申建平, 邊祥會,席振銖,高 遠(yuǎn)

(1. 湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南長沙 410014；2.湖南五維地質(zhì)科技有限公司，湖南長沙 410205； 3.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院， 湖南長沙 410083)

煤炭采空區(qū)電性特征的定性分析

申建平1, 邊祥會2,3,席振銖3,高 遠(yuǎn)1

(1. 湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南長沙 410014；2.湖南五維地質(zhì)科技有限公司，湖南長沙 410205； 3.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院， 湖南長沙 410083)

煤炭是我國的主體能源，在國家的經(jīng)濟發(fā)展與社會穩(wěn)定中起到了極其重要的作用,以前生產(chǎn)過程中遺留的煤炭采空區(qū)是目前需要研究的重要問題。本文首先簡要介紹了我國煤炭資源的發(fā)展現(xiàn)狀，接著從煤層被采空前后力學(xué)變化特征的角度分析了煤層不同開采程度下力學(xué)性質(zhì)的變化，并結(jié)合煤礦生產(chǎn)經(jīng)驗給出了煤層不同開采程度下的采空區(qū)填充屬性，為煤炭采空區(qū)電性特征的定性分析打下了基礎(chǔ)。然后，對煤炭采空區(qū)的電性特征進(jìn)行了定性分析，總結(jié)出5種煤炭采空區(qū)的電性特征，即1)電性層橫向不再連續(xù)，出現(xiàn)局部低阻和高阻異常；2)煤層對應(yīng)的低阻區(qū)域呈現(xiàn)出縱向擴展的趨勢；3)煤層與圍巖電性界面紊亂；4)低阻區(qū)向上延伸形成縱向低阻帶；5)電性層不再具有層狀特征，電性層序與正常地層層序不再對應(yīng))。最后，利用郴州市魯塘煤(石墨)礦區(qū)采空區(qū)的實例，說明本文煤炭采空區(qū)電性特征的定性分析是合理的。

臨空面 采空區(qū) 電性差異 電性特征 定性分析

Shen Jian-ping, Bian Xiang-hui, Xi Zhen-zhu, Gao Yuan. Qualitative analysis of electric characteristics in coal mined-out areas[J]. Geology and Exploration,2016, 52(6):1147-1151.

1 我國煤炭資源的發(fā)展現(xiàn)狀

煤炭是我國的主體能源，在國家經(jīng)濟發(fā)展與社會穩(wěn)定中起到了極其重要的作用。中國將繼續(xù)優(yōu)化能源供給結(jié)構(gòu)，建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系①，煤炭在一次能源結(jié)構(gòu)中的占比將持續(xù)降低，但到2020年，煤炭占一次能源的比重仍將達(dá)到62%②，在未來相當(dāng)長時期內(nèi)，煤炭作為我國主體能源的地位不會改變，煤炭工業(yè)是關(guān)系國家經(jīng)濟命脈和能源安全的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。十二五規(guī)劃出臺后，煤炭資源整合陸續(xù)展開，小礦私采濫挖、資源浪費等現(xiàn)象得到全面遏制，淘汰落后產(chǎn)能成效顯著，安全生產(chǎn)形勢持續(xù)好轉(zhuǎn)。但之前大礦采肥丟瘦、小礦亂采濫挖等的后遺癥并未解決，如：開發(fā)難度增大、開采危險性增高；資源回采率降低；造成地面沉降，甚至威脅地面人身安全等。這些問題的存在不利于以后的儲量核算、安全生產(chǎn)、發(fā)展規(guī)劃等，與建設(shè)環(huán)境友好型社會的宗旨不相符。加大煤炭采空區(qū)的勘探力度刻不容緩。鉆探雖為最可靠有效和直接的勘探手段，然勘探成本巨大，地球物理勘探成本低廉，大地電磁測深法是獲取采空區(qū)電性特征的有效有段之一。

2 煤炭開采前后的力學(xué)變化特征

煤是地殼運動的產(chǎn)物，古生代的石炭紀(jì)和二疊紀(jì)、中生代的侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)以及新生代的第三紀(jì)的某段時間段內(nèi)，大量植物殘骸堆積起來，經(jīng)過復(fù)雜的泥炭化和煤化作用最終轉(zhuǎn)變成固體可燃礦產(chǎn)(楊起等，1979；楊孟達(dá)等，2000)。可見，煤層是由有機物質(zhì)和無機物質(zhì)組成的層狀沉積巖體，形成的煤層可以賦存于各種不同的沉積序列中，是地層的一部分，具有成層性的特征。在地層未受到構(gòu)造(如斷層、褶皺等)影響的情況下，煤層呈連續(xù)、厚度均勻或漸變的一維層狀特征；在受到構(gòu)造運動的影響后(原文濤，2012)，煤層賦存特征及電性特征會依構(gòu)造相應(yīng)的變動。

