國內外采空區勘察與探測方法綜述

鄭志龍， 車 琪， 宋書志

(1. 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072；2. 內蒙古北方時代設計研究院股份有限公司， 內蒙 赤峰 024000)

0 前 言

采空區[1]是指地下礦產被采出后留下的空洞區，按礦產被開采的時間，可分為老采區、現采區和未來采區。地下礦層大面積采空后，礦層上部失去支撐，原始地應力平衡被打破，采空區上方巖體隨之發生變形，其總的過程是自下而上逐漸發展的漏斗狀沉落，一般在采空區上方形成三個變形帶，即“三帶”：冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。隨著離層裂縫的不斷發生、發展與閉合，上覆巖體變形逐漸由下向上傳遞。當采空區足夠大時，地表往往會形成一個比采空區面積大得多的下沉盆地。在開采沉陷過程中，受重力等地應力作用，上覆巖體變形破壞形式主要包括冒落、彎曲、斷裂、層間錯動、離層、剪脹、冒落巖塊壓密、巖石浸水軟化等。在經過一系列變形破壞之后，采空區上方巖體通過不斷的應力調整，最后達到新的應力平衡狀態，處于暫時的穩定狀態。受人類工程活動(如在采空區上方修建建筑物、礦產的進一步開采及地下強抽水等)及自然因素(強降雨、地震等)影響，采空區上方巖體新建立的應力平衡又被打破，采空區發生進一步的變形破壞，由此帶來一系列環境巖土工程問題，如平地積水、道路裂縫、房屋倒塌、耕地減少等，對人們的生產、生活及人身安全造成重大影響和危害。因此在工程建設時，必須對采空區的位置、范圍、邊界等進行探測勘察，并對采空區的穩定性作出分析評價。

目前，國內外對于采空區的研究主要集中在采空區的探測技術、穩定性評價技術、治理技術及質量監控技術四個方面[1]。采空區探測技術作為采空區研究的重點課題之一，其仍舊處于不斷發展的過程中，在傳統探測技術的基礎上挖掘新的探測方法及探索各類方法的綜合應用十分必要。采空區探測技術的研究具有重要的理論意義與實踐價值。

1 采空區勘察與探測方法

目前，國內外采空區的勘察與探測[1]主要是基于對采礦情況的調查及資料收集，采用地球物理勘探、工程鉆探、變形觀測及水文試驗等手段進行。美國等發達國家主要采用物探方法。近年來我國物探技術發展較快，采空區探測也多采用物探方法，并加以鉆探驗證。

1.1 收集資料與調查訪問

采空區勘察與探測首先建立在對開采資料的收集及采礦情況調查的基礎上。若缺乏開采的相關資料，僅通過鉆探和物探方法查明采空區的情況極為困難，且費用很高。調查訪問可以了解開采期間地面變形破壞情況和井下開采情況。資料收集及調查訪問是科學布置勘探工作量的依據，可以節省大量的勘察費用和縮短工期。因此，對于采空區場地，收集采礦相關資料極為重要。

1.2 工程物探

用于地下采空區探測的物探種類很多，主要包括電法、電磁法、地震波法、聲波法、重力法等幾類[2]。各種不同的物探方法都有各自的特點、一定的適用條件和應用范圍。在采空區探測實際應用中，應根據不同的探測對象，合理選取信息量最大的、最可靠、最適用的物探方法以獲得最好的探測效果及最高的探測精度。

1.3 鉆 探

鉆探是以“點”的方式有效揭露地層及地下開采情況的勘探方法。借助鉆探能詳細查明鉆孔剖面上的巖性特點、巖心采取率、RQD值、沖洗液漏失情況及數量、掉鉆卡鉆現象、煤心采取率、冒落物特點等。根據這些資料能有效地了解“三帶”分布、冒落物的密實程度、采空區充水性和連通性等。鉆探過程中采取巖土試樣進行室內試驗，取得建筑物設計所需的物理力學性質指標。對于開采圖件齊全且準確的場地，鉆孔布置及深度可以不考慮采空因素，按正常地表土條件確定。

采空區的勘察必須根據工程的特殊技術要求、場地地質條件及物探方法的特點與適用條件，選擇相應的物探方法及其組合，并以一定數量的鉆探對物探的結果進行驗證。通過對比鉆探和物探資料，修正物探結果，以點帶面，就能綜合判斷地下開采情況。

2 采空區探測主要的物探方法

2.1 微重力勘探

微重力勘探方法是利用地下地質體質量虧損或盈余，在地表觀測它們引起的重力異常，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。在采空區塌陷且不充水時，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。因此，微重力法是采空區勘測的重要方法之一。在國內，王延濤[3]等采用微重力勘探方法對山西某煤礦采空區進行了探測，探測結果表明該方法能夠基本查明采空區的邊界，是采空區探測一種較方便、有效的勘探方法。唐沛[4]對微重力法在巖溶山嶺隧道勘察中的應用進行了研究，研究結果表明微重力法比較適用于地形復雜山區溶洞的勘察。

