宋海生， 赵护林

（1.正新能源集团有限公司， 山西 沁源 046500；2.山西煤炭地质144 勘查院， 山西 洪洞 031600）

1 煤炭采空区的形成机理

煤炭是在沉积环境中形成的，煤系地层是沉积地层，煤层是煤系地层中其中的的一层。煤矿上工作是这样的，以煤矿井口为中心，向煤炭资源存储点掘进形成采煤巷道，并将岩石、煤炭运到地面，一般会形成三条主巷道并进行加固处理，一段时间内巷道不会出现问题。巷道要一直延伸到煤炭资源存储点，然后根据煤炭资源分布情况，会进行分层开采形成采煤工作面，采煤工作面沿煤层采掘煤炭，并将煤炭运到地面。因开采工艺和技术不同，安全防护水平有限，开采过程必须留有保留煤柱，无法将煤炭资源全部开采，一个个采煤工作面作业完后留下的空腔以及巷道构成了煤炭采空区，煤炭采空区会和煤炭分布息息相关，煤炭资源丰富且容易开采的地方将形成大量的煤炭采空区。

2 煤炭采空区的物理探测基础

煤系地层属于沉积地层，当煤层未被开采时，地层呈现成层性和完整性，地下应力场是平衡的，但当煤层开采后，地下平衡的应力场遭到破坏，需要重新建立新的应力平衡场。煤层顶板在上覆地层重力作用下，产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力。顶板在一定范围内岩石垮落破碎，变得松散，岩体出现大量的裂隙，使得煤炭采空区的体积效应放大。地下空间的这种变化又构成了导水通道，为采空区积水创造了条件，当煤层被整体开采后，顶板上方地层会产生整体相对均匀沉降。当煤层被凌乱开采，保留煤柱较多时，会产生不均匀沉降。地下岩层的完整性和成层性均受到破坏，严重时，形成跨落带，裂隙带，弯曲带。于是，煤炭采空区在长期地应力作用下，会形成两种情况，一是煤层顶板垮落，采空区为坍塌物和空气充填，无水。二是煤层顶板垮落，采空区为坍塌物、空气和水充填。这种变化使得煤炭采空区的物性特征明显区别于周围完整的，成层性的地层，而且煤层顶板垮落，裂隙增多，甚至岩层变得弯曲，形成跨落带，裂隙带，弯曲带，使得煤炭采空区的体积效应增大。地下空间的这种变化，不论是岩层密度，岩层的完整性，成层性都同原来岩层表现出明显的物性差异，这种物性差异正是综合物探方法应用的物理基础。

3 煤炭采空区探测的物探方法

目前，煤炭采空区探测方法很多，第一种方法，地质钻探法，通过实施地质钻孔进行煤炭采空区探测，这种方法探测深度上精度高，但费用昂贵，工期长，而且采空区边界难以确定，不能作为一种经济适用的探测方法。第二种方法，地质灾害调查法，通过地面沉降区，塌陷区调查分析，勾画出采空区大体范围，方法简单，成本低，精度也低。只能作为一种简单定性的方法，不能作为采空区治理，环境恢复的地质依据。第三种方法，物探方法，物探方法是根据采空区同周围岩层的物性差异，采取多种物性参数（密度，电性，磁性，弹性，放射性，导热性）对采空区进行探测，在充分分析采空区同周围岩层物性差异的基础上，选择合理的物探方法，做好剖面试验，选取合理技术参数，结合区域地质条件，对测区进行面积性扫描测量，优点是速度快，成本低，精度相对较高，能够确定采空区边界和埋深。物探方法是将各种物性参数探测结果相互验证，使采空区的确定更加准确、可靠，为后期采空区灾害治理，环境恢复提供地质依据。

3.1 高密度电阻率法

煤层被采空后，破坏了岩层的完整性和成层性，煤系地层的电性成层性特征也遭到破坏，采空区电阻率明显高于周围完整岩层的电阻率，表现为局部高阻特性，当采空区有水充填，则呈现低阻特性，这就为电法探测煤炭采空区提供了充分条件。

高密度电阻率法是一种阵列式电法勘探新技术，兼具电剖面法和电测深法的特征。它是在探测区域面积内进行二维地电断面的电阻率参数观测，一次布置多个电极（几十或几百个），通过电极转换装置变换供电电极（AB）和测量电极（MN），供电电极（AB）向地下发送电流，并形成稳定的地下电流场，测量电极（MN）进行测量记录的一种电法勘探新技术。

由于采空区与周围地层的物性特征发生了显著变化。采空区在高密度电阻率层析成像二维测量地电断面成果图中，如果采空区保存完好，没有充水，一般表现为高阻异常封闭圈。如果采空区坍塌、充水，则表现为低阻异常封闭圈。

高密度电阻率法是探测煤炭采空区的一种有效方法，地电信息丰富。主要用于探测埋深小于150 m的采空区，对高阻，低阻分辨精度高，反映效果好，具有成本低，效率高等特点。

3.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法（TEM）是一种时间域人工场源电磁感应探测方法，该方法利用不接地回线（或接地线源）向地下发射脉冲式一次电磁场，在一次场间歇期间，再利用线圈（或接地电极）观测由该脉冲电磁感应的地下涡流产生的二次电磁场（dB/dt,）的空间和时间分布特征来解决有关地质问题。

