采空區(qū)勘察物探技術(shù)應(yīng)用研究

董全文

（北京中機(jī)勘巖土工程技術(shù)有限公司，北京100000）

1 引言

在我國經(jīng)濟(jì)不斷增長的同時(shí)，對(duì)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(shí)間作業(yè)便會(huì)有坍塌的隱患存在，安全問題需要及時(shí)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(diǎn)，在合理探究礦區(qū)的采空位置對(duì)采礦工作正常運(yùn)行沒有干擾的前提下，應(yīng)該盡量擴(kuò)大當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)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(duì)采空區(qū)域的安全性、地理?xiàng)l件、邊界范圍等多個(gè)方面進(jìn)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(diǎn)

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(cái)產(chǎn)安全受到了嚴(yán)重的影響，各個(gè)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(duì)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(jià)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(duì)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(píng)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(shí)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(jìn)和變化，它可以維持幾年、幾十年或是幾百年，這是一個(gè)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(xiàng)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(duì)應(yīng)的物探技術(shù),可以按照表1 所列出的基本原則進(jìn)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(dòng)波形在層狀巖石傳導(dǎo)的時(shí)候，由地震波作用于地面的壓力和單位時(shí)間內(nèi)垂直通過地層的質(zhì)點(diǎn)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(duì)地動(dòng)波形具有非常強(qiáng)的吸附分散和減緩性能，可以減少折射波形在單位時(shí)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(diǎn)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(shí)有良好的高效性和準(zhǔn)確性。地震反射波法的缺點(diǎn)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(shí)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(shí)，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(jì)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(shí)，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(shí)間域電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法運(yùn)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(shí)候通常用瞬變電磁法與地質(zhì)雷達(dá)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(duì)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(yùn)用和適度的鉆孔探查性能，會(huì)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(duì)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(gè)過程都要優(yōu)化和完善各項(xiàng)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。