采空区地球物理勘探技术方法

采空区地球物理勘探技术方法

张家瑜

中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆市400039

摘要：煤矿采空区对铁路工程设施安全有不良的地质影响，如地面沉降、地层的水平移动及变形、地面开裂、构筑物下沉等。其中，小煤矿的不合理开采和越界开采，对已建和拟建工程设施存在极大的安全隐患。为了减少采空区的危害，并且采取相应的治理措施，首先需要采用适宜的物探方法来准确判定采空区的位置及规模。

关键词：物探技术;采空区;勘查;应用;分析

引言：

对于采空区勘查作业而言，各种物探技术的应用优势及适用性有所不同。特别是对于地质条件相对复杂的采空区勘查作业而言，应当在条件允许的情况下尽量选取综合化的物探方式，确保采空区勘查作业的有效性与精确性。

1采空区形成机理

地下矿层采空后形成的空间称为采空区。当采空区出现后，打破了原有的应力平衡，上覆岩层失去支撑，产生移动变形，直到破坏塌落。采空区塌陷后，形成采空塌陷区。以煤层采空塌陷区为例，可将它分为3个带:①垮落带:煤层采空上部岩层出现坍落;②断裂带:冒落带上方岩体因弯曲变形过大，在采空区上方产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力，因而岩体出现大量裂隙，岩石的整体性受到破坏;③弯曲带:裂隙带以上直到地面，在自重应力作用下产生弯曲变形而未破裂。

2地球物理勘探技术

地球物理勘探技术作为原位测试方法，具有简单、快速、易大面积施测等特点，是岩土工程勘察中的一种重要手段。物探方法种类繁多，包括电法、磁法、地震法、放射法等等，因此如何从中选取信息量最大的、最可靠的方法和确定其应用顺序，如何分配各种方法的经费以获取最大的效果就成为首要的问题。由于各种方法都有其特点、一定的适用条件和应用范围，而对于采空区的探测，电磁法是较好的方法，电磁法又分多种，针对翁福磷矿穿岩矿段地下采空区的特点，根据该区地质地球物理条件，本次物探工作选用的物探方法有低频地质雷达勘探和瞬变电磁法（TIMEELECTRIMAGNETICMETHOD，简称TEM）勘探。

3适宜物探方法的选取

3.1前期工作

(1)收集了解当地矿层的分布、层数、厚度、深度、埋藏特征，以及上覆岩体的岩性、构造等地质信息。

(2)收集矿层开采的范围、深度、厚度、时间和方法等信息。

(3)进行现场踏勘，确定地表的变形特征和分布。

(4)确定采空区周围的抽排水情况。

3.2选取物探方法

根据采空区地层条件及其地球物理特性，并且结合前期工作所取得的资料，选择最优的物探方法，表一是一些采空区常用的物探方法。选择合理的物探方法，不仅可以节省成本，提高工作效率，最重要的是使所得结果精度高并且更符合实际。

表1常用的采空区物探方法

3.3验证物探成果

(1)物探成果可以指导钻探工作的布置，做到有的放矢，从而避免了盲目布孔的浪费，缩短了勘察周期。

(2)钻探工作也同样是对物探成果的验证:采用清水循环钻进，在某一段内漏水严重或钻探过程中有掉钻、卡钻等异常情况发生，即验证了采空区的存在。

(3)综合对比分析物探与钻探成果会使勘察效果更好。

4采空区勘查作业中物探技术的应用分析

4.1瞬变电磁法的应用分析

现阶段瞬变电磁法应用较为普遍与广泛的仪器设备为基于轻型专业的TEM设备，此类型设备最为显著的应用优势体现在其较高的自动化水平、较高的抗干扰能力以及持续性的监督控制。更为关键的一点在于:在物探作业过程当中，结合采空区实际情况所生成的相关数据信息能够借助于微机控制得以完整性储存，以备调用及回放。在本文所列举的采空区勘查作业实际情况当中，勘查作业的实现需要在中心回线装置的辅助下予以完成。实践应用过程当中发现:这种同点装置能够确保与采空区地质勘查对象耦合属性的最优化，在简化响应曲线的同时具备更为优越与稳定的接收电平。为确保瞬变电磁法应用过程中所选取的装置能够充分符合采空区勘查作业实际要求，需要通过综合比选的方式予以确定。

