浅层采空区（精选3篇）
浅层采空区 篇1
摘要：以表浅层为沙丘的神府煤田和厚黄土丘陵地表的河东煤田煤矿采空区三维地震资料解释为例, 在分析煤矿采空区岩层形变机理及地质特征的基础上, 总结了煤矿采空区三维地震资料反射波特征及地震属性在采空区解释方面的特点, 利用常规解释和属性解释相结合提高采空区解释的准确性和可靠程度。通过实例研究表明, 以目前地震地质解释精度, 能够圈定复杂地震地质条件区的煤矿采空区范围。
关键词：地震地质条件,浅层采空区,三维地震勘探
0 引言
由于煤炭资源的开采, 各个矿区及小煤窑在生产过程中留下了越来越多的采空区, 这些采空区的存在给现代煤矿安全生产带来了日益严重的威胁。如果对其勘查不明、了解不透, 会造成透水、坍塌、瓦斯爆炸等重大矿难。尤其是地震地质条件复杂的地区, 因煤层较浅、开采无序, 查明煤矿采空区的位置和范围就显得尤为重要。
目前, 利用三维地震勘探技术探测煤矿采空区的位置和范围在我国东部地震地质条件简单的平原地区已经得到广泛应用, 并且已经取得显著成效[1]。地震勘探理论前提是各向均匀介质, 实际地质条件在横向上都是变化的。对于沙丘和厚黄土丘陵地区而言, 由于地形复杂、沟梁交错, 地震勘探的静校正、替换速度等参数选择不合适, 可能导致采空区、断层、巷道解释出现多解性、误判等。再者由于表浅层介质结构疏松, 对地震波吸收衰减严重, 激发接收条件差, 加之煤层被采空, 煤层上覆岩层垮落, 地震波能量被严重吸收、高频衰减强烈, 获得的地震资料频率极低, 不利于采空区等地质现象的识别, 所以仅依靠单一常规方法解释采空区的位置和范围难度比较大[2]。文章旨在把常规三维地震时间剖面和属性解释结合起来对采空区进行综合解释, 大大提高采空区解释的准确性、可靠性。
1 采空区的地质特征
煤层及煤系地层由于成因不同而表现出不同的分布状态, 多呈现为层状沉积。当煤层被开采后形成采空区, 破坏了原有的应力状态, 使原有地层错动、产生裂缝、发生塌陷等。一般情况下, 采空区表现为两种形式:开采时间较短或支护措施较充分时, 其煤层顶板为塑型岩石并保存完整, 采空区以不充水或充水的空洞形式保存下来;当采面较大或开采时间较长时, 采空区在重力和地层应力的作用下, 上覆岩体失去支撑, 采空区顶板岩层冒落, 依次形成冒落带、破裂带和弯曲下陷带, 地面也随之下沉, 出现鞍状凹陷。
2 采空区的地震响应特征
由于采煤造成地下一定范围的采空区, 上覆岩体向下弯曲甚至垮落, 破坏严重, 整个层状介质的地震反射条件已不复存在, 地震波在此产生了大量的散射, 致使这一区域内不能形成反射波, 而在采空区的边界附近, 地震反射波同相轴发生明显弯曲甚至错乱[3,4,5,6]。煤矿采空区及其附近的地震反射波表现特征如下: (1) 反射波同相轴变弱甚至中断或者杂乱无章; (2) 反射波振幅减弱; (3) 反射波信噪比降低; (4) 反射波明显下拉, 出现速度变低效应; (5) 属性分析中, 振幅表现异常。
采空区在地震时间剖面上的反映如图1所示。其中图1 (a) 为黑白变面积显示, 图1 (b) 为变密度显示, 图中标定的T2是目的层反射波。从地震时间剖面上可看出, 煤层被采空之后没有形成地震反射波, 而且上覆岩体向下垮落导致地震反射波时间下拉现象发生。采空区在地震时间剖面上的反射特征如图2所示。由图2可以看出, 采空区边界附近煤层反射波振幅减弱、频率降低, 在采空区内部反射波同相轴杂乱无章。
3 不同条件下三维地震采空区研究效果
3.1 表浅层为沙丘的陕北地区
井田位于神府矿区的西南部, 煤层埋深约100 m, 勘探区内为地层倾角平缓的单斜构造。井田内有数个小煤窑, 并且处于开采中。煤系地层稳定, 对比可靠, 目标层是延安组的3-1煤层和4-2煤层, 煤层平均厚度分别为3 m和1 m, 间距约为40 m, 顶板为细粒砂岩、粉砂岩, 底板主要为粉砂岩、细粒砂岩。地表为沙丘地, 介质结构疏松, 对地震波有较强的吸收衰减作用, 大大降低了地震波的能量和频率。
