采空區(qū)探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、采空區(qū)探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)作者：薛云峰 胡偉華 魯輝 摘 要本文在研究國(guó)內(nèi)外采空區(qū)探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)采空區(qū)探測(cè)方法進(jìn)行了分類，分析了各種方法地球物理場(chǎng)的特點(diǎn)及解決問題的優(yōu)勢(shì)和缺陷，提出了根據(jù)采空區(qū)的特點(diǎn)，建立探測(cè)方法的數(shù)學(xué)物理模型，優(yōu)化綜合探測(cè)技術(shù)，提高探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的結(jié)論。關(guān)鍵詞采空區(qū) 地球物理探測(cè) 發(fā)展趨勢(shì)1 采空區(qū)探測(cè)的目的與意義礦產(chǎn)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(jìn)行有效地治理，而處于廢棄狀態(tài)，有的采空區(qū)出現(xiàn)了大面積的地面沉陷，有的采空出現(xiàn)了地面裂隙，有的尚未出現(xiàn)明顯的反映，采空作為人類活動(dòng)產(chǎn)生的潛在地質(zhì)災(zāi)害之一，給礦山的安全生產(chǎn)、工程建設(shè)和人

2、民的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅。要對(duì)采空區(qū)治理，對(duì)采空區(qū)的地理位置、埋深、現(xiàn)狀情況進(jìn)行了解是關(guān)鍵，只有對(duì)采空區(qū)的空間分布狀態(tài)有了充分的了解，治理才能有的放矢。因此,為減輕和預(yù)防由地下采空區(qū)所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害,建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng),探索用綜合物探方法探測(cè)采空區(qū)的分布，為評(píng)價(jià)和治理提供依據(jù)是十分迫切和有意義的。目前,采空區(qū)的探測(cè)已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的研究課題,但是仍處于發(fā)展階段。2 采空區(qū)探測(cè)方法的研究現(xiàn)狀采空區(qū)的探測(cè)，目前，國(guó)內(nèi)外主要是以采礦情況調(diào)查、工程鉆探、地球物理勘探為主，輔以變形觀測(cè)、水文試驗(yàn)等。其中，美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家以物探方法為主，而我國(guó)目前以鉆探為主，物探為輔。在美國(guó)，采空區(qū)等地下空洞探測(cè)

3、技術(shù)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(shù)尤為突出，且近年來在地震CT技術(shù)方面也發(fā)展迅速。日本的工程物探技術(shù)在國(guó)外同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位，應(yīng)用最廣泛的是地震波法，此外，電法、電磁法及地球物理測(cè)井等方法也應(yīng)用得比較多，特別是日本VIC公司80年代開發(fā)研制的“GR-810”型佐藤式全自動(dòng)地下勘察機(jī)，在采空區(qū)、巖溶等空洞探測(cè)中效果良好，且后續(xù)推出的一系列產(chǎn)品都處于國(guó)際領(lǐng)先水平。歐洲等國(guó)家工程物探技術(shù)也較全面，在采空區(qū)的探測(cè)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(cè)量技術(shù)等，英、法等國(guó)家以地質(zhì)雷達(dá)方法應(yīng)用較好，微重力法

4、、淺層地震法也有使用。國(guó)內(nèi)近年來在利用地球物理勘探技術(shù)查明地下采空區(qū)方面作了大量的工作，采空區(qū)的探測(cè)成了工程地球物理的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，引起了地球物理學(xué)者的廣泛關(guān)注，投入了各種各樣的方法和技術(shù)，在各種物探方法中,根據(jù)其所研究地球物理場(chǎng)的不同,通?？煞譃橐韵聨状箢?以地下介質(zhì)密度差異為基礎(chǔ),研究重力場(chǎng)變化的方法稱為重力勘探；以介質(zhì)磁性差異為基礎(chǔ),研究地磁場(chǎng)變化規(guī)律的方法稱為磁法勘探；以介質(zhì)電性差異為基礎(chǔ),研究天然或人工電場(chǎng) (或電磁場(chǎng))的變化規(guī)律的方法稱為電法勘探(或電磁法勘探)；以介質(zhì)彈性差異為基礎(chǔ),研究波場(chǎng)變化規(guī)律的方法稱為地震勘探； 以介質(zhì)放射性差異為基礎(chǔ),研究輻射場(chǎng)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(zhì)導(dǎo)熱性為基礎(chǔ),研究地溫場(chǎng)變化的方法稱為地?zé)釡y(cè)量等。主要探測(cè)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(zhì)體質(zhì)量虧損或盈余,在地表觀測(cè)他們引起的重力異常，從而確定地下地質(zhì)體的分布、大小、邊界等。采空區(qū)因開采形成質(zhì)量虧損,從而形成低重力異常。在煤礦采空區(qū)保存完整時(shí),形成低值剩余重力異常。在采空區(qū)塌陷而不充水時(shí),質(zhì)量虧損值不變,但負(fù)密度值減小而影響厚度增大；充水時(shí),虧損質(zhì)量得到一定補(bǔ)償,比在不充水的同樣情況下,負(fù)密度值減小。無論在采空區(qū)實(shí)際存在哪種情況,按一般規(guī)律都可測(cè)出局部剩余重力異常。使用高密度、高精度微重力測(cè)量和適當(dāng)?shù)馁Y料處理解釋方法,在面積上控制采空