2.2 電法與磁法勘探

2.2.1 雙頻激電法

雙頻激電法，即激發極化法(IPM)，是以巖礦石電化學性質為物理前提的一種物探方法。雙頻激電法的核心是把兩種頻率的方波電流疊加起來，形成雙頻組合電流(高、低兩種頻率)。雙頻激電法將疊加形成的雙頻組合電流同時供入地下，接受來自地下含有兩個主頻率的激電總場的電位差信息，經過儀器內部的放大、選頻、檢波等一系列步驟，一次性同時得到低頻電位差和高頻電位差。雙頻激電法的基本原理如圖1所示。

圖1 雙頻激電法原理示意

巖層與采空區之間存在的較大的電性差異是利用雙頻激電法探測采空區的物理前提。基于此，余傳濤[5]等采用雙頻激電法對某已知煤礦采空區進行了探測試驗，試驗結果表明雙頻激電法用于探測煤礦采空區是可行的。

2.2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法 (TEM)其物性基礎是地質體的電阻率差異。該方法是向地下發送一次脈沖磁場，地下地質體受激引起隨時間變化的渦流感應二次場，二次場的變化特性與地質體的電性有關，高阻地質體感應二次場電壓較小；二次場衰減速度較快；低阻地質體感應二次場電壓較大，二次場衰減速度較慢。根據二次場衰變特征, 就可以判斷地質體的性質、規模等。其原理如圖2所示。

圖2 瞬變電磁法原理示意

瞬變電磁法是一種極具發展前景的方法，可查明含水地質體，如巖溶洞穴與通道、煤礦采空區、深部不規則水體等。王俊茹[6]等采用瞬變電磁法在某高速公路采空區進行了應用研究，結果表明該法能較好地查明采空區的分布位置和埋深。郭有剛[7]、趙廣茂[8]等，對瞬變電磁法在采空區探測的應用進行了研究，均取得較好的效果。

2.2.3 高密度電阻率法

高密度電法探測采空區是基于礦體與采空區電阻率差異的物理特性來確定某一區域礦體內異常區域。當人工向地下A、B電極加載直流電場I時，通過測量預先布置M、N極間的點位差△V，求出此預先布置點間的視電阻率值，通過研究地下一定范圍內大量豐富的空間電阻率變化，來查明和研究探測礦巖體的異常區域。高密度電法的核心是常規電法實現了野外測量數據的快速、自動和智能化采集。其工作原理如圖3所示。

圖3 高密度電阻率法工作原理

采空區與巖體電阻率差異明顯，易于辨認，高密度電法用于采空區探測效果較好。辛思華[9]、石林珂[10]等，對高密度電法在采空區探測中的應用進行了研究，研究結果表明高密度電法用于采空區探測能獲得較好的探測效果。

2.2.4 地質雷達(GPR)

地質雷達(GPR)是由發射部分和接收部分組成，是利用高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式在地面通過發射天線送入地下，電磁波在地下傳播過程中，當遇到目標體如采空區等時，會產生反射并返回地面，被接收天線接收。其工作原理如圖4所示。

圖4 地質雷達探測原理示意

地質雷達在探測淺部地層介質時，具有比地震波更高的分辨率，其用于探測采空區更具優越性和準確性。程久龍[11]、龔術[12]、張遠博[13]等，對地質雷達在采空區探測中的應用展開了研究，研究結果表明地質雷達能較為準確地探測出采空區的位置、規模等，探測效果較好。

2.2.5 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是電磁法的一種。采空區由于地下水的充填及地表水沿裂縫向采空區滲漏，其電阻率將明顯發生變化，與圍巖電性形成較明顯的差異， 電阻率異常特征上表現為形成的視電阻率相對高低不同，為CSAMT法的勘探提供了前提條件。CSAMT是一種采用主動源的物探方法，其在采空區探測中得到了廣泛應用。李金祥[14]、賈永梅[15]等，采用可控源音頻大地電磁法對采空區進行探測均取得了較好的效果。

2.3 地震勘探

地震勘探是利用地層的彈性差異來探測地質構造的重要物探方法。在采空區探測中，淺層地震反射波法、瑞雷波法及彈性波CT法等方法也得到廣泛的應用。

2.3.1 淺層地震反射波法

淺層地震反射波法是利用人工激發的地震波在彈性介質傳播的規律，通過人工在地面激發彈性波，當點源激發的地震波入射到地下介質分界面時，由于不同介質間存在波阻抗差異，地震波會在地下不同介質界面處產生反射；沿測線的不同位置用檢波器接收其反射波信號。地震波在介質中傳播時，其路徑、振動強度和波形將隨介質的彈性性質及幾何形態的不同而變化。對儀器接收到的地震波形資料，利用專門的地震資料處理軟件進行全面分析、處理和計算，得到地震時間剖面。當地層連續時，地震時間剖面表現為反射波連續；當地震波遇到采空區、溶洞及破碎帶等異常地質體時，地震時間剖面表現為反射波紊亂。其原理如圖5所示。

