采空區的特征與探測技術研究

魯 輝 薛云峰 胡偉華

采空區的特征與探測技術研究

魯 輝 薛云峰 胡偉華

（黃河勘測規劃設計有限公司工程物探研究院 河南鄭州 450003）

本文介紹了采空區探測的現狀，分析了采空區的地質和地球物理特征，列舉了常用的地球物理探測方法和一些實例，最后提出了采空區探測目前存在的問題和研究方向。

采空區 探測 特征 建模

1 采空區探測的意義和國內外現狀

1.1探測的意義

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，有的出現了地面裂隙，有的尚未造成明顯的地面破壞。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、工程建設和人民的生命財產造成了嚴重的威脅。特別是在水利工程建設中，如果庫壩區有采空區存在，很有可能影響邊坡的穩定、造成水庫滲漏，并影響臨近礦區的安全生產。例如已經竣工投入運行的黃河小浪底水利樞紐、四川紫坪鋪水利樞紐、正在建設中的南水北調中線工程、包西鐵路和即將啟動勘測的黃河流域某水利樞紐都存在采空區的評價及治理問題，采空區空間分布情況不查明，評價及治理就無的放矢。因此，對采空區進行探測非常必要。

1.2國內外現狀

目前，采空區的探測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技術全面，電法、電磁法、微重力法、地震勘探等都有很高的水平。其中，高密度電法、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。歐洲等國家采空區探測技術也比較全面，俄羅斯多采用電法、瞬變電磁法、淺層地震反射法、井間電磁波透射、放射性測量等，英、法等國家以探地雷達方法應用較好，微重力法、淺層地震反射法也有使用。

近年來，采空區探測成了行業內的熱點和難點問題，引起了國內地球物理工作者的濃厚興趣，紛紛結合自身優勢投入了各種各樣的方法技術，進行了很多有益的嘗試。在各種地球物理方法中，根據其所研究地球物理場的不同，通?？煞譃橐韵聨状箢?

（1）以地下介質密度差異為基礎，研究重力場變化的方法稱為微重力法；

（2）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；

（3）以介質電性差異為基礎，研究天然或人工電場（或電磁場）的變化規律之方法稱為電法勘探(或電磁法勘探)；

（4）以介質彈性差異為基礎，研究波場變化規律的稱為地震勘探；

（5）以介質放射性差異為基礎，研究輻射場變化特征的稱為放射性測量。

主要探測方法分類見圖1：

圖1 地球物理探測方法的分類

2 采空區的特征

2.1礦層的特征

由于采空是由采礦中形成的，所以要想科學而準確地識別采空區，首先應能準確地識別礦層，這就需要對常見礦產的成礦規律及其物性特征有所了解。按礦產類型劃分，常見采空區分為煤礦采空區、金屬礦采空區和非金屬礦采空區三類。成礦規律方面，煤層一般較厚，層位穩定，因此煤礦采空區一般規模較大。而金屬礦則不一定，如豫西鋁土礦礦層形態受下覆奧陶系地層控制，有些區域呈現出不連續的窩狀；物性特征方面，同一種礦產成分比重不同其物性也會有很大差異。比如無煙煤是良導體，表現為相對低阻，而煙煤是不良導體，表現為相對高阻。掌握了這些和采空區探測密切相關的輔助知識，必然會對地球物理方法的選擇提供很大幫助。

2.2采空區的地質與地球物理特征

2.2.1 采空區上下巖層的地質特征

礦產被采出后，礦層中形成空洞，原本平衡的地下應力系統遭到破壞，局部應力集中。上覆地層在應力作用下經過變形、斷裂、位移和冒落，重新達到應力平衡。在這一過程中，共出現了以下特征：

（1）地表。當采空區塌陷時，其地表周圍出現裂縫等現象。

（2）采空區上覆巖層形成了“3帶”，即冒落帶、裂隙帶及彎曲帶。

①冒落帶。在礦層開采過程中，頂板巖層在自重應力的作用下，發生法向彎曲，當巖層內部的拉應力大于巖石的抗拉強度時，頂板巖層開始產生斷裂、破碎，繼而垮落，這部分垮落的巖層稱為采空區的冒落帶。冒落巖體具有一定的碎脹性與壓縮性，其巖塊間空隙較大，連通性好，冒落巖體的體積大于冒落前的原巖體積。隨著冒落巖體穩定時間的加長，其壓實性越好，但不可能恢復至原巖體的體積。碎脹性是冒落自行停止的根本原因。