6、區(qū)范圍。采用數(shù)字地形多剖分體高精度地改方法及三維解釋方法,以達(dá)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(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí),將全部電極設(shè)置在一定間隔的測(cè)線上,然后用多芯電纜將其連接到程控式多路電極轉(zhuǎn)換器上,使電極布設(shè)一次完成。為了準(zhǔn)確、快速地采集大量數(shù)據(jù),測(cè)量時(shí)通過程序控制實(shí)現(xiàn)電極排列方式、極距和測(cè)點(diǎn)的快速轉(zhuǎn)換。并利用與系統(tǒng)配套的電法處理軟件,對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理,結(jié)果進(jìn)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(qū)和電阻率層析成像測(cè)量的結(jié)果,探討了電阻率層析成像測(cè)量在煤礦采空區(qū)和斜風(fēng)井巷道中的應(yīng)用，結(jié)果表明,電阻率層析成像二維測(cè)量方法在煤礦采空區(qū)和斜風(fēng)井巷道的

7、探測(cè)和定位是準(zhǔn)確和可行的；煤礦采空區(qū)和斜風(fēng)井巷道內(nèi)若沒有水體存在,電阻率層析成像二維測(cè)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(xiàn)為低阻異常封閉圈。(2)瞬變電磁法瞬變電磁法是向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間,觀測(cè)由地下地質(zhì)體受激引起的渦流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的感應(yīng)二次場(chǎng),二次場(chǎng)的大小與地下地質(zhì)體的電性有關(guān):低阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較慢,二次場(chǎng)電壓較大；高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較快,二次場(chǎng)電壓較小。根據(jù)二次場(chǎng)衰減曲線的特征,就可以判斷地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等,由于瞬變電磁儀接收的信號(hào)是二次渦流場(chǎng)的電動(dòng)勢(shì),對(duì)二次電位進(jìn)行歸一化處理后,根據(jù)歸一化二次電位值的變化,間接解決如

8、陷落柱、采空區(qū)、斷層等地質(zhì)問題。該方法具有分辨能力強(qiáng)、工作效率高、受地形影響小、能穿透高阻覆蓋層等優(yōu)勢(shì),迅速發(fā)展成為高效、快捷的物探方法。劉君2將瞬變電磁法應(yīng)用于某采空區(qū)探測(cè),效果良好，不僅推斷出地下采空區(qū)的范圍,而且判斷了采空區(qū)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(tái)發(fā)射的電磁波作為場(chǎng)源。當(dāng)電磁波在傳播過程中遇到地質(zhì)體時(shí),使其極化而產(chǎn)生二次電流,從而引起感應(yīng)二次場(chǎng),一般情況下二次場(chǎng)和一次場(chǎng)合成后的總場(chǎng)與一次場(chǎng)的振幅方向、相位均不相同,即引起了一次場(chǎng)的畸變。使用專門的儀器通過測(cè)量某些參數(shù)的畸變,可發(fā)現(xiàn)采空區(qū)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(cè)高阻體時(shí),一般選用波阻抗法進(jìn)行甚低頻電磁法測(cè)量,測(cè)線方向盡量與發(fā)射臺(tái)方向一致或與該方向夾角最小。(4)探地雷達(dá)探地雷達(dá)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(jīng)反射體反射后返回地面,通過天線R接收。在介質(zhì)中傳播時(shí),其電磁波強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。所以,根據(jù)接收到波的雙程走時(shí)、幅度與波形資料,可推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。探地雷達(dá)適用于探測(cè)深度較淺的目標(biāo)體,由于可以更換不同頻率的天線,適用面較廣,且探測(cè)分辨率高,在工程中的應(yīng)用已經(jīng)得到認(rèn)同。探地雷達(dá)數(shù)據(jù)可采用專用軟件進(jìn)行處理,著重進(jìn)行振幅恢復(fù)、濾波、F-K濾波、反褶積處理,獲得信噪比較高的時(shí)間剖面,提高了

