采空區勘測方法選擇論述

黃湛煐 葉 峰 孟 恒 張 倓 楊興梅

(中國地質大學(武漢) 湖北 武漢 430074)

采空區勘測方法選擇論述

黃湛煐 葉 峰 孟 恒 張 倓 楊興梅

(中國地質大學(武漢) 湖北 武漢 430074)

金屬礦廢棄的采空區及民采空區一般隱蔽在地下且行人難以進入，在缺少資料的情況下，要想安全、高效、合理開采礦山深部資源，就需要對采空區的位置、大小、數量等進行精確探測。目前采空區探測方法主要有：電磁法、地震波法、微重力勘探法、激光3D探測等方法。

采空區；探測；電法；探地雷達

近年來，我國對于金屬礦產的巨大需求與有限資源之間的矛盾隨著高速發展的國民經濟愈演愈烈，深部礦產資源的安全開發與利用成為熱點。地下金屬礦山常用的空場類幵采方法如全面法、房柱法、留礦法等[1,2]使地下留有大量采空區[3,4]，特別是20世紀80年代時期[5]，由于地下資源幵采技術的不成熟性，以及出于成本節約的目的，出現了對礦產資源不合理大肆掠奪開釆的現象，使得在礦山遺留了大量的未經治理且位置狀態不明的地下采空區。

一、概述

本次采空區探測方法選擇的論述，是以某銅礦山為例。由于歷史原因，此礦山曾出現多礦方同時開采的情形，遺留大量民采空區，這些民采空區空間分布復雜，具有平面分布范圍廣、豎向上相互重疊、交錯的特點。由于相應資料的缺失，目前空區賦存狀況不明，為了安全生產，需進行空區探測，以掌握空區的賦存狀況。

二、采空區探測主要方法介紹

(一)電磁法

電磁法是根據巖土體的電磁性差異進行探測的方法。具體方法主要有：高密度電阻率法、探地雷達法、瞬變電磁法等。

1.高密度電阻率法

高密度電阻率法(HDRM)是20世紀80年代在常規電法的基礎上發展起來的一種物探方法，其基本原理與常規電法完全相同。它是以常規直流電阻率法為基礎，在探測剖面上同時布置多個電極，由人工向地下發送電流，使地下形成穩定的電流場，通過自動控制轉換裝置對所布設的剖面進行自動觀測和記錄的一種物探方法。可用于探測地下構造、巖溶、洞穴、埋設物、采空區、滲漏帶等。

其中地下空洞或采空區與其周圍圍巖存在明顯電性差異。如為充氣空洞，則其視電阻率與其周圍圍巖相比呈高阻異常，如為充水(或充水冒落)空洞，則其視電阻率與其周圍圍巖相比呈低阻異常，因此電法探測就是通過視電阻率的異常去尋找隱患空區。

該方法相對于常規電法，具有測點密度大、信息量大、成本低、工作效率高等特點，野外的數據采集和收錄實現了自動化、智能化，可以方便的測量到大量的數據，避免了人工操作帶來的誤差。缺點是易受電線、地下水管、鐵管、游散電流、電磁等的干擾。

2.探地雷達法

探地雷達法是一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁探測技術。探地雷達利用發射天線發射高頻寬帶電磁波，接收天線接收來自地下介質界面或目標體的反射波。其中高頻天線具有較好的分辨能力，但穿透深度淺，而低頻天線具有較粗的分辨率，但穿入介質較深。

電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態而變化。因此，根據接收波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度與波形資料，可推斷介質的結構。探地雷達的地質解釋是在數據處理后所得的探地雷達圖像剖面中，根據反射波組的波形與強度特征，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質含義。當巖層中有采空區時，巖層與采空區的界面兩側電性差異較大，容易形成強烈的反射波，同時，這一界面也是巖性的特變點，常常產生繞射波，而繞射波在時間剖面上為雙曲線反映。因此通過時間剖面上的特征圖像就能確定采空區的位置及深度。

(二)地震波法

地震勘探是根據人工激發的地震波對地殼淺層介質的物性特征進行探測的方法。具體方法有：瑞雷(Rayleigh)波法、地震反射波法、地震層析(CT)法。

(三)微重力法

微重力法是以地下介質間的密度值差異作為理論基礎，通過局部密度不均勻引起的重力加速度變化的數值、范圍及規律來解決地質問題。地面微重力法可分為地面微重力測量、重力水平梯度測量和重力垂直梯度測量。

(四)激光3D法

激光3D(3D laser)法是利用激光的高度精確性對地下采空區的大小、位置進行三維探測的新型方法。

三、探測環境分析

各種采空區探測方法主要是利用礦巖的電性、磁性以及聲學特性差異，對所測數據進行分析，獲得不同的物性參數分布，然后進行推斷解釋。因探測原理不同，適應的探測條件也不相同。不同的礦山，其賦存條件不同，采空區所處的環境也不同，因此進行采空區探測前，必須對礦巖的電性、磁性以及聲學特性進行了解，以便選擇最合適的探測方法。有時還需要幾種方法結合起來進行綜合探測，才能取得較好的效果。

為確定最佳探測方案，對此銅礦山進行實地調研，發現本次探測有以下兩個難點：

(1)深部開采區域上方原由其他礦方開采部分的采空區資料不全，原有巷道封閉，人員無法進入，井間探測無法實施；

(2)探測主體區域是高為100m左右的山坡，山上植被豐富，多為低矮的灌木，人員及設備進出較為困難，因此探測時要求探測設備輕便易攜帶，現場操作安全便捷。

考慮到此次探測區域的探測條件不佳，如何正確利用物探方法進行探測，選用哪種方法就顯得尤為重要。重力勘探法影響因素復雜，干擾內容多；地震勘探受地形影響較大，若測試地區有大型設備作業，產生明顯的震動，會直接影響測試的效果；激光3D法主要是用于對已知采空區進行精確探測，需要配合鉆孔；瞬變電磁法易受電線、地下水管、鐵管、游散電流、電磁的干擾，在植被豐富區域不便于布線；無線電透視法和地震層析法多適用于井間探測等；探地雷達法測深較小但精度高；高密度電法測深大，但精度低于探地雷達法。

四、結論

綜合分析上述方法，相對而言，探地雷達和高密度電法發展時間較長、技術成熟、設備輕便易攜帶、操作簡單、準確度高、效率高，適用于該礦山的探測。為此擬采用高密度電法、探地雷達法相結合的綜合探測方法對該銅礦山采空區進行探測。

[1]宮鳳強,李夕兵,董隴軍.基于未確知測度理論的采空區危險性評價研究[J].巖石力學與工程學報.2008,27(2):232-327.

[2]馬海濤,賀紅生,付士根.釆空區塌陷影響因素及穩定性分級方法研究[J].中國安全生產科學技術.2008,4(5):37-41.

[3]羅周全,張旭芳,劉曉明,等.基于模糊模式識別的金屬礦釆空區危險性綜合評價[J].安全與環境學報,2009,26(2):208-211.

[4]王新民,柯愈賢,鄢德波,等.基于熵權法和物元分析的釆空區危險性評價研究[J].中國安全科學學報,2012,22(6):71-77.

[5]劉科偉,露天開釆隱患空區激光三維探測可視化研究及其穩定性分析[D].長沙,中南大學2012.

黃湛煐(1993-)，女，侗族，貴州銅仁人，在讀碩士，中國地質大學(武漢)，研究方向：安全工程。