爱华网近年来，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。 对于两层充水采空区，多测道曲线异常表现明显，曲线表现为上凸。电阻率断面图低阻异常明显。这是由于电磁场的“影子”效应造成。低阻异常还有“拖长”现象，浅层到深层是贯通的。而在地层中含有两层相间的充水地层的情况下，上述现象更加明显。由于电磁波在低阻区传播慢、感应时间长、涡流较强，所以在地电断面图中开始几道的层位上就有明显的反映。 当上层采空区为低阻，下层采空区为高阻时，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。 与试验2相似，多测道曲线异常表现明显，电阻率断面图有低阻异常明显， 但是由于低阻采空区位于浅部，所以异常范围较小。 从上面以上四种试验情形上看，由浅到深电阻率变化趋势均为从小到大呈渐变过程，层状特征明显。在深浅两层采空区都未充水时（高阻）其结果异常显示较弱。然而，当其充水后，对应深度以及连带浅部都出现明显低阻异常。尤其是两层均充水时，效果明显。比较上下层位单一充水的两种情况，下层充水时断面图上深部异常相对明显。当上层充水时，由于低阻体对电磁波的滞留作用，造成向下一段范围内出现影子异常。 B.相干体与方差体技术解释与应用 相干体或方差体切片对断层非常敏感，根据这一特性，可利用解释系统在相干体或方差体切片上直接解释断层。在断层解释的基础上，依据解释的闭合点进行常规剖面上的断层显示和修改，并返回相干体或方差体切片再进行闭合调整，经过调整之后，就可以在地震反射层位解释之前精确建立研究区的断层空间分布模型。（如下图） 图5 方差体水平切片及岩性分析 C.等时切片技术及其应用 三维地震等时切片是某一时刻三维数据体中所有地震信息的显示，反映了不同地质层位的界面反射在某一时刻平面内的分布状况。水平切片上“同相轴”的强度反映了反射波的强度，等时切片上反射波“同相轴”错开大小与断层断距大小相对应，同时水平切片对小断层具有比垂直时间剖面更高的分辨能力。（见图6） 图6 时间切片上的异常区域与构造特征 3.综合物探方法在煤矿生产中的应用 A. 开滦（集团）蔚州矿业公司单侯井田地层为侏罗系中下统下花园组，煤层主要集中赋存于中下部，井田地层走向为北东方向、倾向为南东方向，倾角一般小于10°的单斜，伴有宽缓褶曲和断裂构造。第四系含水层覆盖于整个勘探区，与基岩面呈不整合接触。煤系地层的砂岩含水层主要以粉砂岩为主；奥陶系岩溶裂隙承压含水层为煤系基底，是底板直接充水含水层。该含水层补给充分，渗透性强，涌水量大，水位恢复快，赋存条件复杂。 侏罗系中下统下段是本区主要含煤地层，下部视电阻率较低，一般在50～200 Ω·m。主要可采煤层为6、5煤层，且煤厚比较稳定，顶底板岩性主要为粉砂岩和细砂岩，与围岩间波阻抗差异明显。 TEM实测曲线类型基本为A型，反映了第四系、侏罗系煤系地层、奥陶系基底等三者电阻率呈阶梯上升的地层组合格局。当局部区域电性组合格局被打破时，曲线形态上的反应比较明显。 对电性数据进行三维空间插值形成三维电性体，在此基础上，对电性参数进行三维滤波，相干分析和边缘检测，图6、图7为+600m切片上该位置有多处异常。 图7 500线视电阻率断面和+600m视电阻率切片 图8 三维低通滤波+边缘检测技术 输出的电性切片 利用瞬变电磁资料解释充水采空区2个，其中2号采空区北部充水相对严重些，分析认为该采空区可能是部分充水；从电法资料显示的情况看，SF50逆断层以北地段基底奥灰岩溶裂隙发育，断裂构造成为中、深部水体的连接通道，这一区域是本矿区水患的重点防治区域，而且有落差相对较大的断层做为导水通道，也是煤矿开采时防治水患的难点区域。这些断层将深部的奥灰水与上部连通，涌水量相对较大，而且补给充足，在巷道开拓过程中必须做好预防工作。
经过对资料的认真分析研究，划分出了测区内煤系基底奥灰富含水区域，分析评价了采空区充水和落差较大断层的导水性，为煤矿开采提供了较为可靠的水文地质资料。 B.江苏某矿区岩浆岩的勘测 对于岩浆岩侵入区，利用地震反演成果划分岩浆岩侵入区域。江苏某煤矿西部采区，由于岩浆岩均位于7煤层顶板，而且厚度较大，因此，在解释岩浆岩时，取7煤层顶部15ms处时窗宽度为5ms的范围做为解释区域，地震反演切片为时窗内波阻抗加权平均值。图8中，浅蓝色区域被认为是岩浆岩侵入区。 在解释煤层变焦时，对煤层反射波进行地震相分析时将波形分了5类，目的是解释划定较大范围的煤层变焦区/岩浆岩侵入区。当要从煤层变焦区中划分出岩浆岩侵入区时，就必须对7煤层反射波的波形进行细分并划分出地震子相。另外，7煤层的岩浆岩侵入都是从煤层顶板侵入，因此在进行地震相分析时将时窗取为40ms(上下各20ms)，从而增大岩浆岩的影响因子。最终，将7煤层的地震反射波分成7类。综合钻探资料和地震岩性解释结果，获得7煤层岩浆岩侵入区范围，见图9。 图9 地震反演划分的岩浆岩侵入区 图10 最终解释的岩浆岩侵入区 4.结束语 实践证明，在煤矿地质灾害防治中使用综合地球物理勘探方法对引起地质灾害的地质原因进行查明，只要物性前提具备，工作方法选择恰当，在理论上是可行的，实际工作成果也表明，可为煤矿防治地质灾害与地质风险提供可靠的地质资料。 参考文献 [1]陈民振. 中国煤矿物探研究【M】北京：地质出版社.2006. [2]陆基孟.地震勘探原理【M】山东：石油大学出版社.1993 [3]吴有信.综合物探技术在煤矿灾害防治中的应用【J】安全与环境工程.2009.16 [4]刘孝刚等.徐州三河尖煤矿充水因素分析及防治水对策【J】中国煤炭地质.2010.22 [5]吴基文，赵志根.我国煤矿矿井地质工作发展阶段概述【J】中国煤炭地质.2010.11
