采空區(qū)勘察物探技術(shù)應(yīng)用研究

董全文

（北京中機勘巖土工程技術(shù)有限公司，北京100000）

1 引言

在我國經(jīng)濟不斷增長的同時，對多種能源的需求量也在持續(xù)上升，而采礦施工區(qū)的采空區(qū)內(nèi)大部分都缺少施工記錄材料。在施工區(qū)域和排土場所，只要有裝載重物的車輛長時間作業(yè)便會有坍塌的隱患存在，安全問題需要及時關(guān)注。要利用物探技術(shù)的多種性能，確認(rèn)采空區(qū)域具體大小，以保障施工人員的安全。物探選擇遵循的原理應(yīng)以工程地質(zhì)學(xué)為出發(fā)點，在合理探究礦區(qū)的采空位置對采礦工作正常運行沒有干擾的前提下，應(yīng)該盡量擴大當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟利益。由于采空區(qū)域的治理極為困難，施工的成本較高，而且采空區(qū)域的地質(zhì)較為復(fù)雜，因此，需要對采空區(qū)域的安全性、地理條件、邊界范圍等多個方面進行勘探，確定采空區(qū)域的位置區(qū)域和形狀。

2 采空區(qū)特點

采空區(qū)域產(chǎn)生的大部分問題具有普遍性，并且使人們的生命和財產(chǎn)安全受到了嚴(yán)重的影響，各個國家都開始關(guān)注采空區(qū)域出現(xiàn)的多種問題。國內(nèi)外研究者對采空區(qū)域的問題研究大多集中在煤礦、冶金、鐵路等方面，取得了許多有價值的研究成果。除此之外，采空區(qū)域還有復(fù)雜性、可隱藏性，以及煤礦采空區(qū)域突發(fā)性與長久性等主要特征，而現(xiàn)在對采空區(qū)域的探究僅僅是一些比較淺層的現(xiàn)象和理論，采空區(qū)域的勘探、安全性評估、處理和質(zhì)量控制等都沒有完整的理論體系作支撐。

采空區(qū)域的隱藏性指的是采空區(qū)的地質(zhì)情況與應(yīng)力條件比較復(fù)雜多樣，采空區(qū)的具體狀況不能完全探查清楚。采空區(qū)的復(fù)雜性指的是采空區(qū)受到影響的因素多種多樣，有自然因素與非自然因素的影響。突發(fā)性指的是采空區(qū)域失去穩(wěn)定性與沉降的具體時限都是無法估算的；采空區(qū)域的長久性指采空區(qū)的活化和失去穩(wěn)定性是每一階段的具體演進和變化，它可以維持幾年、幾十年或是幾百年，這是一個長久的、較慢的變化歷程。

3 采空區(qū)物探方法選用原則

采空區(qū)域的勘探需要基于具體項目的具體技術(shù)和要求，還要根據(jù)外部的地理環(huán)境、勘察方式以及技術(shù)的適用范圍來選取對應(yīng)的物探技術(shù),可以按照表1 所列出的基本原則進行組合選擇[1]。

表1 采空區(qū)物探方法選擇的基本原則

4 采空區(qū)物探技術(shù)勘察原理及效果

4.1 地震反射波法

地震反射波法是在人為引發(fā)的地動波形在層狀巖石傳導(dǎo)的時候，由地震波作用于地面的壓力和單位時間內(nèi)垂直通過地層的質(zhì)點流量而引起的折射信息，以此來判斷斷面的高度和結(jié)構(gòu)形狀以及物理數(shù)值，如表2 所示。

采空區(qū)域賦存在煤層之上的巖層頂板對地動波形具有非常強的吸附分散和減緩性能，可以減少折射波形在單位時間內(nèi)完成周期性變化的次數(shù)，可以使反射波在層狀巖石傳輸?shù)倪^程中被阻斷和消散。地震反射波法的優(yōu)點是在地面布置的多條探測線在收集地層反射回地面的地震波信息時有良好的高效性和準(zhǔn)確性。地震反射波法的缺點是在嚴(yán)峻地形區(qū)域很難獲得高精度的數(shù)據(jù)。

表2 地震反射波法在采空區(qū)探測的應(yīng)用分析

4.2 電法勘探

電法勘探是實用性比較高的勘探方法，具體有電測深法、電剖面法、高密度電測法、充電法、激發(fā)極化法等幾種，尤其是高密度電阻率法在采空區(qū)的空洞探測中的應(yīng)用較多[2]。在電法勘探中，用來表征巖、礦石導(dǎo)電性好壞的參數(shù)為電阻率（ρ）或電導(dǎo)率（σ=1/ρ）。從物理學(xué)中已知，當(dāng)電流垂直流過單位長度、單位截面積的體積時，該體積中物質(zhì)所呈現(xiàn)的電阻值即為該物質(zhì)的電阻率。

計算公式如下：

式中，R為該物質(zhì)的電阻；ΔU為物質(zhì)兩端的電壓；I為流過該物質(zhì)的電流。

電阻率（ρ）單位是Ω·m，用電導(dǎo)率σ 表示時，其單位為s/m，電導(dǎo)率和電阻率互為倒數(shù)，成反比性。

近年來，高密度電阻率法是在國內(nèi)外發(fā)展起來的新型電法勘察技術(shù)。電法勘察技術(shù)的原理和以往的電阻率法完全一樣，以根據(jù)巖石和土壤電導(dǎo)率的不同為前提，探究的是在外部電場的影響下，導(dǎo)電電流在層狀巖石中的分散情況。電法勘探的優(yōu)勢有：（1）可以勘探的深度為150m；（2）和普通電測深法比較，可以探測到的信息數(shù)量較多。

4.3 電磁勘探

電磁勘探法是以觀測電磁場源在地表、井下或者空氣中產(chǎn)生的電磁場分布來處理巖土工程中出現(xiàn)的難題。電磁勘察方法有很多種，如時間域電磁法、地質(zhì)雷達法運用高頻電磁波勘探地下物體、電磁頻率測深法、甚低頻電磁法、聲頻大地電磁法等，而采空區(qū)域勘探的時候通常用瞬變電磁法與地質(zhì)雷達法[3]。

電磁勘探法在采空區(qū)域的大范圍測查中應(yīng)用廣泛，能在很大程度上準(zhǔn)確地探測出采空區(qū)的大小，還能夠測查出深處采空區(qū)的特征和面貌，如圖1 所示。

圖1 瞬變電磁（重疊回線裝置）成果

5 結(jié)語

在采空區(qū)勘探的過程中，每一種地質(zhì)勘察物探技術(shù)都是不同的，所以它們的使用性能和適用場所也都各不相同。針對多種單一物探技術(shù)的多解性和偏倚性，綜合物探技術(shù)在采空區(qū)勘探過程中的運用和適度的鉆孔探查性能，會在很大程度上提升采空區(qū)域的勘探準(zhǔn)確度，并且還可以完整、有效、精確地掌握每一種勘察物探技術(shù)的使用方式和應(yīng)用范圍。尤其是對勘探地質(zhì)條件比較復(fù)雜的采空區(qū)域來說，必須依據(jù)所在地的土質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)條件，合理完善并選取有效物探技術(shù)，且在作業(yè)的整個過程都要優(yōu)化和完善各項安全管理制度，只有這樣，才能確保采空區(qū)域的安全性，才能保障采空區(qū)域勘察過程的合理性和準(zhǔn)確性。