摘要：煤矿多层采空区地层结构复杂，在采空区的探测中单一物探方法的结果存在局限性和多解性，而且下伏采空区异常信息常受到顶层采空区的影响，导致常规方法可在一定程度上探明顶层采空区，但无法有效探测下伏采空区分布范围。在介绍了地震映像法和瞬变电磁法的基本原理和各自特点的基础上，结合济东煤田某煤矿的勘察实例，研究综合探测煤矿多层采空区应用效果。经钻孔验证综合探测结果可靠。研究结果表明通过地震映像法和瞬变电磁物探方法的综合应用能够有效探测多层采空区空间分布范围。
关键词：地震映像法；瞬变电磁法；多层采空区；综合探测技术；
采空区作为人类活动产生的潜在地质灾害之一，给工程建设和人民的生命财产安全造成严重的威胁。部分煤矿在大规模开采后形成多层采空区，多煤层的开采区域分布相对复杂，且地下岩层的因煤矿开采受到扰动，岩体出现变形和开裂。在未做支护的采空区甚至引起大面积的垮塌，引起层状介质无序变化，增加了地球物理探测的难度。目前关于多层采空区方面的探测研究和工程应用相对较少，大多数物探方法仅能在一定程度上探明顶层采空区范围，无法实现对各个煤层采空区的有效探测。因此多层采空区的探测是一个亟待解决的工程问题。
1 工程地质概况和地球物理特征
1.1工程地质概况
某煤矿位于泰山背斜的北翼，为山前冲洪积平原，地势较平坦，地形起伏较小。开采煤系属华北型石炭—二叠系地层，煤系地层沉积基部为中奥陶统，整体由南向北倾斜。该煤矿区包含3个开采煤层：煤3层、煤9层和煤10-2层。地下水主要赋存于煤3层采空区和煤9层采空区以及第四系含水层。第四系含水层与下伏各含水层露头接触，为煤系各含水层的补给源之一。
1.2地球物理特征
煤矿区在开采后形成两类采空区，一类是在支护充分或者开采时间较短时，采空区未坍塌填充空气或者充水；另一类是采空区未做好支护导致顶板坍塌，形成冒落带、裂隙带，导致大量松散顶板岩块、粘土碎屑等充填。采空区顶部岩层受到破坏和扰动，岩体破碎，产生大量碎石、裂缝和裂隙，导致岩体波速和密度同完整围岩相比存在很大的差异。因此采空区的地震时间剖面会表现出反射波（组）中断，反射波频率降低以及波形不规则、紊乱甚至产生畸变等特点。当采空区范围内充水时，电性剖面呈现局部低阻的情况；当采空区充水量较少或者无水时，电性剖面呈现局部高阻的情况。由于探测区域煤系各含水层的补给源充足，地下采空及塌陷区可能会大量充水，在电阻率剖面上将表现低电阻率值，能够明显区别于围岩较高的电阻率值，为瞬变电磁法勘探提供很好的物性差异条件。
2方法原理
2.1地震映像法
地震映像法是基于反射波法中得最佳偏移距技术的一种浅层地震勘探技术。野外数据采集装备简单，数据采集速度快，采集方式灵活，可利用不同类型波作为有效波，资料处理简单，可避免因处理产生较大误差。地震映像反射波法观测系统见图1。在现场勘探前需经场地的现场试验工作确定最佳偏移距L。按观测点距移动震源并保持相同的偏移距L，每次激发单道接收，为提高信噪比可多次激发叠加记录。按照设计测线进行数据采集，便形成等偏移距连续地震波时间剖面。根据地震时间剖面上表现出反射波（组）中断，反射波频率降低以及波形不规则、紊乱甚至产生畸变等特征判定地下异常体位置和产状。
图1 地震映像反射波法
2.2瞬变电磁法
瞬变电磁法是一种时间域人工源的电磁法，受地形影响小，工作效率高，具有相对较高的抗干扰能力和分辨率，目前广泛应用于采空区的探测，尤其对积水采空区探测具有明显优势。此方法在地面铺设不接地回线或者接地电极，对铺设装置发射阶跃电流，在断电时激励大地产生感应涡流场，通过不接地线圈或者接地电极探测二次涡流场（电场或者磁场）随时间的衰减情况，从而获取地下介质电性信息。
3采空区综合探测分析
3.1现场施工方法
本次地震映像法选用的勘探设备为HX-DZ-02A型多道数字高分辨率地震仪，用100Hz检波器采集地震记录。经试验得到最佳偏移距为15m。大定源回线装置，发射外框大小为240m×240m，发射频率为25Hz。测线走向为东西向，完成测线共计10条，全区物理点387个。
3.2地震映像反射波法探测结果分析
地震映像法勘探实际测线29条。推断为采空及塌陷区位置反射波同相轴呈弧形弯曲、发生错断或者缺失，反射波形杂乱无序。根据收集的地质资料，推测顶层的位于水平距离在80~187m范围的异常区为3层煤采空区，位于靠近断层F两侧异常区为9层煤采空区。标高在-30m，水平距离30~90m范围的异常区为10-2层煤采空及塌陷区。
3.3瞬变电磁法探测成果分析
瞬变电磁法对煤矿采空及塌陷区的推断解释主要依据反演的视电阻率断面等值线图。本次瞬变电磁测线为10条，通过反演获得相应的视电阻率剖面图。在标高-18m附近有2个低阻异常，分别位于水平距离155~190m、240~278m点之间，推测为富含水的煤9采空区。图中在210~240m范围电性层位发生突变，推测为断层或者断裂带F（红色斜线）工程地质钻孔勘探结果与综合物探推断结果基本一致。
3.4综合物探结果分析
煤矿各层采空区分布范围的推断主要依据地震映像反射波法和瞬变电磁法的探测结果。每种物探方法有其各自的特点，地震映像反射波法对多层采空区的勘探成果相对直观，能够直接反映出采空区的顶板深度，但有效探测深度受震源激发能量的限制。瞬变电磁法对低阻异常体反映灵敏，探测深度较大，可弥补地震映像法因人工震源能量较弱导致勘探深度不足的缺陷，但分辨率相对较低。总体来讲，2种方法均能反映顶层煤矿采空区范围，反演剖面的异常位置吻合较好，但是对于深层，尤其是地下同时存在多个采空煤层时，各层的介质异常信息互相影响，单一勘探方法无法有效区分。多层采空区解释方法是以地震映像法的解释成果来确定采空区深度，以瞬变电磁法的勘探成果补充修正含水采空及塌陷区分布范围，进一步细化采空区范围和形态。同时结合地质资料和后续的钻孔成果给出合理的地质解释。
结束语：
综上所述，煤矿区的多层采空区分布复杂，场地不稳定的因素较多，严重影响地面建筑和各类结构设施的稳定性以及人民生命财产安全。本文结合济东煤田多层采空区的工程实例，分析了地震映像法和瞬变电磁法的综合探测效果。研究结果表明，采用地震映像法和瞬变电磁法相结合的方式是有效探测多层采空区的物探组合。尽管地震映像法和瞬变电磁法在多层采空区上取得了较好的效果，但对多个采空区并存的区域，各层采空区的异常特征互相影响导致分辨率降低。在具体推测非顶层采空区空间范围时要注意顶层采空区的对下伏采空区异常特征的影响。
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论文作者:石立文
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/25
标签：采空区论文; 映像论文; 电磁论文; 多层论文; 煤矿论文; 物探论文; 反射论文; 《基层建设》2019年第3期论文;