煤矿采空区地面综合物探方法

煤矿采空区地面综合物探方法
发表时间：2018-12-28T10:09:04.057Z 来源：《防护工程》2018年第28期作者：钱志强[导读] 比如:采空区边界范围分布不明确、地形复杂、采空区大面积积水等,需将多种物探技术综合应用。

北京勘察技术工程有限公司北京 100193 摘要：对煤矿采空区进行地面物探通常会有多种问题交叉存在,比如:采空区边界范围分布不明确、地形复杂、采空区大面积积水等,需将多种物探技术综合应用。

关键词：煤矿采空区；地面；综合物探；方法 1物探方法概述 1.1探地雷达法
该方法应用高频电磁波,通过宽频带短脉冲的方式,从地面经天线向地下传输电磁波,通过地层或地质异常体反射之后,重回地面,然后由接收天线进行接收。

其优势为,持续性好,能够推断介质结构,且分辨率高,能够进行无损检测,适用于极浅采空区。

1.2高密度电阻率法
该方法以岩石电性差异作为基础,能够快速、自动采集野外数据,工作效率高,且成本低,采集的信息丰富;该方法适用于地形比较平缓的浅层采空区;在无水采空区效果突出。

1.3瞬变电磁法
该方法以一个不接地的回线或磁偶极子向地下发射脉冲电磁,以此充当激发场源,然后基于一次脉冲电磁场间歇过程对线圈加以利用,通过接地电极观测二次涡流场的空间分布特征和时间特征,对采空区涉及的物性及几何特征进行解释。

优势是分辨率高、体积效应低、工作效率高;适用于采空区埋深<600m以及基岩大面积袒露的区域。

1.4地震法
地震法是利用介质间的波阻抗差异来进行探测的,当介质间的波阻抗差异越大,反射波的能量越强;反之波阻抗差异越小,反射波的能量越弱。

正常煤层由于与顶底板围岩波阻抗差异大,能形成能量较强的反射波;采空区由于煤层连续性发生破坏,反射波能量明显减弱或消失,反射波频率偏低、波形出现缺失、跳跃、紊乱或畸变现象。

煤矿采空区地震法探测主要分为浅层二维地震和三维地震,其中浅层二维地震法适用于地形较为平缓的浅层采空区勘查,三维地震适用于中深~深部采空区探测。

实践表明,地震法适用于采空区地表无松散层、声音干扰较小的区域,不受地面导体或高压线的干扰,对于房柱式采空区勘查具有明显优势。

近年来还发展了四维地震勘探技术。

1.5可控源音频大地电磁法和音频大地电磁法
可控源音频大地电磁法(CSAMT)和音频大地电磁法(AMT,代表性的为EH4电磁成像系统)均属于频率域电磁法,其中CSAMT由低频到高频全部采用人工场源、受场源影响收发距较大(一般5~10km)、测点分布需平行于供电电极AB方向、施工效率高;而EH4仅在高频段采用人工场源、收发距较短(400~500m)、测点布置灵活、因需频繁移动发射站点且进行张量测量,精度较高但施工效率低。

实践表明,CSAMT和EH4适用于中深采空区-深层采空区勘查,但易受地面导体或高压线的干扰。

2煤矿采空区地面综合物探方法应用分析 2.1极浅采空区物探方法的选择
极浅采空区使用的物探方法有两种:(1)探地雷达法。

针对采空区边界范围进行探测,通过单点测量方式将线距控制在10m范围内,点距控制在2m范围内;如探测区域地形平坦,可以实施连续测量;(2)高密度电阻率法。

针对采空区及其富水性进行探测,大多数情况下选择温纳装置,线距控制在10m范围内,点距控制在2m范围内。

采用高密度电阻率法进行煤矿采空区探查优势比较明显:首先能同时进行多电极测量,费用低廉且效率高,但也有其局限性,该方法对于高阻体中寻找低阻目标体的分辨率比较高,但是对高阻体中寻找高阻目标体的分辨率却比较低,针对该问题,在利用高密度电阻率法进行探查的基础上,进一步使用探地雷达法对难以分析解释的异常区进行更细致的调查,以获取目标区更精确的地质信息。

