采空區地球物理勘探技術方法

高宏寶

摘 要：隨著我國經濟水平的不斷發展，人們的生活質量也有著較為顯著的提高，但由于早期刻意對經濟發展內的追求導致了對自然環境的嚴重破壞，而在礦物的挖掘過程中形成的采空區更是較為常見的一種安全問題，給人們的生產和生活造成一定的安全隱患。我國近年來對于勘探工程需求量較大，勘探技術的選擇要根據實際的地質情況，通過較為有效合理的分析，確定科學的勘探方案。文章通過對采空區地球物理勘探技術進行較為全面的分析，針對性的對目前勘探過程中存在的問題予以說明，并相應給出未來的研究方向，具有一定的參考意義。

關鍵詞：采空區;物理勘探;技術

近年來，人們對工業發展的需求很大。在此背景下，各類煤礦發展迅速。在高強度開采過程中，也涌現出不少民營煤礦，形成了采空區。煤礦采空區形成時間較長，此外，普遍存在有害氣體問題，當盲目開挖靠近采空區時，容易造成采空區積水事故、有害氣體沖擊事故和瓦斯沖擊事故， 影響安全。 同時，該礦區有較大的集水區，治理困難，容易對立井井壁結構造成不利影響，如導致井壁開裂和塌陷，對礦井通風和提升帶來較大影響，給礦山企業造成重大損失，威脅煤礦職工生命安全。

1相關背景

當下工業的進一步發展，增加了各個行業對于資源的需求，因此不同類型的煤礦企業得到較快的發展，并且各類煤礦在經過長時間的開采之后，形成了較多的采空區，而這一類采空區對人們的生活有著重要的安全性隱患問題，開采面積龐大，采空區較多。

2采空區的地球物理特征

礦區內部結構復雜多變。施工現場的地震波形不同。根據采區時間響應剖面，可以看出地震波具有三個特點：一是煤層反射波較弱，發生在采區邊界。反射波事件軸的頻率和發生是不連續的和突然的。與周圍煤層相比，反射波頻率和能量明顯降低。葉片中的事件軸地震波響應類似于蠕蟲形狀;另一個是通過碳拼接事件的反射波變弱，其頻率和發生率會發生很大變化。與附近非采空區的煤層相比，存在明顯差異。同時，反射波的特性與前向模型C相似，具有一定的時延;三是工作臺面上的碳縫完全抽出，只剩下少量的碳柱。由于腔體吸收了大部分地震波，因此本剖面的地震時間剖面顯示沒有碳縫合反射波。通過提取區域后，反射波的頻率下降得更快[1]。

3采空區物探

對山體主要裂縫、塌陷區域進行地球物理勘探，以獲得具體采空區分布范圍。地下采空區內介質為空氣或水，塌陷空區內為松散體，與周邊完整巖體介質的物理性質有巨大差異。利用這一差異，采用地球物理勘探可以探測到地下采空區，但其精度較差，故只能作為確定采空區分布靶區的技術方法常用的采空區物探方法有以下幾種：常規電阻率法、淺層地震法、微重力法、探地雷達、瞬變電磁法、高密度電法等。在正式開展物探工作前，在分析采場地質情況的基礎上，綜合比較選取了淺層地震法勘察地下采空區。常采空區常用的地球物理方法有幾種：常規電阻率法、淺層地震法、微重力法、探地雷達、瞬態電磁法、高密度電法等。在正式開展地球物理勘探工作之前，在分析采場地質情況的基礎上，綜合比較選取了淺層地震法勘察地下采空區。淺層地震法采用面波勘探，其中瑞雷波（R 波）能量最強，振幅最大，頻率最低。瑞利波勘探本質上是基于瑞利波傳播的散射特性。

4勘察方法

在搜集、分析研究施工區內以往地質、水文地質、地震地質以及采礦等資料的基礎上，確定采用天然電場選頻法[3]和地面瞬變電磁法[4]來進行超前物探，確定異常區，分析出采空區及影響帶;在井筒施工至距采空區30m時，進行鉆探驗證，精確驗證異常范圍，探明積水、瓦斯和有害氣體的影響情況。

（1）瞬變電磁法。瞬態電磁法是一種時域人工源電磁法，其原理是： 先向接地傳輸線的框架施加直流電，然后突然斷開電源，線框架中的電流會發生突變，這個瞬變電流會在空間中產生瞬變磁場，和瞬變土壤下方渦流引起的磁場，渦流會隨著時間的推移不斷向地面擴散，擴散速度與地下層的電阻率有關，在不同的時間會擴散到不同的深度。了解地下電阻率的目的是檢測地下渦流的變化。研究區地層由新到舊為第四紀、碳、奧陶系。各種地層視電阻率的瞬態電磁解釋如下：第四紀地層為低電阻反射， 二疊紀地層為中電阻反射，碳地層為中高電阻反射，奧陶系地層為高電阻反射。一旦構造發育或出現其他低阻異常，表觀電阻率等值線將發生扭曲或水平和垂直方向的梯度變化。當地層存在地質異常時，視電阻率值也會呈現明顯的局部差異。通過分析截面圖的異常反射和視阻盤異常低阻電阻的大小，結合原曲線、接地位置、導線干擾等，去除低阻異常區域真假， 最終確定異常區域的開采范圍[3]。（2）鉆孔成像。在本次采空區勘察鉆孔施工過程中，對部分鉆孔進行了鉆孔成像。成像直觀清晰地展示了擬建場地采空區的發育情況。該鉆孔在61.5～63.0m深度范圍存在明顯空洞，尚未完全垮落密實，裂隙較發育，與瞬變電磁物探推斷采空區的分布基本吻合。（3）天然電場選頻法勘測。自然電場選頻法剖面布置的原則是采用重合的瞬態電磁剖面線布置，外框尺寸為500m×500m，點距為20m，連續測量;一共排列了23個profile，總共約650個點。自然電場選頻法研究儀采用原鄭州小學研制生產的TR-2自然電場選頻儀。該儀器操作簡單，性能穩定，狀態良好，保證了現場數據采集的質量。自然電場選頻方法不需要人工場源，成本低，研究深度大，不受高阻層屏蔽影響，對低阻層分辨率更高，并且不受測量范圍的限制。該方法具有儀器輕便便攜、野外作業強度低、數據直觀、同一剖面上多頻點實現不同深度剖面測量曲線、效率高等優點。（4）地面瞬變電磁法勘測。瞬態電磁儀用于探測井外30°、南北45°～45°、東西45～45°三個探測范圍。在勘探區，瞬態電磁法布置在方格內，測線距為20m，測點距為10m。地面瞬態電磁測量儀采用WTEM-1Q/ GPS瞬態電磁儀，抗干擾能力強，性能穩定，狀態良好，保證了現場數據采集的質量。該儀器具有良好的采空區測量效果，不破壞原有地形地貌， 不影響建筑物。根據MTEM視電阻率偽剖面圖和廣泛的地質和水文地質資料，可以確定水平、水平和垂直深度的電變化。

結束語：由于采空區對于人們的生活以及工作都有著較為嚴重的影響，因此在則要求相關企業以及相關工作人員工作當中，需要進行采空區的物理勘探，并且需要詳盡的設計勘探方式，以及相關工作人員需要細化物理勘探，以此全方位的保障勘探結果的準確性，并做好礦區的開采保護，以此確保開創施工質量以及采空區不產生任何負面影響，以此確保不會對人們的生活質量以及正常工作產生干擾，保障煤礦開采行業的順利進行以及發展，促進行業的發展。

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