勘探区最浅的3-1煤层被采空之后, 上覆岩体垮塌破碎导致地震波在能量传播过程中衰减剧烈, 引起地震波速度和密度的变化, 在地震时间剖面上表现为反射波同相轴频率降低, 速度降低, 出现如图3所示同相轴下拉现象, 并且影响下组4-2煤层的地震反射波。在解释过程中, 采用方差体技术和地震属性分析技术对3-1煤层做了研究, 图4分别为采空区在方差体顺层切片和均方根属性上的显示。经过地震时间剖面、属性平面分析可以看出:图4 (a) 中黑色区域表明该区内3-1煤层完好无损, 灰色表明该区域内煤层已经被采空;图4 (b) 均方根振幅切片中灰色区域表明3-1煤层没有被采空, 黑色表明3-1煤层已经被采空, 采空区在沿层方差体和均方根属性平面上显示为异常, 面积约为1 km2。后经钻探验证, 准确率较高, 效果较好。
3.2 表浅层为厚黄土丘陵的晋西地区
井田位于晋西北的黄土高原, 黄河东侧, 属于黄土丘陵沟壑地貌, 区内地形复杂, 冲沟、陡坎十分发育, 相对高差200 m。区内构造简单, 煤系地层稳定, 目标层是山西组的2#煤层, 平均厚度为6.2 m, 顶板为细粒砂岩、粉砂岩, 底板主要为粉砂岩或泥岩。
区内解释了两处面积较大采空区, 2#煤层采空区2和采空区3在地震时间剖面上的显示如图5所示。这两处采空区在地震时间剖面上表现为地震反射波同相轴消失, 上下围岩的地震反射波同相轴出现错断或者扭曲, 其频率和振幅发生明显变化;2#煤层采空区2和采空区3在顺层属性切片上的显示如图6所示。
从图6分析可知, 采空区在顺层属性切片上反映明显, 黑色表明2#煤层没有被采, 灰色表明2#煤层已经被采空, 而且得到了验证, 验证效果理想。
4 结论
采空区对煤矿安全生产至关重要, 因此地震地质条件复杂地区的煤矿采空区的探测势在必行。通过对煤矿采空区的理论与三维地震实际应用的分析研究, 利用常规三维地震时间剖面解释和顺层属性解释相结合的方法, 在该类复杂地区圈定采空区的位置和分布范围有一定的理论价值和实际意义。
参考文献
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一种浅层金矿采空区的治理方法 篇2
我国地大物博, 矿产丰富, 有色矿产的开采利用为我国快速发展的重要保证, 然而, 矿产资源的过度开采却破坏了大片美好的自然环境, 很多矿产资源趋于枯竭。有色矿产的开采留下很多地下采空区, 由于这些采空区没有及时得到妥善可靠的回填治理, 时常会在媒体新闻中听到关于采空区坍塌而给人民带重大灾难的报道。本文以辽宁省丹东市某金矿采空区为例, 提出一种治理埋深较浅的金矿采空区的治理方法。
1 工程地质
1.1 地质构造
矿区位于中朝准地台 (Ⅰ) 胶辽台隆 (Ⅱ) 营口-宽甸台拱 (Ⅲ) 的北翼。矿区内构造不发育, 断裂构造多为层间小断裂, 规模小, 一般宽1.00m~4.00m, 总体产状与地层一致, 局部有小角度切层, 走向北东~南西, 倾角<20°~25°, 是矿体赋存的空间。区内褶皱构造为一个平缓的背斜, 其轴向北东50°, 背斜轴为硬碰硬桥组, 两翼为盖县组地层, 西翼地层倾向320°, 东翼地层倾向140°, 一般倾角<20°~25°。该背斜控制矿体的空间分布。
1.2 地层
矿区内出露地层为下元古界辽河群大石桥岩组 (Pt1Ld) 盖县岩组 (Pt1Lgx) 和新生界第四系。
(1) 大石桥岩组
矿区内主要出露该岩组上部二段和三段。大石桥岩组二段 (Pt1Ld2) :主要岩性为二云片岩, 夹二长浅粒岩、含墨透闪大理岩以及方解大理岩等。大石桥岩组三段 (Pt1Ld3) :主要岩石组合为白云石大理岩、透闪大理岩, 夹透辉透闪大理岩。其上部与盖县岩组接触部位是区内金矿体的主要赋矿层位。
(2) 盖县岩组 (Pt1Lgx)
