采空區勘察物探技術應用研究

羅楊銘

摘要：在礦山開采中，采空區是一大安全隱患，尤其是部分老礦井缺少采掘圖紙，或是無法找到相關采掘資料，以致于很多資源整合的礦井無法掌握相關采空區的分布情況，稍有不慎極易引發事故。對此，本文圍繞采空區勘察問題展開分析，首先論述了采空區勘察方法，明確了物探技術的有效性，其后詳細探討了采空區勘察中幾種常見的物探技術，提出通過綜合物探方法的運用進一步提高勘察可靠性，最后圍繞工程實例展開論述，以期可供參考。

關鍵詞：采空區；勘察；物探技術；工程實例

1.引言

安全生產是礦山開采中永恒的主題，采空區全面、精確的勘察是保證安全生產的重要前提。基于我國勘察技術的不斷發展，物探技術在采空區勘察中逐漸得到了廣泛應用，具有成本低、見效快、精度高等優點。由于不同物探方法各有適用性，本文提出采用綜合物探法，進一步提高采空區勘察結果可靠性，保證礦山開采作業安全。

2.采空區勘察方法概述

隨著我國礦業的不斷發展，采空區數量不斷增加，且規模巨大。采空區存在較大的危害性，對采礦安全、交通以及地面建筑均存在嚴重威脅，目前已經成為了我國隱蔽致災主因之一。根據國家統計局資料顯示，2019年全國十大生產安全事故中，廣西河池南丹慶達惜緣礦業投資有限公司“10·28”重大坍塌事故導致13人死亡。事故巷道靠近銅坑礦采空區冒落帶，該區域上下都是銅坑礦的采空區和充填體，由于下部采空區發生垮塌，帶動上部充填體和圍巖發生垮落，產生沖擊地壓，導致人員受到沖擊波傷害以及掩埋造成死亡。

基于上述分析顯示，在礦區勘察中必須將采空區勘探作為一項重要工作來抓。然而由于礦區地形、地質條件復雜，受采空區地表變形、地面塌陷影響，采空區勘察難度較大，對此迫切需要采用先進的探測方法查明采空區分布情況。國內外主要采用采礦調查、工程鉆探、地球物理勘探等方法，國內以鉆探為主、物探為輔，西方發達國家則以物探為主。其中，鉆探方法較為直觀，但需布置密集鉆孔，投入工作量大，而小礦井開采無規律性，單一鉆探難以準確探查采空區范圍，存在效率低、資金投入大的問題，此外若是不慎出現鉆透采空區的情況極易引發災難性后果。在此背景下，物探技術憑借著快速、無損探測以及面積測量等優勢得到了推廣。

近年來，物探技術發展迅速，在我國采空區勘察中獲得了較好的應用效果，常用的有地震方法、電（磁）方法等，采空區識別可靠性較好，可用于復雜地形、地質條件，勘探深度大、分辨率高，為采空區治理提供了可靠依據。

3.采空區勘察中幾種常見的物探技術

在采空區勘察中，常見的物探方法包括淺層二維（三維）地震法、瞬變電磁法、高密度電法、大地電磁法、地質雷達、測氡法等。各種物探方法各有優缺點，詳細分析如下：

3.1淺層二維地震法：地震勘探在眾多物探方法中發展最快，應用最多。此方法利用檢波器接受地震波在各地層分界面反射/折射波信號，以此反演推測地下巖層性質、形態。通過此方法可實現連續測量，分層、勘探精度高，能夠準確圈定采空區范圍，然而無法查明采空區積水性。

3.2瞬變電磁法：屬于時域方法，也稱為純異常場法，此方法工作效率高，地形影響小，對低阻反應靈敏，可較好探測積水情況，探測深度大。當采空區未充水時，瞬變電磁法也可探測采空區，但是效果沒有充水時好。此外，此方法也容易受到電磁的干擾。

3.3高密度電法：也稱為電阻率層析成像技術，集電測深與電剖面于一體，采用的是靜電場理論。采空區地層完整性、連續性被破壞，電阻率必然產生變化，當采空區垮落不充分，存在較大的空洞，老空水積聚較少，呈相對高阻異常；采空區垮落壓實或充水，呈相對低阻異常。此方法具有較好的積水探測效果，然而容易受到地形、接地電阻的影響，在埋深較淺的采空區探測方面具有較好的應用前景。