在有煤礦地區的工程建設中，許多煤礦采空區的勘測采用淺層地震反射波法，應用該法能較好地解決和圈定出煤礦采空區[16]。

2.3.2 瑞雷波法

瑞雷波(R波)法是一種面波勘探方法，按照激振方式的不同，瑞雷波法又分為穩態法和瞬態法兩種。目前，經常使用的瑞雷波法是瞬態法。瞬態瑞雷波法是通過錘擊、落重乃至炸藥震源，產生一定頻率范圍的瑞雷波，再通過振幅譜分析和相位譜分析，把記錄中不同頻率的瑞雷波分離出來，從而得到頻散曲線。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，據此可以在橫向上確定出塌陷區的范圍，在縱向上確定出塌陷影響范圍。其原理如圖6所示。

圖6 瞬態瑞雷波法原理示意

國內采用瑞雷波探測采空區的實踐中表明該法的探測效果較好，如：王萬順[17]等采用大能量瑞雷波法對某采空區進行了探測，結果表明該法可以十分有效地圈定采空區的賦存狀態。蘇曉強[18]等對瑞雷波法在采空區探測中的應用進行了研究，研究結果表明瑞雷波法是探測采空區的有效方法。

2.3.3 彈性波CT法

彈性波CT技術，即：地震波層析成像技術，是近年發展起來的物探方法。這種技術通過邊界對彈性波信號的差異反應，獲取地下巖土體物性參數的分布信息。彈性波信號一般指波在地下介質中的傳播速度，由速度的差異進一步解譯其他所需信息。具體實現過程是根據地質條件、測試條件和探測精度要求，將兩鉆孔之間的區域離散成若干個規則的網格單元，并將兩鉆孔處的網格節點分別作為彈性波測試時的發射點和接收點。實際工作時根據目標體的大概分布規律合理布設鉆孔和觀測系統，采用一發多收的扇形透射，即在任一節點發射時，所有接收點都能接收到該發射點產生的信號。逐點激發將在被測區域形成致密的射線交叉網絡。正常狀態時，每條射線彈性波旅行時間將被唯一確定，而射線通過異常體時，將產生時間旅行差，當多條致密交叉射線通過異常體時，就會對異常體的空位置進行唯一確定，然后再根據射線的疏密程度及成像精度的要求在施測范圍內劃分若干規則的成像單元。通過對諸多成像單元波速的數學物理反演計算，可獲得異常體的空間展布形態，如圖7所示。

采空洞穴相對圍巖而言，波速較低。地震波穿透這些低速介質時，則旅行時間增加。采用相互交叉的致密射線構成的網絡，可對洞穴及其內部充填物等低速介質在空間上的位置進行確定。在地震波CT剖面中，一般主要解釋低速異常區的位置和大小來識別采空洞穴[19]。

圖7 層析成像原理示意

2.4 氡氣勘探

在采空區探測中常用的放射性方法是氡氣(Rn)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。

劉敦旺[20]、牛永效[21]、張吉振[22]等，對測氡法才采空區探測中的應用進行了研究，結果表明測氡法是一種有效的采空區勘察與探測技術。

2.5 綜合物探法

隨著勘探工作的不斷深入，對勘探精度的要求不斷提高，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到了廣泛應用。綜合物探方法[23]根據地質體的密度、電性、彈性等多種物性對采空區進行探測，應用各種方法相互驗證，使采空區等異常體的確定更加準確、可靠。

閆長斌[23]等采用綜合物探技術對某復雜群采空區進行了探測，探測結果表明，綜合物探方法提高了采空區探測的準確度和精度，基本查明了群采空區的層位、分布、范圍和貫通關系。張楊文[24]、劉海濤[25]等對綜合物探方法在采空區探測中的應用進行了研究，結果均表明綜合物探方法相比單一的物探方法，更能夠提高采空區探測的準確度及精度。

3 結 語

(1)在采空區地段進行工程建設，準確探測出采空區的位置、范圍、邊界等十分關鍵，探測的精確程度直接影響著采空區的設計施工等后續工作，對采空區危害性的評價及處治技術等工作的進行至關重要。

(2)目前國內外采空區勘察與探測方法主要為采礦情況調查、工程鉆探、地球物理勘探等。不同的采空區探測方法具有不同的使用條件和適用范圍，在具體的采空區探測實踐中必須根據空區的實際情況和空區探測的具體要求，包括礦區地質條件、巖性、空區基本類型、大體埋深等資料，選擇技術條件符合要求、使用安全、操作方便、經濟可靠的空區探測方法。

(3)隨著對探測精度要求的提高及采空區復雜程度的加大，單一的勘察與探測方法往往不能取得較好的探測結果，需要采用多種勘探方法相結合的綜合勘探方法。在實際采空區探測工作中，應根據具體情況，選擇兩種或兩種以上的復合互補型的采空區勘察與探測方法。在具體放線布點時，既要考慮礦區地面地形情況，也要考慮礦區已有的探測鉆孔的分布情況，必要時還必須新增少量探測鉆孔，便于將不同方法得到的結果進行對比分析，相互驗證，以提高探測結果的精度及可信度。

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