在矿区内分布较为广泛, 岩石组合为含矽线二云片岩、二云片岩、黑去斜长变粒岩、黑云变粒岩夹大理岩透镜体。
(3) 新生界第四系 (Q)
在矿区内广泛分布, 包括坡积物和冲洪积物。主要分布在矿区北部、南部, 坡积物由砂质粘土、亚粘土和砂砾石组成, 冲洪积物由粘质砂土与砂砾石互层。
1.3 工程地质条件
盖县岩组片岩:岩性有云母片岩、矽线石云母片岩夹透闪变粒岩。该层上部岩层在区内分布较广, 层理不发育, 岩石质量等级分类属岩体中等完整。其抗压强度为55.1MPa, φ值为18.3°, 岩体质量系数为4.7, 岩体整体结构质量等级为特好, 岩石稳定性较好。但在断裂发育地段应注意采取防护措施。大石桥岩组大理岩:主要为白云石大理岩、透闪大理岩。其抗压强度52.2MPa, φ值为21.8°, 岩体质量系数为12.5, 岩体整体质量等级为特好。该岩性段岩体稳定性好, 不会对开采活动造成不利影响。矿区工程地质勘探类型属二类, 块岩类, 岩性以结晶变质岩为主, 块状结构, 岩体稳定性较好, 属于简单型。但对于局部构造发育地段, 应做重点调查, 并做相应的安全保护措施。
2 塌陷坑治理方案
2.1 坍塌采空区现况及周边环境 (图1和图2)
杨树金矿采空区分别于2015年4月26日晚和2015年5月2日发生了两次坍塌, 依据现场工程测量成果, 坍塌及地面出现裂缝的区域面积约为2970m2。塌陷坑最大坍塌落距约9m, 发生在塌陷坑的南侧。采空区的顶板距离地表35m~40m, 现已塌陷的采空区是多年前采矿所留下的采空区的一部分, 通往塌陷采空区的巷道分支已被封闭, 从现存未坍塌的巷道分支内可以观察到部分塌陷体也塌落至采空区底面。受采矿时留下的矿柱影响, 部分塌陷体未塌陷至采空区底面, 顶板、矿柱和底板之间还存在较大采空区空间, 形成不完全塌陷区。塌陷区塌落体现状示意如图3所示。
2.2 塌陷坑治理方案
未完全塌陷区可能再次发生坍塌, 因此采用充填的方法以防止塌陷体继续塌落。未完全坍塌采空区的充填首先进行钻孔充填碎 (卵) 石再进行注浆。
(1) 在未完全塌陷区上面布置填料注浆孔, 孔距根据采空区顶板与底板的距离确定, 按采空区平均高度6m, 不考虑石子自由落体速度因素, 碎 (卵) 石自然堆积坡度45°进行计算, 钻孔水平间距为5m。
(2) 采空区填充采用20mm~40mm碎 (卵) 石, 填充碎 (卵) 石时应注意保护孔壁安全, 速度不应过快, 防止填充孔被卡死。采空区碎 (卵) 石填充率≥0.8。
(3) 注浆管采用DN40铁管, 管一端1m长度范围内打孔, 孔径10mm, 孔间距20mm, 制作成花管。
(4) 注浆浆体配合比, 水泥∶粉煤灰∶水=1∶1∶1~1.5, 水泥采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥。
(5) 注浆压力控制在0.7 M P a~2MPa, 注浆流量大于20L/min时应适当添加早强剂。
(6) 注浆压力会逐渐升高, 当注浆压力达到1.5MPa左右, 保压持续10min后可终止注浆孔, 首次注浆24h后应二次补浆。
未完全坍塌采空面积均较小, 以采空区形成的自然边界为界进行区内充填注浆。注浆过程中, 应视察邻近巷道情况, 如有浆液从周边岩缝流入到巷道, 应调整注浆压力、浆液配比, 根据现场实验添加早强剂或速凝剂, 并进行不同时间分阶段多次注浆。
结语
本文所用的浅层金矿采空区塌陷坑周边环境相对简单, 对于塌陷坑的治理本着低施工成本、施工工艺简单、能就地取材的原则进行, 塌陷坑的治理满足了塌陷区治理范围内不再发生严重二次坍塌;恢复塌陷区范围内土地的使用功能的要求。经过半年时间的观察, 地表没有发生再次沉降, 治理方法有效。
参考文献
[1]山西省交通厅.调整公路采空区 (孔洞) 勘察设计与施工治理手册[M].北京:人民交通出版社, 2005.