2.2浅层采空区物探方法的选择
在浅层采空区,可以使用浅层地震法对采空区的边界范围进行探测,此过程需利用机械震源及锤击,主测线距在20m范围内,联络测线距在100m范围内,道距在5m范围内;针对采空区及其富水性,可利用高密度电阻率法以及瞬变电磁法,将线距控制在20m范围内,点距控制在10m范围内。

瞬变电磁法在进行采空区探查过程中不受地形影响,且对高阻层和低阻层分别具有高穿透力和高分辨率,工作效率高。

而浅层地震法操作灵活采样间隔小,相对瞬变电磁法他能有效反映煤矿采空区的地质状态。

2.3中深采空区及深层采空区物探方法的选择
在中深采空区,针对采空区及其富水性,可采取三联物探方法,即“地震法+瞬变电磁法+可控源音频大地电磁法与音频大地电磁法”,对采空区边界范围主要采用地震法探测,将主线线距控制在40m范围内,联络线线距控制在200m范围内;富水性采空区采用瞬变地磁法、可控音频大地电磁阀与音频大地电磁法探测,将线距控制在40m范围内,将点距控制在20m范围内。

在深层采空区,使用四联物探方法,即:“地震法+瞬变电磁法+可控源音频大地电磁法与音频大地电磁法+大定源瞬变电磁法”,针对采空区边界范围利用三维地震法进行探测;针对采空区及其富水性,利用瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法与音频大地电磁法进行探测,将线距控制在60m范围内,将点距控制在30m范围内。

3煤矿采空区地面综合物探方法优化 3.1极浅采空区
宜采用探地雷达法和高密度电法。

探地雷达法主要探测采空区边界范围,采用单点测量方式时,线距不大于10m,点距不大于2m,地形平坦区域可采用连续测量;高密度电法主要探测采空区及其富水性,多采用温纳装置,线距不大于10m,点距不大于2m。

3.2浅层采空区
宜采用浅层地震法、瞬变电磁法和高密度电法。

浅层地震法主要探测采空区边界范围,可采用锤击或机械震源,主测线线距不大于20m,联络测线线距不大于100m,道距不大于5m;高密度电阻率法和瞬变电磁法主要探测采空区及其富水性,线距不大于20m,点距不大于10m。

其中高密度电阻率法多采用温纳装置,瞬变电磁法多采用中心回线或大定源装置。

3.3中深采空区
宜采用地震法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法和音频大地电磁法。

瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法和音频大地电磁法主要探测采空区及其富水性,线距不大于40m,点距不大于20m;地震法主要探测采空区边界范围,采用炸药震源或可控震源,二维地震法主测线线距不大于40m,联络测线线距不大于200m,道距不大于10m,三维地震法CDP网格不大于5m×10m。

3.4深层采空区
宜采用三维地震法、可控源音频大地电磁法、音频大地电磁法和大定源瞬变电磁法。

三维地震法主要探测采空区边界范围,采用炸药震源或可控震源,CDP网格不大于10m×10m;可控源音频大地电磁法、音频大地电磁法和瞬变电磁法主要探测采空区及其富水性,线距不大于60m,点距不大于30m。

3.5重点注意事项
(1)地形起伏较大、地表存在游散电流、地表电性差异较大、接地电阻较大或目的层上部存在高阻覆岩区域,不宜采用高密度电阻率法。

(2)地面导体分布较多区域、高压线附近区域、目的层上部存在大范围低阻覆岩的区域,不宜采用探地雷达法。

(3)地面导体或高压线分布区域、目的层上部存在大范围低阻覆岩区域,不宜采用瞬变电磁法。

(4)地表松软、震动干扰较强区域不宜采用地震法(浅层二维地震和三维地震),地形起伏特别剧烈区域,不宜采用浅层地震法。

(5)地面导体分布较多区域、高压线附近区域、地表电性差异较大区域,不宜采用可控源音频大地电磁法和音频大地电磁法。

结论
煤矿采空区地面物探方法较多,如探地雷达法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、地震法、可控源音频大地电磁法与音频大地电磁法等。

在采空区探测过程中,需根据采空区的不同特征选择合适的方法,以提升物探工作效率及质量。

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