煤矿采空区探测研究范文

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《能源技术与管理杂志》2015年第二期

1高密度电阻率成像法的基本原理

高密度电阻率成像法是电剖面法和电测深法的组合，以地层的导电性差异为基础，研究人工电场作用下地层中传导电流的分布规律。在野外数据采集时多采用三电位电极系来获得丰富的地电信息，三电位电极系是一种由温纳装置、偶极装置及微分装置按一定方式组合后构成的统一探测系统，探测过程中可以通过转换电极开关在一个测点上得到多种电极排列的装置参数，各种装置探测视电阻率的计算公式分别为。现场探测工作进行时，首先选取a为基本点距进行剖面测量，然后在改变A、M、N、B之间的相互位置情况下，再进行剖面测量。一般情况下，令AM=MN=NB=na（n=1，2，3……），不论n等于多少，每次剖面测量时向前移动的距离均为a［5］。每组视电阻率ρa值表示该组装置的中点正下方AB/2处，如图2所示。

2综合电阻率法的地球物理响应特征

由于煤矿采空区会使深部地层及浅部地层的连续性遭到破坏，使得采空区上覆地层的电性特征发生变化，根据裂缝发育程度和含水性特征可以判断地层的电性特征。一般情况下，若采空区上覆地层裂隙较为发育且不含水时，地层电阻率将会大幅度升高，而当裂隙、裂缝中大量充水时，地层的电阻率将有所降低，其降低的程度与富水程度有关；若采空区上覆地层裂缝不发育，则地层的电性特征跟岩性及地层的含水性有关。据此，通过探测地下岩层的电阻率及其变化，可以判定岩层的结构状态和含水状况。

3工程应用实例

某矿1505工作面采用综放回采，近2a的回采造成采空区上地面塌陷以及附近某村大部分村民所居住的房屋出现不同程度的裂缝，为调查该矿采空区塌陷造成的地表影响范围，采用综合电阻率法对采空区边界及地表隐伏裂缝范围进行探测。

3.1探测方案本次探测采用EH4和高密度电法2种方法进行综合探测，设计测线垂直于煤层采空区走向边界。这里选择其中一条综合测线进行分析，EH4可控制目的层深度为10~500m，探测点数为32个，测线总长度约310m；高密度电法测线总长度310m。

3.2地质解释和成果图3为EH4某测线视电阻率断面图。由图3可知，随探测深度的增加，视电阻率值表现为由低到高的整体电性特征。图3上部探测深度小于100m段视电阻率值变化范围较大，但相对较低，其中，在桩号段0~190m、深度为0~80m范围内其视电阻率值在0~100Ω•m之间，推断该区域为受到干扰引起视电阻率值波动；在桩号段190~310m、深度为10~100m范围内其视电阻率值约100~600Ω•m范围，推断该区域为隐伏裂缝引起的视电阻率值增大，而隐伏裂缝则可能为由地下采空区的塌陷在浅部地层中形成的。图3中部（深度在100~350m之间）的视电阻率值变化范围较大，在桩号段为0~220m内其视电阻率值在100~300Ω•m范围，判断为正常地层反应；在桩号段为220~310m、深度为190~350m内其视电阻率值在200~700Ω•m范围，推断该区域为地下采空区或冒落带引起的视电阻率值增大。因此，可以将采空区的边界在地面投影位置确定为桩号段为200m处。图3下段（探测深度在350~500m之间）的视电阻率值整体较高，反映了深部地层正常的电性特征。图4为高密度电法测线视电阻率剖面图。由图4可知，该剖面地层视电阻率层状特征比较明显，浅部视电阻率值较低，反映出第四系地层的电性特征，局部出现高阻，可判断为地表裂缝发育引起。标高为1315~1320m，桩号195~310m段所对应的区域视电阻率值相对较高，局部出现高阻异常现象，可判断为近地表裂缝发育区，主要受地下采空区影响。深部视电阻率值总体上表现为高电阻率值，反映出深部基岩的电性特征。但220~245m段视电阻率值偏低，可判断为受采动影响的地表裂缝因雨水下渗形成低电阻率异常区。两种方法的探测结果显示：浅部裂缝发育的范围吻合较好，中深部和深部区域采空区或冒落带的影响范围吻合较好。

3.3地质验证根据综合电阻率法地质解释结果圈定的采空区边界及隐伏裂缝边界与矿方提供的1505工作面采空区边界基本吻合，其中EH4电导率成像系统确定的采空区边界比矿方提供的边界略大，但差别小于10m，满足有关规程要求。高密度电阻率法确定的由采空区引起的浅部地层隐伏裂缝波及范围较为准确。

4结语

利用综合电阻率法对煤矿采空区进行了全面探测，其中EH4电导率成像系统用于探测煤矿深部采空区的范围，高密度电阻率法用于探测地表浅部的隐伏裂缝范围，探测结果得到矿方验证。研究表明，探测工作克服了特殊复杂地形条件、工矿区强电磁干扰等带来的困难，最终得到分辨率较高的电性剖面和可靠的地质解释成果，综合电阻率法在探测深部煤矿采空区边界及浅层受采空区影响的隐伏裂隙带，比单一方法更准确、可靠。由于该方法存在多解性，且难以排除所有干扰的影响，更为准确的结果需结合地质、水文等资料进行综合解释。

作者：袁永榜鲜鹏辉闫国才单位：中煤科工集团重庆研究院有限公司水文物探所