郝召敏 王志强 吴有信(安徽省煤田地质局物测队 安徽宿州 234000)
近年来,我国煤矿连续发生重特大灾害事故的惨痛教训表明,安全是煤炭工业和煤炭企业发展的前提和保证。但是随着煤炭开采深度的加大,煤矿地质、水文、构造和煤层赋存状况等问题给矿井生产带来的地质灾害日益突出。矿井地质灾害复杂多样,在煤炭开采过程中,煤层构造(断层)、陷落柱、含水层(体)、异常体(火成岩、煤层顶底板岩性等)是不可忽视的灾害性地质异常体。运用综合物探方法防治煤矿地质灾害与地质风险的优势明显,高分辨率三维地震勘探、电法勘探等综合物探技术以其独具的信息量大、分辨率高、控制网度密等优点,使得较准确地探测小规模构造、断层、陷落柱、含水体等地质异常体成为可能。
1.煤矿地质灾害中几种常见的问题
A.含煤地层的构造水和断层导水
在横向上,沉积地层的电性正常情况下是均一的或变化不大,覆盖层、煤系地层及下伏奥灰岩层沉积序列清晰、稳定;纵向上视电阻率依次增高,而横向上电性差异较小。当存在富水性的断层构造或其它良导电地质体时(比如断层破碎带富水,灰岩内冲水溶洞、裂隙、陷落柱等),都将打破地层电性在横向上的均匀性和纵向上的正常递变规律,为使用电磁法探测富水地质体提供了条件。
B.陷落柱问题
一般认为,煤田陷落柱的形成与奥灰岩溶裂隙有关,由于岩溶裂隙的发育和扩大,周围地层受重力作用二塌落下沉,因此,陷落柱内部充填物常常成分复杂,比较松散,正常的地层沉积岩层序被打乱,陷落柱与煤层的接触边界两侧存在着明显的密度、速度、电性、放射性等物性差异。由于陷落柱大小不等,孤立出现,规律性差等特点,采用地球物理勘察是较为经济合理的手段。(见图1)
图1 陷落柱在视电阻率等值线拟断面图上的反应
C.煤矿采空区问题
当地下煤体局部被采出后,在岩体内形成一个有一定规模的空间,使周围的应力平衡状态遭受破坏,产生局部的应力集中,采空区顶板在上覆岩层压力的作用下,发生变形、断裂、位移、冒落,形成一个高阻电性体与围岩电性形成较明显的差异。在地下水的充填及地表水沿裂缝向采空区渗漏时,其电阻率将明显发生变化,形成一个低阻电性体,也与围岩电性形成较明显的差异。煤层顶板以砂岩为主,电阻率较低,一般为10~50.m,而煤层电阻率较高,一般为100~500.m。在地层没有被破坏的情况下,地层电阻率由低到高规律性变化。充水的采空区具有低阻、高极化率的电性特征。这种情况下采空区的判识标志比较明显;当采空区不充水时,由于空腔的存在而出现高阻特征。这样就为电磁勘查采空区破坏区提供了前提条件。
2.矿井地质灾害与风险的勘探方法
A. 采空区含水(陷落柱)勘探方法
为了分析TEM探测地下煤矿采空区、陷落柱等异常地质体的能力,分析煤矿地下异常体的电磁响应,根据煤矿采空区的特征进行了数值模拟计算工作。根据煤矿的实际情况,设计了采空区高阻和低阻模型。
假设情形为两层采空区均为高阻,上层采空区为高阻、下层采空区为低阻,两层采空区均为低阻,上层采空区为低阻、下层采空区为高阻,依次进行试验,图3、图4为两层采空区均为高阻的试验情形:
图2 煤矿采空区模型
① , 图3 煤矿采空区3D模型(采空区均为高阻)
图4 正演模型多测道图及断面图(采空区均为高阻)
模型1:该地层分五层,第一层厚度为120m,电阻率为75Ω·m,第二层是煤层,厚度为5m,电阻率为400Ω·m,,煤层中间夹不充水采空区,厚度为5m,电阻率为2000Ω·m,第三层厚度为50m,电阻率为90Ω·m,第四层是煤层,厚度为5m,电阻率为400Ω·m,煤层中间夹不充水采空区,厚度为5m,电阻率为2000Ω·m,第五层电阻率为150Ω·m。
通过模型与计算结果的对比,对于两层采空区均为高阻的情况,电压多测道曲线从第四道开始就有异常显示,表现为曲线下凹,表明由于局部高阻体的存在,使得电压衰减加快。电阻率断面也有局部高阻异常显示。
当上层采空区为高阻,下层采空区为低阻时,第一层厚度为120m,电阻率为75Ω·m,第二层是煤层,厚度为5m,电阻率为400Ω·m,,煤层中间夹不充水采空区,厚度为5m,电阻率为2000Ω·m,第三层厚度为50m,电阻率为90Ω·m,第四层是煤层,厚度为5m,电阻率为400Ω·m,煤层中间夹充水采空区,厚度为5m,电阻率为5Ω·m,第五层电阻率为150Ω·m。
对于单层充水采空区,多测道曲线异常表现明显,电阻率断面图低阻异常明显,说明一高一低两层采空区的情况下,低阻异常要比高阻的明显,而且低阻异常范围比低阻体大。
当采空区均为低阻时,第一层厚度为120m,电阻率为75Ω·m,第二层是煤层,厚度为5m,电阻率为400Ω·m,,煤层中间夹充水采空区,厚度为5m,电阻率为5Ω·m,第三层厚度为50m,电阻率为90Ω·m,第四层是煤层,厚度为5m,电阻率为400Ω·m,煤层中间夹充水采空区,厚度为5m,电阻率为5Ω·m,第五层电阻率为150Ω·m。