采空區(qū)勘察物探技術(shù)應(yīng)用研究

羅楊銘

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

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；勘察；物探技術(shù)；工程實(shí)例

1.引言

安全生產(chǎn)是礦山開采中永恒的主題，采空區(qū)全面、精確的勘察是保證安全生產(chǎn)的重要前提。基于我國(guó)勘察技術(shù)的不斷發(fā)展，物探技術(shù)在采空區(qū)勘察中逐漸得到了廣泛應(yīng)用，具有成本低、見效快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)一步提高采空區(qū)勘察結(jié)果可靠性，保證礦山開采作業(yè)安全。

2.采空區(qū)勘察方法概述

隨著我國(guó)礦業(yè)的不斷發(fā)展，采空區(qū)數(shù)量不斷增加，且規(guī)模巨大。采空區(qū)存在較大的危害性，對(duì)采礦安全、交通以及地面建筑均存在嚴(yán)重威脅，目前已經(jīng)成為了我國(guó)隱蔽致災(zāi)主因之一。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局資料顯示，2019年全國(guó)十大生產(chǎn)安全事故中，廣西河池南丹慶達(dá)惜緣礦業(yè)投資有限公司“10·28”重大坍塌事故導(dǎo)致13人死亡。事故巷道靠近銅坑礦采空區(qū)冒落帶，該區(qū)域上下都是銅坑礦的采空區(qū)和充填體，由于下部采空區(qū)發(fā)生垮塌，帶動(dòng)上部充填體和圍巖發(fā)生垮落，產(chǎn)生沖擊地壓，導(dǎo)致人員受到?jīng)_擊波傷害以及掩埋造成死亡。

基于上述分析顯示，在礦區(qū)勘察中必須將采空區(qū)勘探作為一項(xiàng)重要工作來(lái)抓。然而由于礦區(qū)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，受采空區(qū)地表變形、地面塌陷影響，采空區(qū)勘察難度較大，對(duì)此迫切需要采用先進(jìn)的探測(cè)方法查明采空區(qū)分布情況。國(guó)內(nèi)外主要采用采礦調(diào)查、工程鉆探、地球物理勘探等方法，國(guó)內(nèi)以鉆探為主、物探為輔，西方發(fā)達(dá)國(guó)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(wú)規(guī)律性，單一鉆探難以準(zhǔn)確探查采空區(qū)范圍，存在效率低、資金投入大的問題，此外若是不慎出現(xiàn)鉆透采空區(qū)的情況極易引發(fā)災(zāi)難性后果。在此背景下，物探技術(shù)憑借著快速、無(wú)損探測(cè)以及面積測(cè)量等優(yōu)勢(shì)得到了推廣。

近年來(lái)，物探技術(shù)發(fā)展迅速，在我國(guó)采空區(qū)勘察中獲得了較好的應(yīng)用效果，常用的有地震方法、電（磁）方法等，采空區(qū)識(shí)別可靠性較好，可用于復(fù)雜地形、地質(zhì)條件，勘探深度大、分辨率高，為采空區(qū)治理提供了可靠依據(jù)。

3.采空區(qū)勘察中幾種常見的物探技術(shù)

在采空區(qū)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(zhì)雷達(dá)、測(cè)氡法等。各種物探方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)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(fā)展最快，應(yīng)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(hào)，以此反演推測(cè)地下巖層性質(zhì)、形態(tài)。通過此方法可實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，分層、勘探精度高，能夠準(zhǔn)確圈定采空區(qū)范圍，然而無(wú)法查明采空區(qū)積水性。

3.2瞬變電磁法：屬于時(shí)域方法，也稱為純異常場(chǎng)法，此方法工作效率高，地形影響小，對(duì)低阻反應(yīng)靈敏，可較好探測(cè)積水情況，探測(cè)深度大。當(dāng)采空區(qū)未充水時(shí)，瞬變電磁法也可探測(cè)采空區(qū)，但是效果沒有充水時(shí)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(shù)，集電測(cè)深與電剖面于一體，采用的是靜電場(chǎng)理論。采空區(qū)地層完整性、連續(xù)性被破壞，電阻率必然產(chǎn)生變化，當(dāng)采空區(qū)垮落不充分，存在較大的空洞，老空水積聚較少，呈相對(duì)高阻異常；采空區(qū)垮落壓實(shí)或充水，呈相對(duì)低阻異常。此方法具有較好的積水探測(cè)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(qū)探測(cè)方面具有較好的應(yīng)用前景。

3.4可控源音頻大地探測(cè)法：此方法探測(cè)深度大，可明確采空區(qū)積水情況，然而容易受到靜態(tài)效應(yīng)、近場(chǎng)效應(yīng)影響。

3.5探地雷達(dá)法：此方法分辨率高，但是探測(cè)較淺，主要在60m以內(nèi)。

3.6測(cè)氡法：此方法不受地形、地電、電磁場(chǎng)等因素的影響，然而無(wú)法解釋采空區(qū)深度。

基于上述物探技術(shù)的分析可得，每一種物探方法均有自身物理基礎(chǔ)，一定條件下均可解決一定地質(zhì)問題，然而單一的物探方法運(yùn)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(qū)探測(cè)問題，必須樹立綜合使用各種物探方法的思想，針對(duì)不同的地質(zhì)問題靈活搭配各種物探方法。目前，綜合物探技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)成為采空區(qū)探測(cè)的一大重要趨勢(shì)，其可獲取豐富的物性信息，互為驗(yàn)證與補(bǔ)充，切實(shí)提高探測(cè)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(yàn)證，提高探測(cè)結(jié)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(shí)例探析采空區(qū)勘察物探技術(shù)應(yīng)用