冒落帶發育高度與上覆巖性及采厚有很大的關系，對于中硬性上覆巖層(陜北地區)其計算公式為：

式中：H為冒落帶高度：m為礦層采厚。

當累計采厚達4m時，其冒落范圍為8.3～13m。可見，目標體雖然僅有4m，但其冒落帶可達近13m。冒落帶改變了上覆圍巖的物性，相對增大了采深比，擴大了異常范圍，有利于采空區的探測。

②裂隙帶。采空區上覆地層中產生了裂縫、離層及斷裂現象，但仍保持層狀結構的那部分巖層稱為裂隙帶，位于冒落帶之上，兩者之間沒有明顯的分界線，均屬破壞性影響區，破壞程度隨離采空區距離的加大而逐漸減小。裂隙帶內的巖層不僅發生垂直于層面的裂縫和斷裂，而且常常產生順層面的離層裂縫。一般下部巖層大多斷開，但仍保持其原有層次；上部巖層裂縫不斷開，連通性較差。

裂隙帶發育的范圍與采空區面積有關，且有正相關關系（見圖2a），與初次開采厚度成正比關系（見圖2b），與累計開采厚度成正相關（見圖2c），與開采后時間的變化也有關系（見圖2d）?？梢?，裂隙帶的發育情況較為復雜，采空區上覆地層的物性因受多種因素的影響，也變得復雜了。

對于中硬性覆巖(陜北地區)其發育高度可用下列公式計算：

如，總采厚4 m，裂隙帶高度可達90m，其影響范圍達100多米。

③彎曲帶。彎曲帶位于裂縫帶之上，直至地表。彎曲帶內巖層在自重應力作用下產生層面法向彎曲，水平方向處于雙向受壓狀態。巖層主要發生移動現象，移動過程具有連續性，并保持其整體性和層狀結構，不存在或極少存在離層裂縫。在地表往往可見到垂直層面、上大下小的楔形地裂縫，向下延伸較短，到一定深度自行閉合。

圖2 裂隙發育高度與影響因素關系圖

采空如埋藏較深，礦層較薄，且上覆巖層堅硬，“3帶”可能不甚發育，但如果地表建造高層建筑將誘發“3帶”的發展。

（3）采空區下覆巖層。在礦層開采過程中，由于受到人為擾動較小，其下覆巖層基本穩定，與原始地層相比變化不大。

2.2.2 采空區的物性特征

隨著采空的形成和時間的推移，采空部位及其圍巖將會表現出一些明顯的物性變化，這就給地球物理方法探測采空區提供了前提條件。

礦產被采出后質量虧損已經形成，給微重力法提供了前提條件。在不同的水文地質條件下，采空區會表現出不同的電性特征，采空區內泥水充填時表現為相對低阻特征，空氣充填時表現為相對高阻特征。而且采空區與圍巖交界處常常會形成較強的介電常數和波阻抗界面。這就給電法（電磁法）勘探和地震勘探提供了前提條件。隨著時間的推移，采空區上覆地層“3帶”逐漸發育，“3帶”和影響范圍外原狀地層相比層狀結構遭到破壞，巖體變得疏松，導致其波速降低，電阻率升高，采空區內富集的放射性射氣也會透過“3帶”向地表游離。“3帶”的存在不但放大了采空的影響范圍，也為放射性測量提供了前提條件。

2.2.3 采空區的識別

根據采空區及其圍巖的物性變化特征，下面介紹幾種常用地球物理方法物性剖面圖上采空區的表現特征。

（1）電法（電磁法）。正常沉積地層結構在電阻率等值剖面圖中呈大致平行的層狀分布，當礦產被采出后，礦層出現缺失或中斷，采空部位的電阻率等值線發生畸變扭曲。如果采空體積較大，隨著時間的推移采空上覆地層形成“3帶”，上覆地層層狀巖體結構被破壞，“3帶”的電阻率等值線會變得比較雜亂，離采空越近分層效果越差。而采空區底板巖體一般受到擾動較小，電阻率等值線形狀相對平緩，層狀特征仍然很明顯。

