1、采空區探測技術研究現狀及發展趨勢作者：薛云峰 胡偉華 魯輝 摘 要本文在研究國內外采空區探測技術的基礎上，對采空區探測方法進行了分類，分析了各種方法地球物理場的特點及解決問題的優勢和缺陷，提出了根據采空區的特點，建立探測方法的數學物理模型，優化綜合探測技術，提高探測結果準確性和可靠性的結論。關鍵詞采空區 地球物理探測 發展趨勢1 采空區探測的目的與意義礦產作為一種重要的資源，其開采形成的采空由于歷史的原因，大多未進行有效地治理，而處于廢棄狀態，有的采空區出現了大面積的地面沉陷，有的采空出現了地面裂隙，有的尚未出現明顯的反映，采空作為人類活動產生的潛在地質災害之一，給礦山的安全生產、工程建設和人

2、民的生命財產造成了嚴重的威脅。要對采空區治理，對采空區的地理位置、埋深、現狀情況進行了解是關鍵，只有對采空區的空間分布狀態有了充分的了解，治理才能有的放矢。因此,為減輕和預防由地下采空區所引發的地質災害,建立地質災害預警系統,探索用綜合物探方法探測采空區的分布，為評價和治理提供依據是十分迫切和有意義的。目前,采空區的探測已經成為一項重要的研究課題,但是仍處于發展階段。2 采空區探測方法的研究現狀采空區的探測，目前，國內外主要是以采礦情況調查、工程鉆探、地球物理勘探為主，輔以變形觀測、水文試驗等。其中，美國等西方發達國家以物探方法為主，而我國目前以鉆探為主，物探為輔。在美國，采空區等地下空洞探測

3、技術全面，電法、電磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平。其中，高密度電阻率法、高分辨率地震勘探技術尤為突出，且近年來在地震CT技術方面也發展迅速。日本的工程物探技術在國外同行業中處于領先地位，應用最廣泛的是地震波法，此外，電法、電磁法及地球物理測井等方法也應用得比較多，特別是日本VIC公司80年代開發研制的“GR-810”型佐藤式全自動地下勘察機，在采空區、巖溶等空洞探測中效果良好，且后續推出的一系列產品都處于國際領先水平。歐洲等國家工程物探技術也較全面，在采空區的探測上，俄羅斯多采用電法、瞬變電磁法、地震反射波法、井間電磁波透射、射氣測量技術等，英、法等國家以地質雷達方法應用較好，微重力法

4、、淺層地震法也有使用。國內近年來在利用地球物理勘探技術查明地下采空區方面作了大量的工作，采空區的探測成了工程地球物理的熱點和難點問題，引起了地球物理學者的廣泛關注，投入了各種各樣的方法和技術，在各種物探方法中,根據其所研究地球物理場的不同,通常可分為以下幾大類:以地下介質密度差異為基礎,研究重力場變化的方法稱為重力勘探；以介質磁性差異為基礎,研究地磁場變化規律的方法稱為磁法勘探；以介質電性差異為基礎,研究天然或人工電場 (或電磁場)的變化規律的方法稱為電法勘探(或電磁法勘探)；以介質彈性差異為基礎,研究波場變化規律的方法稱為地震勘探； 以介質放射性差異為基礎,研究輻射場變化特征的方法稱為放射性

5、勘探；以地下熱能分布和介質導熱性為基礎,研究地溫場變化的方法稱為地熱測量等。主要探測方法分類如上圖。2.1 重力勘探方法重力勘探方法是利用地下地質體質量虧損或盈余,在地表觀測他們引起的重力異常，從而確定地下地質體的分布、大小、邊界等。采空區因開采形成質量虧損,從而形成低重力異常。在煤礦采空區保存完整時,形成低值剩余重力異常。在采空區塌陷而不充水時,質量虧損值不變,但負密度值減小而影響厚度增大；充水時,虧損質量得到一定補償,比在不充水的同樣情況下,負密度值減小。無論在采空區實際存在哪種情況,按一般規律都可測出局部剩余重力異常。使用高密度、高精度微重力測量和適當的資料處理解釋方法,在面積上控制采空

6、區范圍。采用數字地形多剖分體高精度地改方法及三維解釋方法,以達到提高解釋精確性。2.2 電磁方法(1)高密度電阻率層析成像法在現場測量時,將全部電極設置在一定間隔的測線上,然后用多芯電纜將其連接到程控式多路電極轉換器上,使電極布設一次完成。為了準確、快速地采集大量數據,測量時通過程序控制實現電極排列方式、極距和測點的快速轉換。并利用與系統配套的電法處理軟件,對采集的數據進行各種處理,結果進行圖示,使解釋工作更加方便、直觀。李清林等1利用某電廠采空區和電阻率層析成像測量的結果,探討了電阻率層析成像測量在煤礦采空區和斜風井巷道中的應用，結果表明,電阻率層析成像二維測量方法在煤礦采空區和斜風井巷道的