采空區(qū)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(guī)律的情況下，礦山整合時(shí)更好注重采空區(qū)的全面調(diào)查工作。本文以某煤礦采空區(qū)勘察任務(wù)展開分析，采用綜合物探技術(shù)，發(fā)揮不同物探方法的優(yōu)點(diǎn)，減少物探結(jié)果多解性，通過取長(zhǎng)補(bǔ)短切實(shí)保證勘察結(jié)果精確、可靠。

4.1采空區(qū)概況

此礦井地貌單元屬黃土丘陵溝壑區(qū)，區(qū)內(nèi)主要分布第四系風(fēng)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(tǒng)延安組、三疊系上統(tǒng)永坪組。侏羅系中統(tǒng)延安組地層為含煤地層，5-2號(hào)煤層為可采煤層，其他煤層遭剝蝕或不可采。

5-2號(hào)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(wěn)定型煤層。此煤層采用房柱式炮采，基于歷史原因（礦權(quán)變更、偷挖亂采），區(qū)內(nèi)可能存在采空區(qū)且分布不詳，需做好相關(guān)勘查工作。

4.2采空區(qū)勘查物探技術(shù)方案

本礦區(qū)采空區(qū)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(shù)方案如下：

（1）淺層二維地震法：本礦區(qū)勘查采用428Lite數(shù)字地震儀，具體參數(shù)設(shè)置如下表1所示。地震檢波器采用主頻60Hz的動(dòng)圈式檢波器，挖坑埋置；震源采用人工錘擊方式，疊加次數(shù)分別為8、10、12、14、16次，由此獲取多個(gè)單炮記錄，經(jīng)對(duì)比確定每個(gè)震源點(diǎn)14次疊加激發(fā)。結(jié)合煤層埋藏深度，數(shù)據(jù)采集采樣率確定為0.5ms，記錄長(zhǎng)度1s。

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

此礦區(qū)綜合采用上述兩種物探方法，地震測(cè)線5條，測(cè)線長(zhǎng)度5548m，生成物理點(diǎn)613個(gè)；瞬變電磁測(cè)線23條，總長(zhǎng)度21740m，坐標(biāo)點(diǎn)1110個(gè)。

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(qū)屬于典型丘陵地貌，煤層埋藏淺，資料處理相對(duì)困難。完成常規(guī)數(shù)據(jù)處理后，實(shí)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(xù)。

根據(jù)地震偏移時(shí)間剖面，推斷賦煤區(qū)域表現(xiàn)為5-2煤層對(duì)應(yīng)同向軸較為穩(wěn)定，連續(xù)性好；異常區(qū)（定性為推斷采空區(qū)），煤層反射波凌亂、成層性差，詳細(xì)分析如下：

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

（2）樁號(hào)155～180地震反射同相軸能量強(qiáng)，存在2個(gè)穩(wěn)定相位，推斷賦煤區(qū)；

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

4.3.2瞬變電磁資料分析解釋

本礦區(qū)瞬變電磁法探測(cè)效果好，采空區(qū)積水較多時(shí)存在明顯低阻異常反映；相反，存在相對(duì)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(hào)、83～87號(hào)點(diǎn)，煤層標(biāo)高附近明顯低阻異常，推斷采空積水區(qū)；85～87號(hào)點(diǎn)，煤層標(biāo)高附近明顯高阻異常，推斷采空區(qū)，積水少或不積水。

4.3.3綜合資料分析與解釋

對(duì)勘察所得資料進(jìn)行分析與解釋，發(fā)現(xiàn)有7處異常區(qū)。經(jīng)判斷采空區(qū)有1處，分布面積為0.754km2；積水異常區(qū)共有6處，分布面積為0.178km2。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)礦山開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各種資源整合的持續(xù)深入，采空區(qū)問題必須得到重視，其已經(jīng)成為一大安全隱患。在礦山開采中，必須將采空區(qū)勘查作為一項(xiàng)重要任務(wù)來(lái)抓，合理選擇物探技術(shù)，全面查明采空區(qū)分布情況、范圍、深度等，切實(shí)為后續(xù)采礦工作的實(shí)施提供可靠依據(jù)，保證采礦安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李宏杰，谷小敏，黎靈，廉玉廣等；綜合物探技術(shù)在淺層采空區(qū)勘查中的應(yīng)用研究[A].中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司、中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)、煤炭科學(xué)研究總院.第三屆煤炭科技創(chuàng)新高峰論壇——煤炭綠色開發(fā)與清潔利用技術(shù)與裝備論文集[C].中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司、中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)、煤炭科學(xué)研究總院：中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)， 2016： 5.

[2]劉淼淼，郝萬(wàn)東等；瞬變電磁法在探測(cè)煤礦采空區(qū)中的應(yīng)用[A].中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)礦井地質(zhì)專業(yè)委員會(huì).中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)礦井地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)2016年學(xué)術(shù)論壇論文集[C].中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)礦井地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)：中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)， 2016： 3.

[3]張揚(yáng)，王璐，劉智慧，劉升臺(tái)，梅貞華，杜利明，林曉暉，張建波等；多物探方法在膠東某金礦采空區(qū)勘查中的應(yīng)用研究[J].地質(zhì)與勘探， 2019， 55（03）： 809-817.

[4]岳鵬，余傳濤，劉欣玥等；綜合物探在煤礦積水采空區(qū)勘查中的應(yīng)用研究[J].煤炭技術(shù)， 2019， 38（01）： 69-71.

[5]趙立欽，李鳳明，李宏杰，吳作啟等；隱蔽采空區(qū)綜合勘查技術(shù)研究[J].煤礦開采， 2017， 22（05）： 17-20+16.

[6]楊勇，陳清通等；綜合物探方法在房采采空區(qū)勘查中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)煤炭， 2017， 43（08）： 47-51.