（2）地震勘探法。礦產被采出及其頂板遭受破壞后，在地震時間剖面上采空部位出現同相軸中斷或消失，同時由于采空區上覆地層“3帶”的形成，地層層狀結構被破壞，巖體變得疏松，對地震波產生較強的吸收頻散衰減作用，使反射波頻率降低，同相軸變得不規則、紊亂甚至產生畸變。采空區底板巖體則由于擾動小而變化不明顯，同相軸清晰可辨，成為在地震時間剖面上識別采空區的一個重要標志。

3 探測方法及實例

3.1電法

3.1.1 高密度電法

高密度電法是在常規電法的基礎上發展而來的，它是先將全部電極一次性布設好，測量時通過控制程控式多路電極轉換器實現電極排列方式、極距和測點的快速轉換，短時間內可采集到大量的數據。再利用配套的處理軟件,對采集的數據進行各種處理，成果直觀可靠。該方法具有工作效率高、精度高等優勢，但對接地條件有要求，很難穿透高阻層，探測深度亦有限。

3.1.2 實例

（1）工程和地質概況。豫西某鋁土礦即將正式開采，但由于前期民間的無序開采使得礦區內存在為數眾多且分布不明的采空區，這些采空區有的只有巷道大小。工區地質條件復雜，薄層較多，地層尖滅現象也很普遍。主要地層有，第四系（Q），河床堆積礫石層、亞沙土和黃土；第三系（N），石英砂巖、長石石英砂巖；二疊系下統山西組（P1s），砂巖、黏土頁巖、煤層及炭質頁巖；二疊系下統下石盒子組（P1x），石英砂巖、灰色粉砂巖、泥質頁巖、黏土巖夾薄層煤。據調查，測區水文地質條件復雜，采空區內有的泥水充填，有的空氣充填。

（2）高密度電法建模分析。模型根據測區實際地質情況而建立。模型的設計參數如表1所示，其中在模型的第3層中設計了厚度為7.5m、寬度為40m的地質異常體，通過改變異常體的電阻率來模擬采空區的充填情況。正演均是采用電極距為5m的溫納裝置進行的。正演結果顯示，采空區是高阻時其造成的異常與下覆基巖分界不清，只能根據電阻率的起伏狀況來進行確定。而當采空區是低阻時，即使與圍巖相比電阻率差異不大，采空區異常也非常明顯。這就說明用高密度電法探測空氣充填的采空區沒有泥水充填的采空區效果好。

表1 高密度電法正演模型的基本參數

（3）典型成果。圖3為199#礦井附近d1測線高密度電法視電阻率擬斷面圖。由圖3可以看出，在水平距離95.0m、高程475.0m處有一高阻團，結合地質和調查資料推測該處為采空區，且空氣充填。采空部位上方電阻率曲線發生變形，說明上覆地層有一定坍塌。2009年業主對物探成果進行了打鉆驗證，在該測線距離95.0m、高程483.0m處發生掉鉆現象，說明該采空區確實有一定坍塌。

圖3 d1測線高密度電法視電阻率擬斷面圖

3.2電磁法

3.2.1 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，間接解決如陷落柱、采空區、斷層等地質問題。該方法具有分辨能力強、抗干擾能力強、不受接地條件限制、受地形影響小、能穿透高阻覆蓋層等優勢，但測區植被茂盛時施工較困難。

3.2.2 實例1

（1）工程和地質概況。四川某水利樞紐工程，壩址區施工過程中發現多處以往煤礦生產形成的采空區，需要查明處理。工程區屬于高傾角地層，地質條件復雜，基巖主要為三迭系的一套湖沼相含煤砂頁巖地層，表層為第四系松散堆積層。測區內地形起伏變化較大，據調查采空區內一般空氣充填。

（2）試驗效果和典型成果。根據已知FMD8煤洞上方的試驗測線的實測瞬變電磁法視電阻率擬斷面，煤洞實際位置位于9號測點下方，且空氣充填。在9號測點半衰時4.0ms深度有一個明顯的高阻異常，應為采空區的反應，說明瞬變電磁法探測本測區采空區有效可靠。

3.2.3 實例2

圖4為G3測線瞬變電磁法采空區探測成果圖，從圖4可以看出在測線樁號50～60m、時間深度8.5～10.5ms處有一明顯橢圓狀高阻體（橢圓圈圈出部位），綜合地質和調查資料推斷此處為采空區，其上覆地層分層尚可，說明采空區沒有發生明顯塌陷。