7、探測和定位是準確和可行的；煤礦采空區和斜風井巷道內若沒有水體存在,電阻率層析成像二維測量成果圖中一般都是高阻異常封閉圈,如有水體存在則表現為低阻異常封閉圈。(2)瞬變電磁法瞬變電磁法是向地下發送一次脈沖磁場的間歇期間,觀測由地下地質體受激引起的渦流產生的隨時間變化的感應二次場,二次場的大小與地下地質體的電性有關:低阻地質體感應二次場衰減速度較慢,二次場電壓較大；高阻地質體感應二次場衰減速度較快,二次場電壓較小。根據二次場衰減曲線的特征,就可以判斷地下地質體的電性、性質、規模和產狀等,由于瞬變電磁儀接收的信號是二次渦流場的電動勢,對二次電位進行歸一化處理后,根據歸一化二次電位值的變化,間接解決如

8、陷落柱、采空區、斷層等地質問題。該方法具有分辨能力強、工作效率高、受地形影響小、能穿透高阻覆蓋層等優勢,迅速發展成為高效、快捷的物探方法。劉君2將瞬變電磁法應用于某采空區探測,效果良好，不僅推斷出地下采空區的范圍,而且判斷了采空區的積水情況。(3)甚低頻電磁法甚低頻電磁法一般用頻率為1525 kHz電臺發射的電磁波作為場源。當電磁波在傳播過程中遇到地質體時,使其極化而產生二次電流,從而引起感應二次場,一般情況下二次場和一次場合成后的總場與一次場的振幅方向、相位均不相同,即引起了一次場的畸變。使用專門的儀器通過測量某些參數的畸變,可發現采空區的存在。甚低頻電磁法工作方法通常又分傾角法和波阻抗法兩

9、種，在探測高阻體時,一般選用波阻抗法進行甚低頻電磁法測量,測線方向盡量與發射臺方向一致或與該方向夾角最小。(4)探地雷達探地雷達是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖,從地面通過天線T送入地下,經反射體反射后返回地面,通過天線R接收。在介質中傳播時,其電磁波強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態而變化。所以,根據接收到波的雙程走時、幅度與波形資料,可推斷介質的結構。探地雷達適用于探測深度較淺的目標體,由于可以更換不同頻率的天線,適用面較廣,且探測分辨率高,在工程中的應用已經得到認同。探地雷達數據可采用專用軟件進行處理,著重進行振幅恢復、濾波、F-K濾波、反褶積處理,獲得信噪比較高的時間剖面,提高了

10、有用信號的識別,雷達時間剖面比較真實全面地反映了地下介質的變化情況,保證了資料質量,并利用地下介質的電性差異來進行分層及查明地下異常地質體。該方法具有快捷、精確的特點,尤其是對地下采空區、人防工程洞室、地下溶洞等的探測更具有優越性。(5)MT、AMT、HMT和CSAMT法大地電磁法（MT）、音頻大地電磁法（AMT）和高頻大地電磁法（HMT）本質上都屬于采集天然場信號的被動源頻率域電磁方法，差別在于采集信號的頻率不同，相應的探測深度和分辨率不同。高頻大地電磁法（HMT）采集的信號頻率較高，最高可達100KHz，研究的深度較淺，從地下的十幾米至上千米。這個深度范圍內恰是人類礦山開采、地下工程建設、

11、地下水資源開發等生產活動最活躍的深度。因此，高頻大地電磁法在短短的十多年來無論在理論研究，還是儀器實現方面都獲得了極大的發展，已成為中深度采空區探測的主要方法3。該方法不需要人工場源，成本低廉，具有較大的勘探深度，不受高阻層屏蔽的影響，對低阻層有較高的分辨能力。可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是利用兩端接地的有限長導線作為發射源，使用人工源激發交變電磁場，在地表觀測電磁響應并計算波阻抗以及視電阻率進行勘探的一種方法。由于可控源電磁法具有高分率的特點，能夠在電性上地質異常，成為采空區探測的方法之一。該方法的最大的特點是采用人工場源，大大增加了電磁信號的強度，彌補了天然場源信號微弱，不易觀測等缺

12、點。但是該方法由于場源的存在，也有著其固有的不足，如場源附加效應，近區效應，場源陰影效應，過渡帶效應及設備笨重等，在一定程度上影響了該方法的應用。2.3 地震勘探地震勘探是利用地層和巖石的彈性差異來探測地質構造、尋找有用礦產資源的重要地球物理勘測方法。波在傳播過程中,當遇到彈性分界面將產生反射、折射和透射,接受其中不同的波,就構成了不同的地震勘探方法。在采空區探測中,地震方法也得到廣泛的應用。(1)淺層地震反射波法地震反射波法是利用人工激發的地震波在地層的傳播過程中,在波阻抗界面上產生的反射信號進行分析,用以推斷界面深度、構造形態及其物性參數。在煤層采空區引起的上覆巖層破壞對地震波有很強的吸收

