露天煤矿采空区地球物理探测难点及对策

 露天煤矿采空区地球物理探测难点及对策

邢颖

中煤平朔集团公司地质测量中心 山西朔州 036000

摘要：露天矿区内废弃生产矿井和小窑较多，开采方式多样，且开采资料不全，确切的采空位置、大小等不清，给露天矿采空区治理工作带来很大的困难，伴随露天开采作业的进行，地下采空区的位置及形态会不断发展与演化，造成地表垮塌、积聚瓦斯爆炸等地质灾害，对现场工作人员人身安全、大型采煤及运输设备构成严重威胁。如何实现采空区的超前精细探测，是保障东露天矿采空区（空洞）治理以及表层剥离和采煤作业安全、高效推进面临的首要地质问题。因此研究露天煤矿采空区地球物理探测的难点并提出相应的对策对于安全生产具有重要的理论及现实意义。

关键词：露天矿采空区；地球物理探测；难点；对策

1. 引言

近年来，伴随着煤炭资源整合与煤矿企业重组，许多小型井工煤矿逐渐被关停，取而代之的是对关闭煤矿剩余资源以及零星边角压滞煤炭资源重新规划后的大型露天煤矿[1]。由于历史原因，露天矿区内废弃生产矿井和小窑较多，开采方式多样，采空区的位置和边界不明，且开采资料不全，确切的采空位置、大小等不清，给露天矿采空区治理工作带来很大的困难[2-3]；受露天开采作业振动等因素的影响，地下采空区可能会不断发展与演化，造成地表垮塌、积聚瓦斯爆炸等地质灾害，对现场工作人员人身安全、大型采煤及运输设备构成严重威胁[4-5]。本文从露天煤矿采空区地球物探探测的现状出发总结地球物理方法探测露天煤矿采空区的难点并提出相应的对策，期望能够对于露天煤矿采空区探测监测提供有益借鉴。

2. 露天煤矿采空区地球物理探测现状及难点

露天煤矿采空区存在其特定的难点，由于露天矿剥采作业的特殊性，类似于三维地震勘探、瞬变电磁勘探或高密度电法勘探等适用于一般采空区的“面式”探测技术，探测精度根本无法满足现场要求。

第一，露天特殊的地形条件包括多级台阶、大落差、表层松散层覆盖，主采煤层埋藏深度较小等对常规物探方法提出了诸多挑战。露天矿开采形成的高陡矿坑边坡和矸石排土场边坡影响对采集的影响主要是难以设计合理的三维观测系统，地形条件差，激发和接收点布设困难，常规三维规则网施工难度大，需要采用非常规三维地震观测方法；对松散层及大落差台阶对地震处理静校正、侧面波、动校正和偏移等环节存在较大影响。

第二，露天煤矿生产强度高，施工协调难度大,难于形成独立施工环境。煤矿生产、施工干扰大，资料信噪比低，连续作业的开采活动使得地面大型运输车辆、采场振动、电磁等干扰因素众多，这些均对各类地面物探获取高质量的原始数据造成了很大的困难，地震数据会产生强背景噪声、单频率噪声、强面波干扰、机械干扰、多次反射折射波等，这些都会较低资料的信噪比，对处理提出了更高的要求。

第三，露天矿剥采作业的进行，采空区上覆岩层逐渐变薄，采空区的埋深及位置会持续变化，但对在整个动态过程中，如何实现采空区的精细探测和动态评价显得尤为重要，常规的物探方法能实现一定程度的预测无法做到持续监测。

3．露天煤矿采空区地球物理探测对策

为了保证地表作业设备和人员的安全，必须动态掌握作业区下部是否存在采空区以及采空区的空间位置参数，这种情况下，以“面式”探测成果为基础，通过精确可靠的“点式”探测手段，实现采空区探测的点式化和精准化，并完成有一次预测向持续监测转变，将逐渐成为露天矿地下采空区探测的必然趋势。针对露天矿采区的特点开展针对性的工作，主要包括：