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[3]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社, 2000.
浅层采空区 篇3
Terra Tem瞬变电磁仪 (以下简称Terra Tem) 被广泛应用于矿产勘探、煤田采空区勘探、水文与工程地质调查、构造测深。特别是近年来在煤田巷道及隧道超前探测方面取得了良好的效果, 保证了煤矿和隧道安全作业。该仪器在稳定性、抗干扰能力、采样速率、分辨率、浅层盲区等方面有着较大优势。
传统的物探数据解释都基于二维剖面、平面解释, 解释时存在视野的局限性, 无法查看异常的空间展布形态。三维内插成图解释是最近几年发展很快的一项显示及解释技术, Voxler是Golden Software公司推出的针对三维数据的显示和体素渲染的一款三维软件, 目前该软件逐步在物探三维数据显示中得到应用[1]。
使用Terra Tem对一处建筑地基勘探, 查明勘探区内是否存在煤矿采空破坏区, 并应用Voxler的三维内插成像对成果数据进行解释, 提高了解释的可靠性。
1 三维空间内插解释
传统瞬变电磁资料解释是根据单条剖面单独解释, 然后把解释的异常连接起来。这样解释的缺点是, 首先无法从宏观把握异常的空间形态, 做到解释前心中有底;其次是解释容易出现空间不闭合的情况, 导致了来回往复解释, 降低了解释的效率, 影响了假异常的剔除, 同时降低了解释的可靠程度。
三维内插需要X、Y、Z坐标和属性列[2]。Voxler按照数据列间分隔符或者人工确定分割标志对数据进行读取, 然后对数据三维内插操作。
工作区采用跟目录方式管理, 即从原始数据体出发, 在数据体跟目录基础之上对数据惊醒操作, 如图1所示。
三维网格化:在工作区内添加网格化模型, 并与跟目录数据体连接, 并在网格化模型中对三维网格化参数设定。
生成多重三维属性图, 包括等值线、表面模型、体渲染模型等。通过单个模型或者多个模型的组合可直观地对数据进行表达。
2 Voxler在某区地基勘探三维解释中的应用
本次勘探区为商业、住宅建设项目用地, 周边有煤矿开采。为查明勘探区地下采空区分布范围, 实施瞬变电磁探测工作, 对采空区威胁加以客观评价, 为建筑施工安全生产提供必要的水文地质资料。
全区共完成瞬变电磁法勘探工作量为:瞬变电磁测线10条, 剖面总长3.8 km, 测量工作点200个, 检测点20个, 实验物理点10个, 总计瞬变电磁法勘探物理点230个。
首先对原始数据体网格化处理。将整理好的数据读入工程, 并与数据进行连接。在网格化模型属性中选择插值方法, 然后开始插值。网格化数据存在网格化模型之中。
(1) 三维切片等值线图。三维切片等值线图可以直观地反映出不同方向、不同深度、不同频率的电阻率变化特征。制作切片需要使用网格化数据, 通过等值线模型、三个方向的切片实现。在Network工作区中添加3个Ortho Image模型, 并与Gridder模型相连。分别将Orientation属性设置为XY Plane、XZ Plane、YZ Plane。在Color Map属性中设置适合的颜色等级。添加Bounding Box模型。通过调整切片号属性 (Slice Number) , 显示不同位置的切片等值线图。三维切片等值线如图2所示。