煤層被采空后，原力學(xué)平衡系統(tǒng)被打破，迫使巖體產(chǎn)生形變或發(fā)生位移以建立新的受力平衡關(guān)系(沈明榮等，1999；王作棠等，2011；周霞等，2013)：

(a)當(dāng)采空范圍不算大，臨空面附近的圍巖強度較高時，采空區(qū)圍巖只需發(fā)生微小形變即可達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，此時圍巖不會坍塌，亦沒有大范圍的節(jié)理裂隙產(chǎn)生。

(b)當(dāng)采空范圍較大，臨空面附近的圍巖強度不足以支撐整個空間時，圍巖各個單元將發(fā)生一定的位移，節(jié)理、裂隙大量出現(xiàn)(李同林等，2000)，內(nèi)部應(yīng)力重新分配，直至建立新的力學(xué)平衡。

(c)當(dāng)采空區(qū)范圍大或圍巖強度不高，臨空面附近的圍巖強度不足以支撐整個空間自重且圍巖各個單元發(fā)生一定位移后仍不能建立新的力學(xué)平衡時，圍巖將發(fā)生坍塌甚至坍塌貫穿至地表形成地面塌陷。采空區(qū)底板在承壓水的巨大壓力下也存在發(fā)生突涌的可能(徐海燕等，2001；李百壽等，2009；薛培等；2016)。

根據(jù)力學(xué)特征及實踐經(jīng)驗，采空區(qū)的充填屬性無外乎以下幾種情況：

(1)巷道未坍塌，采空區(qū)為空洞，圍巖較完整，圍巖的層狀特征未被破壞。

(2)巷道未坍塌，采空區(qū)被泥、水、碎石充填，圍巖較完整，圍巖的層狀特征未被破壞。

(3)巷道未坍塌，采空區(qū)或為空洞或被充填，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖的層狀特征尚未被破壞，但電性特征被破壞。

(4)坍塌，煤層被采空后，上部圍巖坍塌，甚至形成自上至下的貫穿性塌陷(地面塌陷)，煤層及上部圍巖層狀特征均被破壞，巖體破碎。

3 煤炭及采空區(qū)電性特征定性分析

雖然電性的定量分析是每一位地球物理工作者所期望的，但是在生產(chǎn)實踐中受制于地質(zhì)體差異、勘探網(wǎng)度、儀器精度、數(shù)據(jù)的處理技術(shù)與反演方法等因素，定量分析與實際相差甚遠(yuǎn)，而定性分析和解釋更具有合理性。因此合理的電性定性分析是煤炭采空區(qū)勘探成功的關(guān)鍵。

煤層的電阻率較圍巖電阻率低一個或數(shù)個數(shù)量級。電性特征定性分析是根據(jù)煤層被采前后的力學(xué)性質(zhì)變化及不同巖性的電性差異來進(jìn)行定性分析的。根據(jù)上述煤層開采前后力學(xué)特性變化的分析，當(dāng)煤層被采空后，原地層結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化致使電阻率電性特征也會發(fā)生相應(yīng)變化。

3.1 正常煤層電阻率剖面的電性特征

(1)橫向連續(xù)，煤礦是盆地沉積變質(zhì)礦床，忽略構(gòu)造運動的影響，其介質(zhì)橫向相對均勻、電性特征相對穩(wěn)定。

(2)電性具有層理性，煤層及其圍巖幾乎是一維層狀介質(zhì)，其電阻率剖面圖像具有不同電阻率色帶相平行的特征。

(3)高低阻界面清晰，煤層與圍巖間的電性差異大，煤層的電阻率較圍巖的電阻率低至少一個數(shù)量級，因此，圍巖的高電性界面與煤層的低阻電性界面清晰，電阻率縱向梯度大。

(4)電性層序與地層層序?qū)?yīng)關(guān)系一般為，圍巖～煤層～圍巖的地層層序?qū)?yīng)的電性層為高阻～低阻～高阻的電性層序。

3.2 采空區(qū)域電阻率剖面的電性特征

(1)與煤層對應(yīng)的電性層橫向不再連續(xù)，出現(xiàn)局部低阻和高阻異常。當(dāng)煤層不連續(xù)開采或開采巷道內(nèi)充填屬性不同(如局部被泥、水、碎石等充填，局部為空洞為充填)時，在電阻率剖面圖上會呈現(xiàn)局部的相對高阻異?；虻妥璁惓?。