3.1不同类型采空区的地震响应与识别

从探测精度来说，地震勘探手段依然是不同类型采空区探测的主要手段，因此应该开展不同类型采空区的地震响应研究。依据采空区已有地质资料，建立不同尺度、层位、埋深、充填情况、“三带”冒落高度等条件下的采空区地震地质模型，通过波动方程正演模拟，研究由采空区引起的地震纵波、横波及面波在运动学（速度、时间、连续性）、动力学（振幅、能量、频率、相位）及衰减（品质因子）等方面的响应规律，构建采空区定性与定量识别的地震参数指标体系。

3.2 面向浅层目标的“两宽一高”三维地震采集及井控高分辨率处理

根据露天煤矿采空区埋深浅的特点，从观测系统类型、面元大小、覆盖次数、最大炮检距、炮检距及方位角分布均一性、采集脚印等方面开展主动源三维地震观测系统关键参数的研究，设计出有利于强吸收浅层条件下浅埋深勘探目标的“两宽一高”三维观测系统；开展轻型可控震源的扫描频率、振动次数、驱动电平等参数及大功率电火花震源的充电时间、电压和激发深度等激发参数研究与试验对比，优选出强能量高分辨炸药替代震源激发方法，达到获取高信噪比地震纵波原始资料的目的。

3.3 基于密集台阵短周期噪声及随机噪声体波成像的采空区动态监测

通过正演模拟和实验分析，研究密集台阵噪音成像观测系统参数，指导密集台阵数据采集节点地震仪布置设计。对低频检波器获得密集台阵长时间记录的随机噪声进行空间相关分析，研究不同观测装置组合方法下提取的面波频散曲线的特征，以获取高分辨面波速度数据体为目标，形成基于密集台阵的最佳道集组合及抽取方式。采用格林函数的空间相关算法从短周期噪声信号中可靠提取面波及横波信息的方法，反演获得高分辨的准确的三维横波、面波速度场，研究采用速度梯度法突出横波速度变化的弱异常特征，从而提高强干扰条件下小尺度采空区在地震横波数据上的可靠识别和精细解释，解决在强干扰情况下，单一纵波信噪比低，难以可靠识别采空区的难题。

3.4 基于激光扫描的重点采空区（洞）的精细评价

由于露天煤矿境界范围内的采空区大多年代久远，受岩石风化破坏作用、采矿活动等的影响，采空区范围在空间上发生了较大变化，同时由于有害气体的集聚，原有的采矿通道大多已不能直接进入勘测，而掘进新巷与清理废旧巷道的成本高，施工不安全。按照采集区的危害等级优先针对重点采矿区（洞）采用激光扫描方法展开精细评价。基于激光测距与GPS 定位原理，采用钻孔式三维激光扫描系统对平朔矿区露天煤矿境界范围内的地下采空区进行了全面探测。激光三维扫描，具有全自动、速度快、精度高、数据处理简便等特点。通过扫描，准确查明了重点采空区的尺寸参数，实现采空区隐蔽工程的可视化，为露天煤矿地下采空区稳定性评价与治理提供可靠的基础数据。

4. 结论

露天煤矿先期开采形成的采空区对后期大型设备的剥离开采构成了极大的危险。而且由于采空区带来的煤层自燃也对人员安全带来潜在的危险和巨大的经济利益损失。因此及时准确的探测出不明采空区的分布范围是及其重要的任务。由于地球物理预测的每一种方法都有本身的局限性。实际工作中，应根据煤矿采空区具体的地质特征，综合考虑不同地球物理方法的特点，选择合理的方法进行探测，或者采用综合地球物理方法进行探测和解释，以取得理想的探测效果。

参考文献:

[1] 刘博文, 王振伟, 李伟等. 露天矿地下采空区探测与治理技术应用与实践[J]. 中国煤炭, 2017(11):47-51+64.

[2]何进, 张亚峰, 韦建江. 煤矿采空区综合地球物理方法探测[C]// 煤矿采空区地球物理勘查技术暨工程物探疑难问题研讨会. 2012.

[3] 薛国强, 潘冬明, 于景邨. 煤矿采空区地球物理探测应用综述[J]. 地球物理学进展, 2018, 33(05):427-432.

[4] 章林, 孙国权, 李同鹏, et al. 地下矿山采空区探测及综合治理研究与应用[J]. 金属矿山, 2013(11).

[5] 程建远,孙洪星,赵庆彪,等.老窑采空区的探测技术与实例研究[J].煤炭学报,2008,33(3):251-255.