研究表明，二次场的衰减快慢与煤炭采空区的电阻率有关，电阻率高，则二次场衰减快。电阻率低，则二次场衰减慢。在实际测量中，我们观测的是归一化的二次场电位值，在多测道电压剖面图上，如果采空区是坍塌物和空气充填，归一化的二次场电压值相对较低，表现为“谷值异常”，在拟视电阻率断面图上表现为高阻异常。如果采空区是坍塌物、空气和水充填，归一化的二次场电压值相对较高，表现为“峰值异常”，在拟视电阻率断面图上表现为低阻异常。

瞬变电磁法（TEM）主要用于探测埋深100～500 m的煤炭采空区，具有对含水低阻地质体反映灵敏，体积效应小，纵横向分辨率高，受地形影响小，能穿透高阻覆盖层等优势，迅速发展成为高效，快捷的物探方法。

3.3 地震法

地震法探测的物性基础是地下岩层介质的弹性差异，在煤系地层中，煤层的密度，对弹性波的传播速度明显低于煤层的顶底板，所以煤层的顶底板是明显的波阻抗界面，构成了对地震波良好的反射界面，这为地震法探测创造了条件。地震法通过追踪煤层反射波同相轴，视其在勘查剖面上的变化来确定采空区是否存在，并圈定其边界。

由于煤层与其顶底板岩层存在较大的波阻抗差异，如果地层完整性、连续性好，可形成能量强可追踪的煤层反射波同相轴。如果煤炭被采空，形成了采空区，由于岩层坍塌而导致地层破碎，岩层裂隙增多，破坏了原有的煤层顶底板物性差异条件，采空区被杂乱无章的坍塌物，空气，水充填，使地震波在其传播过程中能量损失较大，不能形成能量强，连续性好的反射波组，煤层反射波能量明显减弱，甚至反射波同相轴中断。总之地震波在采空区及其垮落带，裂隙带上表现为零乱反射，因此可以用地震的方法探测煤炭采空区。

地震法具有观测系统设计灵活，道间距小，纵横向分辨率高，探测深度大等优点，主要用于探测埋深500～1 000 m 的煤炭采空区。是所有物探方法中最主要的物探手段，也是最有效的物探方法。

3.4 氡气测量法

氡（222Rn）是铀（238U）系的唯一呈气态的无色无味的放射性惰性气体，是镭（88Ra）的衰变产物。其化学性质十分稳定，物理性质却十分活跃，能溶于水、油等液体中，具有较强的运移能力。煤系地层是沉积地层，含有较高的放射性元素铀（238U）和镭（88Ra），因此也具有较高的氡（222Rn）元素，由于氡（222Rn）具有较强的运移能力，而煤炭采空区在上覆地层长期的压力作用下，形成了垮落带，裂隙带，弯曲带，为氡（222Rn）的运移创造了条件和通道，使氡（222Rn）很容易由煤系地层经过岩石裂隙进入地表土壤中，所以在地质构造断裂带、煤炭采空区上方较易形成氡（222Rn）的富集，这为测氡（222Rn）技术在煤矿的应用创造了前提条件。

煤系地层是在还原条件下形成的。多呈黑褐色，其中铀（238U）元素的含量大大高于其他地层。当地下煤层采空后，形成煤炭采空区，不论采空区被坍塌物，空气充填，还是采空区被坍塌物，空气，水充填，采空区的孔隙都大大增多，为气体的储藏创造了条件。同时采空区的形成改变了地下应力分布状态，在采空区周围岩层形成高应力区，采空区由于煤层顶板垮落坍塌后又形成一个应力松动圈，岩层裂隙增多，形成低应力区。煤系地层中的水、氡气由高应力区向低应力区运移聚集，在这一过程中，采空区形成了较高的氡气浓度。

如果地下地层是均匀的，连续的，在地表所测氡气浓度值符合一定规律，不存在异常。但当地下形成采空区破坏了地层的均匀性，连续性，使得氡气富集时，氡气浓度局部增高，形成高于本底值2～3 倍的氡气异常，由于氡气具有很强的垂直向上运移能力，所以在地表形成一个与采空区范围相对应的氡气异常区，因此，可通过测量地表附近的氡气浓度，确定采空区的位置和范围。

氡气测量法技术的优点是：不受电、磁、声干扰，受地形影响小，施工方便，成本低，工效高。氡气测量法的局限性是采空区深度难以确定，不能精确反映采空区的位置，只能反映采空区的范围，属于定性测量方法。

4 结论

以上探讨了四种物探方法探测煤炭采空区的可行性和有效性。另外，可控源音频大地电磁法、微重力法等物探方法对煤炭采空区探测都非常有效，在实际工程应用中，根据地质条件，一般选择两种物探方法进行综合探测即可达到满意的效果。

物探方法是一种速度快，成本低，效益高，能够确定煤炭采空区边界和埋深。使煤炭采空区的确定更加准确、可靠，科学合理。为后期煤炭采空区灾害治理，环境恢复提供可靠的地质依据。