10、有用信號(hào)的識(shí)別,雷達(dá)時(shí)間剖面比較真實(shí)全面地反映了地下介質(zhì)的變化情況,保證了資料質(zhì)量,并利用地下介質(zhì)的電性差異來進(jìn)行分層及查明地下異常地質(zhì)體。該方法具有快捷、精確的特點(diǎn),尤其是對(duì)地下采空區(qū)、人防工程洞室、地下溶洞等的探測(cè)更具有優(yōu)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(zhì)上都屬于采集天然場(chǎng)信號(hào)的被動(dòng)源頻率域電磁方法，差別在于采集信號(hào)的頻率不同，相應(yīng)的探測(cè)深度和分辨率不同。高頻大地電磁法（HMT）采集的信號(hào)頻率較高，最高可達(dá)100KHz，研究的深度較淺，從地下的十幾米至上千米。這個(gè)深度范圍內(nèi)恰是人類礦山開采、地下工程建設(shè)、

11、地下水資源開發(fā)等生產(chǎn)活動(dòng)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(shí)現(xiàn)方面都獲得了極大的發(fā)展，已成為中深度采空區(qū)探測(cè)的主要方法3。該方法不需要人工場(chǎng)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(duì)低阻層有較高的分辨能力?？煽卦匆纛l大地電磁法（CSAMT）是利用兩端接地的有限長(zhǎng)導(dǎo)線作為發(fā)射源，使用人工源激發(fā)交變電磁場(chǎng)，在地表觀測(cè)電磁響應(yīng)并計(jì)算波阻抗以及視電阻率進(jìn)行勘探的一種方法。由于可控源電磁法具有高分率的特點(diǎn)，能夠在電性上地質(zhì)異常，成為采空區(qū)探測(cè)的方法之一。該方法的最大的特點(diǎn)是采用人工場(chǎng)源，大大增加了電磁信號(hào)的強(qiáng)度，彌補(bǔ)了天然場(chǎng)源信號(hào)微弱，不易觀測(cè)等缺

12、點(diǎn)。但是該方法由于場(chǎng)源的存在，也有著其固有的不足，如場(chǎng)源附加效應(yīng)，近區(qū)效應(yīng)，場(chǎng)源陰影效應(yīng)，過渡帶效應(yīng)及設(shè)備笨重等，在一定程度上影響了該方法的應(yīng)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(cè)地質(zhì)構(gòu)造、尋找有用礦產(chǎn)資源的重要地球物理勘測(cè)方法。波在傳播過程中,當(dāng)遇到彈性分界面將產(chǎn)生反射、折射和透射,接受其中不同的波,就構(gòu)成了不同的地震勘探方法。在采空區(qū)探測(cè)中,地震方法也得到廣泛的應(yīng)用。(1)淺層地震反射波法地震反射波法是利用人工激發(fā)的地震波在地層的傳播過程中,在波阻抗界面上產(chǎn)生的反射信號(hào)進(jìn)行分析,用以推斷界面深度、構(gòu)造形態(tài)及其物性參數(shù)。在煤層采空區(qū)引起的上覆巖層破壞對(duì)地震波有很強(qiáng)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(duì)地震波衰減還表現(xiàn)為反射波波形變得不規(guī)則、紊亂甚至產(chǎn)生畸變,采空區(qū)下方則由于巖層相對(duì)完整而變化不明顯,是在地震時(shí)間剖面上識(shí)別煤層采空區(qū)的另一個(gè)重要標(biāo)志。即煤層采空及其頂板遭受破壞后,在地震時(shí)間剖面上反射波組的中斷或消失,同時(shí)煤層頂部結(jié)構(gòu)的不規(guī)則破壞,也將產(chǎn)生各種低頻干擾。(2)瑞雷波法常規(guī)物探方法在對(duì)“房-柱”式開采造成的面較小、埋深較淺的采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)時(shí)存在漏報(bào)或誤報(bào)的情況。而瑞雷波法在采空區(qū)探測(cè)中更具實(shí)用性和有效性。瑞雷波是一種沿著自由界面?zhèn)鞑サ拿娌?如地層與空氣、水之間形成的界面。瑞雷波在層狀介質(zhì)中傳播時(shí),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(duì)應(yīng)關(guān)系;瑞雷波與橫波、縱波相比能量強(qiáng)、波速較小,容易分辨且分辨率高,重復(fù)性好;瑞雷波相速度與層內(nèi)的橫波速度有著明顯的相關(guān)性,當(dāng)?shù)貙拥牟此杀容^大時(shí),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(fā)波長(zhǎng)有關(guān),其穿透深度為一個(gè)波長(zhǎng),激發(fā)的頻率越低,勘探深度越大。當(dāng)采空區(qū)未發(fā)生塌陷時(shí),瑞雷波傳播到這些位置時(shí)將突然消失或散射,頻散曲線在采空區(qū)頂板處表現(xiàn)為“之”字形拐點(diǎn),而且速度迅速下降,從而可以在縱向上確定未塌采空區(qū)的范圍;當(dāng)采空區(qū)發(fā)生塌陷后,引起煤層上部地層結(jié)構(gòu)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(jù)此可以在橫