(2)煤層對應(yīng)的低阻區(qū)域呈現(xiàn)出縱向擴展的趨勢。煤層被開采后，受力平衡被打破，在圍巖(尤其上部圍巖)的作用下，臨空面周圍出現(xiàn)節(jié)理裂隙，致使圍巖電阻率降低，低阻區(qū)域呈現(xiàn)縱向擴展的趨勢。

(3)煤層與圍巖電性界面紊亂。煤層被開采后，若節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)展或圍巖強度不足以承受上部圍巖荷載時，巖體就會發(fā)生坍塌松動，當(dāng)巖體坍塌松動不均時，煤層與圍巖的電阻率界面紊亂。

(4)低阻區(qū)向上延伸形成縱向低阻帶。在上部荷載的綜合作用下，當(dāng)局部圍巖坍塌松動區(qū)域向上延伸至地面時，這一區(qū)域內(nèi)巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，其對應(yīng)的電性特征即為縱向低阻區(qū)。

(5)電性層不再具有層狀特征，電性層序與正常地層層序不再對應(yīng)。當(dāng)采空區(qū)橫向范圍較大、縱向坍塌松動的范圍亦較大時、或者存在多層煤時，該范圍內(nèi)的地層層序被破壞，電性層序也不復(fù)存在，正常一維層狀介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S復(fù)雜地質(zhì)體，電性層序混亂。

4 煤炭采空區(qū)電性特征定性分析解釋案例

4.1 案例地質(zhì)背景

南方石墨魯塘煤(石墨)礦區(qū)位于湖南省郴州市北湖區(qū)魯塘鎮(zhèn)③，礦區(qū)開采歷史悠久，早在20世紀(jì)30年代就有開采活動，解放后，特別是90 年代末期以來，礦區(qū)開采進(jìn)入了旺盛時期，各小煤礦、小煤窯數(shù)不勝數(shù)，僅在礦區(qū)西部煤炭(石墨)坑口就多達(dá)300個以上，巷道相互穿插，開采過程中挑肥丟瘦、亂挖濫采，開采秩序異?；靵y，整個礦區(qū)已經(jīng)千瘡百孔。2010后南方石墨有限公司逐步對這一地區(qū)的礦山進(jìn)行整合以進(jìn)一步開發(fā)利用，然而自從整合以來礦山始終未能真正投產(chǎn)，原因是資料可靠性低，資料缺乏，原巷道或坍塌或被水充填，不得通行，難以進(jìn)行全面的地下調(diào)查，煤礦(石墨)哪里已被開采哪里保有，不得而知。全面鉆探取證，成本巨大，礦山難以承擔(dān)。在這種情況下，地球物理勘查輔以井下調(diào)查與適量鉆探驗證成為了最優(yōu)選擇。

4.2 目的

運用音頻大地電磁測深法(何繼善，1990；席振銖等，2011；邊祥會等，2013)查明礦區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)與殘留煤層的分布范圍，為以后礦區(qū)的發(fā)展規(guī)劃提供參考。

4.3 分析及解釋

表1 魯塘煤炭(石墨)礦區(qū)巖石標(biāo)本電阻率參數(shù)統(tǒng)計表

圖1 S6區(qū)8線、14線、18線音頻大地電磁測深二維反演剖面示意圖Fig.1 AMT sketch map of 2D inversion profile of Line 8, Line 14 , and Line 18 in area S61-電阻率等值線; 2-采動區(qū); 3-未動煤層層位; 4-采動煤層層位; 5-電阻率色譜1-resistivity contour; 2-mined and broken zone; 3-Intact coal seam position; 4-mined and broken coal seam position; 5-resistivity chromatography