3.3可控源法

3.3.1 CSAMT法

CSAMT法（可控源音頻大地電磁法）是采用大功率人工場源，沿一定方向布置接地導線AB，長度一般為1～3km，向地下供入頻率為f的交變電流，形成交變電場。一般在接地導線的一側或兩側600張角的扇形區域內，平行接地導線布置測線進行測量（見圖5）。在每一個測點進行觀測時，逐次改變供電頻率，觀測沿測線方向相應頻率的電場分量Ex和與之正交的磁場分量Hy，便可以計算出隨頻率變化的視電阻率和阻抗相位，以達到頻率測深的目的。該方法具有信噪比高、探測深度大、工作效率高等優勢，但對接地條件有要求，有時人工場源的場地條件不易滿足，設備也比較笨重。

圖4 G3測線瞬變電磁法采空區探測成果圖

圖5 CSAMT法野外工作布置示意圖

3.3.2 實例

（1）工程和地質概況。南水北調中線一期工程是國家重點工程，工程總干渠某段經過一個煤田，該礦區地下存在大量分布不明的采空區，對總干渠線路的選址造成很大的困擾。工區覆蓋層主要為中更新統（Q2）和上更新統（Q3）粉質壤土，其次是上第三系的黏土巖，第三系的黏土巖的下部是（粉）砂巖、泥巖夾薄層砂質、泥質頁巖或頁巖等巖層，煤層夾雜在薄層之間，最下面為奧陶、寒武、震旦紀地層。

（2）典型成果。圖6為南水北調中線一期工程某段Ⅲ測線CSAMT法視電阻率擬斷面圖。由圖6可以看出，在測線距離80～500m、埋深100～450m范圍有一明顯低阻區域，該區域電性分層不清晰，雜亂無章，說明該區域巖體層狀結構已經發生了改變，泥水充填，判為采空區。結合地質資料和異常厚度推斷該采空區已大面積塌陷。在埋深480m以下，電性分層清晰，電阻率較高，推斷深度480m左右為采空區底板。2011年該段開工，對采空區進行鉆探注漿處理，本測線探測成果得到了驗證。

3.3.3 EH-4大地電磁法

EH-4大地電磁法屬于可控源與天然源相結合的一種大地電磁測深系統。該系統通過天然背景場源獲得深部構造的信息，通過一個便攜式低功率發射器發射1～100kHz人工電磁訊號來獲得淺部構造的信息，以此來補償天然訊號的不足。可在地面觀測相互正交的電磁場分量Ex、Hy和Ey、Hx，通過計算確定介質的電阻率值。連續的測深點陣可以組成地下二維電阻率剖面，從而獲得高分辨率的電阻率色譜圖。該方法設備輕便簡單，受地形影響小，可穿透高阻層，但易受電磁干擾，且工作效率不高。

圖6 Ⅲ測線CSAMT法視電阻率擬斷面圖

3.3.4 實例

（1）工程和地質概況參見3.1.2實例，為同一測區。

（2）大地電磁法建模分析。本模型由測區實際地質情況簡化而來。在背景電阻率值為1000 Ω.m的均勻半空間內，有一埋深為200m的200m ×160m的低阻體,其電阻率值為100Ω.m。我們采用50m×40m的網格對該模型進行網格劃分,取頻率范圍為10～100kHz,對該模型進行正演模擬。在對該模型的正演結果進行二維RRI反演時,選擇初始模型電阻率值為1000Ω.m,設置其橫向網格大小與正演模型相同,縱向網格前三層為10m,隨后以1.1倍增加。對該模型分別進行TM模式反演、TE模式反演和TE模式與TM模式聯合反演,就會得到如圖7（b）～（d）所示的反演結果。

對于圖7（b）所示的TM模式的反演結果,很明顯,由于淺部低阻異常的影響,導致TM數據在縱向上有一個低阻條帶畸變,這明顯是由靜態效應引起的。對于圖7（c）所示的TE模式的反演結果，很好地圈定了低阻異常體的位置和大小。對比TM模式反演結果和TE模式反演結果可知，對于同一剖面，TM模式的數據受靜態效應的影響程度一般要大于TE模式的數據。對于圖7（d）)所示的TE模式與TM模式聯合反演的結果，也很好地圈定了低阻異常的位置和大小，并且其背景值更接近真實情況。

