源大规模开采和利用,带来巨大经济效益和社会效益的同时,煤炭的过度开采已使地下形成了大量的采空区,煤矿采空区导致大面积地表沉陷,地面建筑物、交通设施、生活基础设施、土地等遭受到严重破坏,给矿区人民生活和生产带来极大的威胁,对我国经济建设和社会稳定造成严重的影响和危害。因此,查明采空区的具体情况,避免塌方、突水、顶板冒落等灾害性地质现象的发生,就成了当前亟待解决的问题。 地球物理方法由于具有高效、无损等特点,在采空区探测中得到广泛应用。但由于采空区的形成年代、埋藏深度、空间结构、围岩条件等一般存在较大差异,使得不同采空区的物性反映也呈现出很大的差别,因而基于物性差异为基础进行探测的各种物探方法对不同采空区探测的适宜性和效果也存在一定差别。目前国内外对采空区进行探测的物探技术较多,各探测方法具有一定的效果但也存在局限性。如地质雷达分辨能力强但深度有限,地震和瑞利波分层能力强,但对是否充水反映不明显,直流电法受接地条件和地形起伏影响较大,瞬变电磁法受地形影响小,对煤矿采空区积水探测效果较好,但对高阻异常反应不明显。针对不同采空区的物性特征,研究适合其具体条件的有效物探探测技术,并辅以必要的钻探进行验证是目前国内解决此类问题的主要技术途径。 本文从煤矿采空区的基本特征出发,首先对采空区的地表变形特征、水文特征和地球物理特征进行了讨论和详细的分析,并对煤矿采空区各特征之间的影响和联系进行了总结;然后对高密度电阻率法的数据采集、野外布设和数据处理进行了详尽的阐述,内容主要包括极距的选择、电极布设、坏点剔除、数据拼接、地形校正和正反演计算等;接着对瞬变电磁法的常用装置进行了简述,总结了瞬变电磁法各装置的特点,从瞬变电磁法的基本原理出发,对水平层状均匀介质条件下中心回线装置的瞬变电磁响应进行了重点讨论,并对瞬变电磁场的基本特征、瞬变电磁法的数据采集和处理进行了阐述,主要包括滤波处理、地形影响及校正、正反演计算;最后结合工程实例,以高密度电阻率法、瞬变电磁法为主,地震反射波法为辅,对煤矿采空区进行探测,取得了以下几方面的研究成果: 1、高密度电阻率法较好地反映了煤矿采空区的分布状态。由于采空区引起顶板节理裂隙及拉裂裂隙,导致在高密度电阻率反演图上,出现高阻异常范围较采空区范围大(采空区上部出现高阻异常);当采空区充水后,在高密度电阻率反演图上出现低阻异常。总体而言,高密度电阻率法能较好地反映浅部地质信息,对采空区有较好的电性反映。 2、瞬变电磁法也较好地反映了煤矿采空区的分布状态。在瞬变电磁剖面图上,同样出现异常范围大于采空区范围的结果,这是由于采空区的顶板节理裂隙及拉裂裂隙所致。为了较好地反映电阻率异常在垂向上的变化,编制了电阻率平面等值线图,也较好地反映了采空区的分布状态。 3、在高密度电阻率反演图、瞬变电磁剖面图上,采空区上部均不同程度地存在高阻异常,该高阻异常传递了采空区的存在信息,从而圈定了采空区的平面范围;在瞬变电磁断面图上,采空区的存在会引起视电阻率等值线异常波动,这些信息可作为圈定采空区平面范围的基本标志。采空区勘查较有效的方法组合为瞬变电磁法加高密度电阻率法同线布设相互补充,辅以人工浅震加以验证,由于采空区周边岩层不完整性,导致视电阻率异常范围大于采空区范围,当引用物探资料时应以瞬变电磁为主,高密度电法和浅层地震为辅,对于埋深小于100米,煤层厚度小于10米的缓倾煤层条件下的采空区,最有效的物探方法为高密度电法、瞬变电磁法,浅层地震反射波法应作为参考。