礦山地下開采面采空區地球物理探測技術方法的應用

凌 飛

（新疆維吾爾自治區地質礦產勘查開發局第九地質大隊，新疆 烏魯木齊 830000）

隨著我國采礦業的不斷發展，重注經濟發展，忽略了可持續發展，導致很多區域形成了大量的采空區。這些采空區存在著巨大隱患，可能導致大面積的地表沉陷，造成地面建筑物、基礎設施等損壞，以致于影響到礦區人民的穩定生活[1]。這個問題已經多次被警示，為了緩解和改善采空區現狀，各地區開采前要及時的進行探測，有效避免可能引起災害性的地質現象。本文研究的地球物理探測方法有著高效、低損耗的優勢。根據各個區域的地質概況，地球物理探測技術的選擇適宜性也各不相同。從各采空區的地質特征探析、對比，選擇最合適的方法。聲波探測法以及高密度電法進行探測，此兩種方法使用都較為方便，且效率較高，并且在探測過程中，不會對被測巖體造成傷害。

1 礦山地下開采面采空區的探測

1.1 地球物理探測技術探測是否存在采空區

對于礦山的地下開采面的采空區，可以使用地球物理探測技術的聲波探測法進行探測，由于聲波速度是反映當前地層構成巖土的物理力學性質的重要參數指標是，所以可以利用聲波速度的差別來探查目前地下開采面是否存在著采空區[2]。關于聲波探測法的流程如圖1所示。

圖1 聲速測井原理圖

如圖1所示，在聲速儀中裝有聲波的發射裝置以及聲波接收裝置，當聲波在發生裝置中發射后，將會首先通過耦合液并且射向孔壁，同時加載巖層形成透射波，而一部分將會反射回來，并且沿著臨界角回射時將會形成滑行波。而接收裝置接收的也是反射回的滑行波。而聲波在與巖體中的傳播速度具有一定的傳播規律。其波動會隨著不同方向進行傳播，而聲波在巖體中的傳播，傳播時會出現波的透射、折射與以及反射的情況出現。而聲波的各種傳播反映，往往與傳播巖石的應力狀態以及其結構存在關系，以此可以探測目前傳播位置是否存在問題。

表1 常見介質及巖石的縱波速度

而聲波的傳播同巖體的參數關系表現存在三種情況。首先是當前聲波的傳播速度與傳播的巖體的彈性模型存在一定關系，可以依據聲波傳輸時的縱波來對于該巖體的壓縮以及拉伸形變進行分析。其次巖體的單軸壓力也與聲波的波速存在一定規則，巖石的應力越大，聲波傳輸時的波速也就越大，但如果巖石受到的力過大導致巖體遭到破壞，聲波的波速也會隨之減少。最后單軸的抗壓強度也與聲波的波速存在一定的相關性，抗壓強度高時波速也會變大。而如果要探測礦山的地下開采面的采空區，就要首先對于該被測地區的常見的介質的縱波速度有著一定的了解，關于常見介質和巖石中的聲波的縱波速度如表1。

轉孔聲波探測是通過探測聲波在被測地層中的不同縱波速度，以此來判斷地層中的巖石的物質成分、結構的不同，也可以來探測其巖石的密度、表面的破碎程度、裂隙等其它情況。而在測試中存在一些因素可能會影響探測效果，如源距以及間距中存在的影響。需要對于最小源距有著一定的運算，同時要將源距設置為最小源距稍大的源距即可滿足要求。

在（1）公式中，運算結果Lmin表示最小源距，S表示發射器與井壁之間的距離，V1代表泥漿的波速，V2則代表此巖層的波速。通過確認當前礦山地下的巖體情況，可以大致確定其采空區是否存在。

1.2 地球物理探測技術對采空區范圍探測

使用高密度電法對于當前被測的礦山開采地區進行探測，而高密度電法的特點與傳統的電阻法大概相同[3]。但彌補了常規電阻中的各種不足，同時因常規電阻法中存在著各種觀測的限制，以及測量的數據較少等問題。在采用高密度電法在工作時，使用數十根電極一次布設，同時通過程控式的多路電極轉換對于不同的電極方法以及不同的基于間隔以方便數據的快速收集。

在對于其施加的外電場作用下的傳導電路分布情況是對于目標的電性性質為基礎的地球物理勘探技術，在求解時采用解析法。

在對于目前的高密度電法的定邊界條件來說，需要求出（2）式中的解，其中x0、y0、t0作為該布設點中的源點坐標，而x、y、t代表此次布設中的場點坐標。而當x≠x0、y≠y0、t≠t0的情況下，該公式將會變為：

通過解析的方法可以計算相關的地電模型，同時研究其分布情況時，則可以運用多種的模擬方法比如：積分方程法、有限單元法等。在采用高密度電法進行探測是，通過供電電源流入電流，如下所示。

（4）以及（5）式中，A與B分別為供電電極，而I代表供入的電流，測量電極為M、N。并根據其可以測量出電位差?U并計算電阻率。UM以及UN分別代表地表的兩個測量電極M、N的電位。ρ代表均勻大地電阻率。AM、BM、AN、BN各表示A、B和M、N之間的距離。并且可以根據上兩式相減并得到M、N之間的電位差，電位差計算公式為：

根據（6）公式可以，確定該高密度電法探測中的電位差值。并且通過裝置系數，可以探測該地區的電阻率，而所得到的電阻率為電氣電場有限范圍中地形的各種地質體電阻率。而野外的數據采集也是高密度電法工作中較為重要的工作，而對于礦山地下開采面的首先要分析和研究被探測的對象的物理性質，對于探測地層來說厚度以及其異常體的體積和埋深的比值要進行充分了解。并做好充足的準備。通過對于礦山開采面采空區的探測，來避免可能出現的災害性地質情況。

2 實驗論證分析

對于目前的礦山地下開采面的采空區的探測技術進行對比實驗，使用本文方法與傳統方法的氡氣測量方法進行對比實驗，模擬多種地質情況來進行多次實驗嘗試，并且對比兩者在探測采空區情況的準確度進行對比。實驗結果如下圖所示。

圖2 采空區探測方法對比圖

如圖2所示，本文設計的采空區探測方法誤差率更高，而傳統方法在不同地質情況下有著局限性，在4號實驗地區較為適用，但誤差率仍高于本文方法，而其它地區適用性較低，導致誤差率過高。通過實驗證明本文設計的采空區探測方法對比傳統方法適用性更高，且對于采空區的探測準確度更高。

3 結語

綜上所述，對于礦山地下開采面采空區地球物理探測技術方法的應用，詳細的介紹了兩種地球物理探測技術在采空區探測工作中的應用。首先是使用聲波探測法，來判斷當前地下是否存在著礦山采空區，其次使用高密度電法來對于采空區的范圍進行探測。經過實驗論證分析，證明本文方法更加適用于各類地質，并且準確性更高。