圖7 不同模式的反演結果

（3）典型成果。圖8為326#礦井附近b1測線EH-4大地電磁法視電阻率擬斷面圖。由圖8可以看出，在埋深40.0～70.0m范圍內有一透鏡狀地層，結合地質和調查資料判斷其為鋁土礦層。在鋁土礦層中，距離0～15.0m段，埋深45.0～60.0m范圍內有一明顯相對低阻團，推斷為采空區，且為泥水充填，采空區上覆地層分層較好，說明采空區沒有明顯坍塌。2009年業主對物探成果進行了打鉆驗證，該測線樁號8.0m、埋深45.0m處打到了采空區。

圖8 b1測線EH-4大地電磁法視電阻率擬斷面圖

3.4淺層地震反射波法

地震反射波法是利用地震波在彈性介質傳播的理論，通過人工激發的地震波向地下深部傳播，遇到波阻抗界面產生反射，用檢波器接收反射波信號，并對信號進行時頻特征和振幅特征分析，用以推斷界面深度、構造形態及其物性參數。該方法具有數據處理技術成熟、地球物理特征明顯等優勢，但易受震動干擾，探測深度大時震源問題不易解決。

3.4.1 實例

（1）工程和地質概況。太原至中衛（銀川）鐵路工程是國家重點投資的新建鐵路工程，線路經過的某段，小煤窯較多，采空區分布復雜，有待查明。測區地層有新生界第四系全新統、更新統，第三系上新統，古生界三疊系、二疊系上統、下統，石炭系中統、上統，奧陶系中統、下統，寒武系中統、上統，元古界長城系，以及太古界地層。

（2）淺層地震反射法建模分析。地震地質模型是根據測區實際地質情況建立的。采空區設計在中心埋深50m處，采空區的規模為20m× 20m，具體的參數設置詳見表2、表3。根據地質模型和正反演結果，從模型（a）的正演結果來看，在采空區的位置出現了反射同相軸的中斷，并有繞射伴生，模型（b）也是在采空區的位置出現了反射同相軸的中斷，在下方以后延續的反射波出現。這個特征可能對判斷采空區的充填情況有幫助。

（3）典型成果。圖9為太中銀線柳林段VV-VV’測線淺層地震反射法地震時間剖面圖。如圖9所示，圖中近似水平的同相軸（黑粗線條）表示波速差異較大的巖性分界面，如果同相軸連續說明巖體完整，如果發生中斷則可能是斷層或采空區。從圖中可以看出在時間深度0.20s，樁號204～231m范圍內（方框圈出的部位）上下幾個同相軸出現中斷、不連續、層位雜亂，綜合地質和調查資料推斷此處為采空區，且有坍塌。據業主反饋，該測線探測成果和他們掌握的情況基本一致。

表2 地震地質模型（a）設置參數表

表3 地震地質模型（b）設置參數表

圖9 VV-VV’測線淺層地震反射法地震時間剖面圖

4 存在問題及研究方向

4.1存在問題

首先，人們對采空區的定量解釋精度提出越來越高的期望，如豫西某采空區探測項目業主要求明確采空區的頂底板以及充填物，以便指導生產。又如南水北調中線一期工程某段采空區探測項目業主要求繪制出采空區形態圖，以便估算灌漿量等。其次，大埋深、小規模的未充水采空區的探測效果仍不理想。再則，目前采空區探測缺乏一套實用的系統理論。

4.2研究方向

（1）細化建模分析技術，再結合采空區激光掃描系統，提高定量解釋精度；

（2）研究提高淺層地震反射分辨率的途徑，對大埋深、小規模的未充水采空區進行有益的嘗試；

（3）建立一套包含常見礦產成礦規律及其物理性質、采空區的破壞規律、復雜地質條件下無序分布采空區的綜合物探解決方案、采空區穩定性評價和變形監測技術的系統理論。

1 孫宗第. 高等級公路下伏空洞勘探、危害程度評價及處治研究報告集[R]. 北京：科學出版社, 2000.

2 地礦部物化探研究所情報室. 日本工程物探技術譯文集[M]. 北京：地礦部物化探研究所情報室, 1984.

3 賈東新, 王自強, 徐慶魁. 淺層地震法在煤層采空區探測中應用[J]. 河北煤炭，1999.

4 靳聚盛. 地震勘探方法圈定老窯采空區[J]. 中國煤田地質. 1998.

5 湯井田, 肖曉等. RRI方法在EH-4數據解釋中的應用[J].地質與勘探，2008.

6 楊建軍, 吳漢寧等. 煤礦采空區探測效果研究[J]. 煤田地質與勘探, 2006.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.009

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魯輝（1980年- ），男，工程師。