(2) 三维体素渲染图[1]。三维体素渲染图如图3所示。通过调整电阻率大小以及通过透明度条件, 可直观地判断出电阻率的层状变化, 有利于对地质体起伏形态推断[3]。通过三维体素渲染图可以清晰地表现出一定区间内电阻率的层状特征, 从而对勘探区地层首先有一个整体的特征把握, 为细致平剖对比解释提供依据。
(3) 三维等值面图。空间等值面图为某一特定电阻率值在空间展布形态, 三维空间内清晰直观地反映出这一特定电阻率的整体特征, 为推断地质体规模、倾向、倾角等特征提供解释依据[4]。Voxler的易操作性和模型的多样性等特点, 使其可方便地用于Terra Tem数据资料的三维可视化解释成图中。应用其对Terra Tem电阻率成果数据进行三维插值成图, 可以在三维空间反映出电阻率随深度或频率的变化特征, 从而较为直观地查看勘探异常的分布范围及走向。三维等值面如图4所示。
(4) 提取目的层为切片图。原始采集的数据经过预处理、高程校正、插值反演得到探测区瞬变电磁三维数据体[3]。根据探测区地质情况分析, 分别提取埋深50 m、100 m、200 m视电阻率切面图, 如图5所示。其中埋深50 m对应浅层基岩、100 m切片对应于该地段7煤层, 200 m对应20、21煤层位置。由于提取深度不同, 各深度视电阻率值的绝对大小也不同, 资料解释时是根据同一深度视电阻率值的相对大小进行分析的。
顺煤层中分采空区、非采空区两部分, 若煤层较完整时, 在视电阻率切片图上表现为电性变化相对均匀且连通性较好;若受采动破坏时, 视电阻率值则会变化, 出现极高或极低现象。采空区不积水时, 视电阻率值相对较高;采空区积水时, 视电阻率值相对较低。
3 三维空间解释步骤及优势
三维空间解释分为以下几个步骤。 (1) 通过三维空间插值检查数据质量的可靠程度, 对异常突变点重点关注, 仔细分析其合理性, 区分异常突变点是真实异常还是干扰及装置噪音。 (2) 在去除干扰因素的基础上通过异常的空间走向, 来指导二维剖面解释, 做到平剖一致, 做到不遗漏不增多。 (3) 通过在三维指导二维解释的基础上, 圈定异常体范围, 做出异常体的地质解释。
4 结论
通过应用Voxler三维可视化软件对该勘探区Terra Tem内插成图, 平面与剖面联合解释, 取得良好效果。查明探测区范围内埋深50 m基岩完整性较好, 构造不发育。7煤层有采动现象, 视电阻率值整体较高, 局部发育低阻, 推断低阻区为采动破坏区。20、21煤层整体连续性较好, 未受采动破坏影响。
后期通过实际钻探验证, 在圈定的异常范围内均为采空区分布范围, 推断未受采动影响位置均为煤层连续区域, 与实际地质情况吻合, 说明三维解释在瞬变电磁资料解释中的优势。
摘要：目前瞬变电磁数据解释主要以二维剖面为主, 辅以水平切片, 在对异常分析时, 平剖对比分析以及观测异常空间形态都存在不足。通过Voxler三维插值软件对瞬变电磁数据进行三维插值成图, 实现资料的三维空间解释。Vol Render及Iso surface使瞬变电磁资料实现空间的相关插值, 剔除仪器装置、稳定性干扰及随机噪声影响, 同时更直观地展现异常空间走向, 便于查看异常的空间形态, 提高物探资料的空间解释准确性及有效性。
关键词：Voxler软件,三维可视化,Terra Tem数据,空间解释
参考文献
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[3]闫敬文.数字图像处理技术与图像图形学基本教程[M].北京:科学出版社, 2002.