如圖1所示是郴州市魯塘煤(石墨)礦區(qū)S6區(qū)8線、14線、18線音頻大地電磁測深二維反演剖面示意圖。以8線為例，該剖面位于一向斜構(gòu)造內(nèi)，電阻率斷面圖中由冷色(藍(lán)色)到暖色(紅色)電阻率逐步增高。結(jié)合地質(zhì)資料，剖面中主要存在四個煤層層位，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。從圖中可以看出Ⅰ、Ⅱ?qū)游辉獾絿?yán)重破壞，Ⅲ、Ⅳ層位仍能分辨出來。1號采動區(qū)處在一大范圍的低阻區(qū)域內(nèi)，區(qū)域內(nèi)電性層序被破壞，為自下而上的縱向低阻區(qū)，低阻區(qū)縱垮Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ煤層層位，推測巖體自下而上貫穿性坍塌，地面塌陷或沉降。2號采動區(qū)與1號采動區(qū)相似，范圍較1號范圍小，主要為Ⅰ煤層采空后上部坍塌所致。3號和4號采空區(qū)內(nèi)低阻區(qū)呈縱向擴展的特征，推測煤層采空后圍巖出現(xiàn)節(jié)理裂隙，但未(大規(guī)模)坍塌。在Ⅲ煤層層位上的向斜核部(1號采動區(qū)的右下部)，電性層序正常，但電阻率橫向不連續(xù)，存在局部相對低阻和相對高阻區(qū)，推測煤層被采空，但圍巖未發(fā)生坍塌，巷道圍巖較完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，電性的橫向不均勻為煤層的不連續(xù)開采或巷道的充填屬性不同(局部被泥、水、碎石充填、局部未充填)所致。在Ⅲ煤層的大號端、Ⅳ煤的兩端，高低阻界面清晰、電性層序正常、電阻率橫向連續(xù)，推測煤層未被開采。

4.4 效果

井下巷道調(diào)查及已有地質(zhì)資料表明音頻大地電磁測深法探測礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)與保有區(qū)的圈定范圍與實際情況基本一致，采空區(qū)驗證鉆孔ZK8-1、ZK8-2的驗證結(jié)果證實采空區(qū)的存在，效果較好，采空區(qū)電性特征的定性分析是合理的。

5 結(jié)論

我國當(dāng)前能源資源供給窘迫及環(huán)境追求日趨友好的情況下，進(jìn)行煤炭采空區(qū)的勘探迫在眉睫，全面鉆探驗證成本高昂，地球物理勘查輔以井下調(diào)查與適量鉆探驗證為最優(yōu)選擇。在運用巖石的電性特征進(jìn)行煤(石墨)礦采空區(qū)的勘探中，對電阻率斷面圖進(jìn)行分析解釋時，務(wù)必充分弄清煤層被開采前后的電性特征及其差異，這是煤炭采空區(qū)勘探的成功的關(guān)鍵。

[注釋]

① 國務(wù)院.2016.《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》[R].

② 國務(wù)院辦公廳.2016.《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014-2020年)》[R].

③ 湖南省煤炭地質(zhì)勘查院．2015.湖南郴州魯塘煤(石墨)礦采空區(qū)探測報告[R]．

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[附中文參考文獻(xiàn)]

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Qualitative Analysis of Electric Characteristics in Coal Mined-Out Areas

SHEN Jian-ping1, BIAN Xiang-hui2,3, XI Zhen-zhu3, GAO Yuan1

(1.TheCoalGeologicalExplorationInstituteofHunanProvince,Changsha,Hunan410014; 2.Hunan5DGeologicandGeophysicalCompany,Changsha,Hunan410205; 3.SchoolofGeoscienceandInfo-physics,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410083)

Coal remains the main source of energy in China. It plays a very important role in the economic development and social stability of the country. At present, the mined-out areas produced during previous production are one of the serious issues to study urgently. Firstly, this paper briefly introduces the present situation of the development of coal resources in China. Then from mechanical change characteristics of coal seams before and after mining, this paper makes an analysis the changes of mechanical properties of coal seams under different mining degrees and filling properties of mined-out areas, which permits the qualitative analysis of electric characteristics of the coal mining areas. Then, resistivity characteristics of the coal mining areas are analyzed qualitatively, and 5 kinds of such features are summarized as follows. 1) The electric layers are no longer continuous laterally, and the local low- and high-resistivity anomalies are present. 2) The low resistance region presents a trend of vertical expansion. 3) Electrical interfaces are disordered between coal seams and surrounding rocks. 4) The low resistance regions extend upward and form a longitudinal low-resistance zone. 5) The electrical layer dose not have the layered characteristic, and the electrical sequence is no longer corresponding to the normal stratigraphic sequence. Finally, a case study of mined-out areas in the Lutang, Chenzhou coal (graphite) mining area demonstrates that the qualitative analysis of electric characteristics of mined-out areas in this paper is reasonable.

free surface, mined-out area, resistivity difference, electric characteristics, qualitative analysis

2016-07-05；[修改日期]2016-11-06；[責(zé)任編輯]陳偉軍。

申建平(1963年-)，男，高級工程師。E-mail：631237139@qq.com。

邊祥會(1983年-)，男，工程師，長期從事地球物理勘查工作。E-mail：13874923403@163.com。

P631

A

0495-5331(2016)06-1147-05