4.2地质雷达法勘探的应用分析

地质雷达也称探地雷达，利用高频电磁波束在波阻抗界面上的反射来探测有关的目的物。具体工作时，发射天线和接收天线紧贴地面，由发射机发射短脉冲电磁波经发射天线辐射传入大地，电磁波在地下传播过程中遇到介质的分界面后被反射或折射，反射回地面的电磁信号被接收天线接收，根据反射回信号在时间坐标上的传播时间和相应的振幅相位变化特征，即可以判读界面的存在深度及其电磁相应性质。

对于地质雷达资料的定性解释，一般来说，在实测的地质雷达剖面上，如果以入射的电磁波脉冲为正方向，出现反相反射，意味着电磁波遇到了介电常数高的介质（如从空气入射到地下介质）若出现同相反射，意味着电磁波从介电常数大的介质进入介电常数小的介质（如从地下岩体进入采空区空洞时）。

4.3采空区勘查作业中高密度电阻率法的应用分析

采空区勘查作业实际过程当中应用温纳装置以及单边三级测探装置完成整个物探处理。在应用温纳装置的过程当中进行采空区勘查的过程当中，所获取的数据信息能够形成基于倒梯性的二阶段面电性分布情况。然而考虑到在应用此装置进行采空区物探勘查的过程当中可能存在地下空间盲区，因此还应当配合对单边三级探深装置的应用。实践研究结果表明，这种以矩形结构方式所进行的地点断面获取数据能够从根本上消除空间探查盲区。特别值得注意的一点在于:相比于单边三级探深装置所提供的数据信息而言，温纳装置所采集数据的分辨率水平明显更高。基于对这一因素的考量，建议在资料解释过程当中以有关温纳剖面的分析为主。

5各种电法勘探方法推断采空区度弃矿井洞及勘探深度

(l)高密度电法

①首先从KS断面等值线图上识别低值KS异常,异常范围一般较采空区废弃矿井洞范围要大一些,这是由于采空区废弃矿井洞周围具有较为发育的裂隙,KS异常是采空区废弃矿井洞及裂隙的综合反映。②从较大规模、异常幅度较大的KS异常中推断采空区废弃矿井洞的存在和范围,这是由于采空区废弃矿井洞相对较大的电性差异所引起的。③从KS断面等值线图上识别低值KS异常,在整个断面控制范围内无法用一个统一的KS值。因为KS异常存在于电阻率随深度增加而增加的趋势中一次导数尚未彻底消除这一趋势,低值KS异常只能是反映一定范围采空区废弃矿井洞异常。④对于地形起伏,小路、沟渠等引起的的一次畸度造成的异常,根据野外工作记录进行剔除。

(2)GDS法

该方法是在传统电法勘探的基础上发展起来的,其基本原理是依据所探测的地层(或目标物)的电性在深度方向上变化率的大小来推断地质情况的,其推断原则基本同高密度电法。

(3)地震映像法

地震映像资料的分解以地震映像时间剖面图为基础。图中各波的时序分布关系与形态特征是地层地质现象的客观反映、地震映像时间剖面图中各波组同相轴能量变化、频率变化、扭曲错动等物理现象是判断采空区废弃矿井洞断裂构造的依据。即依据映像资料在运动学和动力学方面的变化特征来分析地下介质的非连续性和各向异性变化,从而推断采空区废弃矿井洞的发育范围。

(4)物探深度

结合各物探工作方法的工作性质,特点及以往采空区废弃矿井洞勘察方法所积累的资料,成功的经验可得:为了提高勘察的分辨率,获得较准确的采空区废弃矿井洞存在信息,高密度电法采用四极装置,勘探深度一般小于50m;GDS法采用四极测深装置,勘探深度一般在30m左右,地震映像法勘探深度一般在30m左右。

结束语：

对于采空区勘查作业而言，各种物探技术的应用优势及适用性有所不同。特别是对于地质条件相对复杂的采空区勘查作业而言，应当在条件允许的情况下尽量选取综合化的物探方式，确保采空区勘查作业的有效性与精确性。

参考文献：

[1]郑志龙,车琪,宋书志.国内外采空区勘察与探测方法综述[J].水电站设计.2018(02)

[2]赵立钦,李凤明,李宏杰,吴作启.隐蔽采空区综合勘查技术研究[J].煤矿开采.2017(05)

[3]孙晋宁.积水采空区的电性异常特征分析[J].华北国土资源.2018(02)