13、頻散衰減作用,使反射波頻率降低,破碎圍巖及裂隙對地震波衰減還表現為反射波波形變得不規則、紊亂甚至產生畸變,采空區下方則由于巖層相對完整而變化不明顯,是在地震時間剖面上識別煤層采空區的另一個重要標志。即煤層采空及其頂板遭受破壞后,在地震時間剖面上反射波組的中斷或消失,同時煤層頂部結構的不規則破壞,也將產生各種低頻干擾。(2)瑞雷波法常規物探方法在對“房-柱”式開采造成的面較小、埋深較淺的采空區進行探測時存在漏報或誤報的情況。而瑞雷波法在采空區探測中更具實用性和有效性。瑞雷波是一種沿著自由界面傳播的面波,如地層與空氣、水之間形成的界面。瑞雷波在層狀介質中傳播時,相速度隨頻率變化而變化,有明顯的頻散

14、特性,頻散特性與地層瑞雷波相速度及空間分布有惟一的對應關系;瑞雷波與橫波、縱波相比能量強、波速較小,容易分辨且分辨率高,重復性好;瑞雷波相速度與層內的橫波速度有著明顯的相關性,當地層的泊松比較大時,瑞雷波的相速度與橫波速度相差小于5%;瑞雷波的穿透深度與激發波長有關,其穿透深度為一個波長,激發的頻率越低,勘探深度越大。當采空區未發生塌陷時,瑞雷波傳播到這些位置時將突然消失或散射,頻散曲線在采空區頂板處表現為“之”字形拐點,而且速度迅速下降,從而可以在縱向上確定未塌采空區的范圍;當采空區發生塌陷后,引起煤層上部地層結構疏松,瑞雷波速度降低,在頻散曲線上,受影響地段瑞雷波速度顯著降低,據此可以在橫

15、向上確定出塌陷區的范圍,在縱向上確定出塌陷影響范圍4。(3)鉆孔彈性波CT彈性波CT方法,又稱地震波層析成像技術。這種技術利用大量的地震波速度信息進行專門的反演計算,得到測區內巖土體彈性波速度的分布規律。鉆孔彈性波CT是近年來隨彈性波CT技術發展起來的,旨在探測鉆孔間的地質構造情況。方法是在一個鉆孔內不同深度放炮,在其他鉆孔內安置檢波器接收,從所獲得的地震記錄中拾取地震縱波初至,通過不同的數學方法在計算機上重建探測區內速度場,利用速度分布對應各種地質異常的分布或應力分布,直觀地以剖面形式給出兩鉆孔間地質異常體賦存的狀態,從而確定異常范圍。2.4 放射性測量自然界中存在的天然放射性同位素廣泛存在

16、于巖石、土壤和水體中,不同巖性和不同類型的土壤放射性元素含量不同。在采空區探測中常用的放射性方法是氡氣測量。由于該方法測試場地的適應性較強,而且不受地電、地磁影響,探測深度較大,在采空區探測中有良好的應用效果。氡是天然放射性鈾系氣體元素,直接母體是鐳,鈾又是鐳的母體,母體元素的含量水平在一定程度上決定了巖石、土壤中氡濃度的高低。由于團族遷移、接力傳遞、擴散、對流、抽吸等作用,其表現出很強的遷移作用,容易從深部向上擴散并進入土壤中。因此,在鈾鐳富集地段、地質構造破碎帶上方、采空區上方都可形成氡的富集,而在其附近地段氡含量明顯減少。這是尋找鈾礦體、構造破碎帶、采空區、陷落柱及地下水資源等的重要依據

17、5。山西煤田水文地質隊多次將氡氣測量法應用于地下采空區的探測,為了查明山西萬家寨引黃工程北干線1號隧洞附近煤礦采空區及對引水隧洞的影響,對采空區進行綜合地質勘查時使用了氡氣測量法,收到了很好的應用效果。3 探測方法的發展趨勢隨著科學技術的發展和計算機技術的應用,許多新方法、新技術不斷地被引入物探領域,為地球物理方法的進一步發展開辟了廣闊的前景。由于地球物理方法是以觀測各種地球物理場的變化規律為基礎的,因此,當應用物探方法來解決各種地質問題時,它必須具有一定的地質及地球物理條件,才能取得滿意的效果。這在采空區探測中也不例外。這些條件主要是:探測對象與周圍介質之間有比較明顯的物性差異； 探測對象必

18、須具有一定的規模(即其大小相對于埋藏深度必須有相應的規模),能產生在地面上可觀測的地球物理異常場； 各種干擾因素產生的干擾場相對于有效異常場必須足夠小,或具有不同的特征,以便能進行異常的識別。這些條件也就是物探工作能取得良好效果的前提。 在物探資料的解釋中還存在多解性的問題,即對于同一異常場有時可得出不同的地質解釋。這種情況往往是由于復雜的地質條件和地球物理場理論自身的局限性造成的。為了克服這種多解性的影響,應盡可能地利用多種物探方法的成果,尤其是已知的地質資料,進行綜合分析解釋,以便得到確切的地質結果。隨著勘探工作的不斷深入,人們要求的勘探的精度不斷提高,待解決問題的復雜性和難度加大,單一物探方法已不能滿足新形勢的要求,雖然有的方法優點明顯,但是單一方法往往對地質異常體很難定性,因此綜合物探方法得