3.4可控源音頻大地探測法：此方法探測深度大，可明確采空區積水情況，然而容易受到靜態效應、近場效應影響。

3.5探地雷達法：此方法分辨率高，但是探測較淺，主要在60m以內。

3.6測氡法：此方法不受地形、地電、電磁場等因素的影響，然而無法解釋采空區深度。

基于上述物探技術的分析可得，每一種物探方法均有自身物理基礎，一定條件下均可解決一定地質問題，然而單一的物探方法運用存在各種限制，物探成果具有多解性，可靠性不高。因此，要想解決好采空區探測問題，必須樹立綜合使用各種物探方法的思想，針對不同的地質問題靈活搭配各種物探方法。目前，綜合物探技術的運用已經成為采空區探測的一大重要趨勢，其可獲取豐富的物性信息，互為驗證與補充，切實提高探測分辨率、解釋成果可靠性。如：高密度電法+瞬變電磁法可互為驗證，提高探測結果可靠性、分辨率；二維地震+瞬變電磁法，可有效克服解釋成果的多解性。

4.實例探析采空區勘察物探技術應用

采空區一直是礦山安全開采的重要隱患之一，尤其是在中小型礦企較多、開采不規律的情況下，礦山整合時更好注重采空區的全面調查工作。本文以某煤礦采空區勘察任務展開分析，采用綜合物探技術，發揮不同物探方法的優點，減少物探結果多解性，通過取長補短切實保證勘察結果精確、可靠。

4.1采空區概況

此礦井地貌單元屬黃土丘陵溝壑區，區內主要分布第四系風積沙與黃土。地層由新至老分別為第四系、新近系、侏羅系中統延安組、三疊系上統永坪組。侏羅系中統延安組地層為含煤地層，5-2號煤層為可采煤層，其他煤層遭剝蝕或不可采。

5-2號煤層厚度4.55m～7.26m（均厚5.67m），局部含1～2層夾矸，夾矸厚度0.02m～0.60m，夾矸巖性主要為泥巖，屬穩定型煤層。此煤層采用房柱式炮采，基于歷史原因（礦權變更、偷挖亂采），區內可能存在采空區且分布不詳，需做好相關勘查工作。

4.2采空區勘查物探技術方案

本礦區采空區勘查采用綜合物探方案，淺層二維地震法、瞬變電磁法互為印證，具體技術方案如下：

（1）淺層二維地震法：本礦區勘查采用428Lite數字地震儀，具體參數設置如下表1所示。地震檢波器采用主頻60Hz的動圈式檢波器，挖坑埋置；震源采用人工錘擊方式，疊加次數分別為8、10、12、14、16次，由此獲取多個單炮記錄，經對比確定每個震源點14次疊加激發。結合煤層埋藏深度，數據采集采樣率確定為0.5ms，記錄長度1s。

（2）瞬變電磁法：本礦區勘察采用V8多功能電法儀，大定源裝置，具體參數設置如下表2所示。

此礦區綜合采用上述兩種物探方法，地震測線5條，測線長度5548m，生成物理點613個；瞬變電磁測線23條，總長度21740m，坐標點1110個。

4.3資料分析與解釋

4.3.1淺層二維地震資料分析與解釋

本礦區屬于典型丘陵地貌，煤層埋藏淺，資料處理相對困難。完成常規數據處理后，實施3次剩余靜校正，處理成果良好，單炮記錄上煤層反射波清晰、連續。

根據地震偏移時間剖面，推斷賦煤區域表現為5-2煤層對應同向軸較為穩定，連續性好；異常區（定性為推斷采空區），煤層反射波凌亂、成層性差，詳細分析如下：

（1）D1線在樁號121～155反射波不連續，成層性差、能量弱，屬于異常區，推斷采空區；

（2）樁號155～180地震反射同相軸能量強，存在2個穩定相位，推斷賦煤區；

（3）樁號180～206上部反射同相軸消失，下部同相軸能量弱，存在局部錯段的情況，推斷采空區。

4.3.2瞬變電磁資料分析解釋

本礦區瞬變電磁法探測效果好，采空區積水較多時存在明顯低阻異常反映；相反，存在相對高阻異常反映。瞬變電磁法S5線視電阻率斷面如下圖1所示，分析可得，70～79號、83～87號點，煤層標高附近明顯低阻異常，推斷采空積水區；85～87號點，煤層標高附近明顯高阻異常，推斷采空區，積水少或不積水。

4.3.3綜合資料分析與解釋

對勘察所得資料進行分析與解釋，發現有7處異常區。經判斷采空區有1處，分布面積為0.754km2；積水異常區共有6處，分布面積為0.178km2。

5.結語

綜上所述，隨著我國礦山開采規模的不斷擴大，各種資源整合的持續深入，采空區問題必須得到重視，其已經成為一大安全隱患。在礦山開采中，必須將采空區勘查作為一項重要任務來抓，合理選擇物探技術，全面查明采空區分布情況、范圍、深度等，切實為后續采礦工作的實施提供可靠依據，保證采礦安全性。

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