15、向上確定出塌陷區(qū)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(shù)。這種技術(shù)利用大量的地震波速度信息進(jìn)行專門的反演計(jì)算,得到測(cè)區(qū)內(nèi)巖土體彈性波速度的分布規(guī)律。鉆孔彈性波CT是近年來隨彈性波CT技術(shù)發(fā)展起來的,旨在探測(cè)鉆孔間的地質(zhì)構(gòu)造情況。方法是在一個(gè)鉆孔內(nèi)不同深度放炮,在其他鉆孔內(nèi)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(shù)學(xué)方法在計(jì)算機(jī)上重建探測(cè)區(qū)內(nèi)速度場(chǎng),利用速度分布對(duì)應(yīng)各種地質(zhì)異常的分布或應(yīng)力分布,直觀地以剖面形式給出兩鉆孔間地質(zhì)異常體賦存的狀態(tài),從而確定異常范圍。2.4 放射性測(cè)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(qū)探測(cè)中常用的放射性方法是氡氣測(cè)量。由于該方法測(cè)試場(chǎng)地的適應(yīng)性較強(qiáng),而且不受地電、地磁影響,探測(cè)深度較大,在采空區(qū)探測(cè)中有良好的應(yīng)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(tuán)族遷移、接力傳遞、擴(kuò)散、對(duì)流、抽吸等作用,其表現(xiàn)出很強(qiáng)的遷移作用,容易從深部向上擴(kuò)散并進(jìn)入土壤中。因此,在鈾鐳富集地段、地質(zhì)構(gòu)造破碎帶上方、采空區(qū)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(gòu)造破碎帶、采空區(qū)、陷落柱及地下水資源等的重要依據(jù)

17、5。山西煤田水文地質(zhì)隊(duì)多次將氡氣測(cè)量法應(yīng)用于地下采空區(qū)的探測(cè),為了查明山西萬家寨引黃工程北干線1號(hào)隧洞附近煤礦采空區(qū)及對(duì)引水隧洞的影響,對(duì)采空區(qū)進(jìn)行綜合地質(zhì)勘查時(shí)使用了氡氣測(cè)量法,收到了很好的應(yīng)用效果。3 探測(cè)方法的發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,許多新方法、新技術(shù)不斷地被引入物探領(lǐng)域,為地球物理方法的進(jìn)一步發(fā)展開辟了廣闊的前景。由于地球物理方法是以觀測(cè)各種地球物理場(chǎng)的變化規(guī)律為基礎(chǔ)的,因此,當(dāng)應(yīng)用物探方法來解決各種地質(zhì)問題時(shí),它必須具有一定的地質(zhì)及地球物理?xiàng)l件,才能取得滿意的效果。這在采空區(qū)探測(cè)中也不例外。這些條件主要是:探測(cè)對(duì)象與周圍介質(zhì)之間有比較明顯的物性差異； 探測(cè)對(duì)象必

18、須具有一定的規(guī)模(即其大小相對(duì)于埋藏深度必須有相應(yīng)的規(guī)模),能產(chǎn)生在地面上可觀測(cè)的地球物理異常場(chǎng)； 各種干擾因素產(chǎn)生的干擾場(chǎng)相對(duì)于有效異常場(chǎng)必須足夠小,或具有不同的特征,以便能進(jìn)行異常的識(shí)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(duì)于同一異常場(chǎng)有時(shí)可得出不同的地質(zhì)解釋。這種情況往往是由于復(fù)雜的地質(zhì)條件和地球物理場(chǎng)理論自身的局限性造成的。為了克服這種多解性的影響,應(yīng)盡可能地利用多種物探方法的成果,尤其是已知的地質(zhì)資料,進(jìn)行綜合分析解釋,以便得到確切的地質(zhì)結(jié)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(fù)雜性和難度加大,單一物探方法已不能滿足新形勢(shì)的要求,雖然有的方法優(yōu)點(diǎn)明顯,但是單一方法往往對(duì)地質(zhì)異常體很難定性,因此綜合物探方法得