采空区探测评价方法研究进展

采空区探测评价方法研究进展

白龙峰

（中国铁路设计集团有限公司，天津，300142）

摘要：采空区问题一直为铁路勘察设计所面临的技术难题，本文主要侧重介绍目前应用较为普遍的采空区物理探测及采空区评价方法，通过分析多项工程实例，认为对于采空区物理探测要充分考虑场地条件，选取合适的且不限于一种方法进行探测，稳定性评价主要介绍较为简单实用的经验公式进行评价，Mathews图解法、临界深度对比法、普氏压力拱法等。

关键词：采空区； 物理探测；Mathews图解法；普氏压力拱法；

Research progress of exploration and evaluation methods for goaf

Bai Longfeng

(China Railway Design Corporation，Tianjin 300142，China)

Abstract:The anandoned stope has always been a technical problem of the railway constraction, this paper mainly focuses on introducing the application of common geophysical prospecting and evaluation methods of the anandoned stope, through analysising several engineering examples, we must give full consideration to the conditions and select the appropriate and not limited to one method for detecting, In order to improve the efficiency of engineering construction, some simple and practical empirical formulas, such as Mathews-diagram method, critical-depth- comparison method and Pratt's-pressure-arch method, should be introduced for stability evaluation.

Key words:Goaf; Geophysical prospecting; Mathews-diagram method; Pratt's-pressure-arch method

引言

随着高速铁路、高速公路的快速发展，地下隐伏采空区的处理不可避免的会成为设计、施工所面临的问题之一，隧道、路基、桥梁等工程的设计施工均会对穿越地段采空区进行稳定性分析及安全性评价，随之进行处理，前人已对煤矿采空区的探测、勘察、处理已做了大量的研究，相较于其他类矿床如金矿、铁矿等采空区的研究相对较少，本文将主要侧重非煤矿采空区探测、评价、处理方法，对比归纳不同手段优劣，并对采空区的处理技术进行展望。

一、调查探测

目前，对于采空区的调查可分为两个阶段：①资料收集分析，②野外调查，资料收集方面在此不再赘述，野外调查可以细化为现场实地踏勘、地球物理探测以及工程钻探等方式，实地踏勘方法基本为穿越法与追索法相结合，根据所调查采空区的范围合理布置勘探点密度[1]；传统地球物理探测法可以分为：重力法、磁法、电法、地震法以及放射性等方法[2]，对于采空区的物探方法目前应用较多的为高密度电法、弹性波法（反射波法）、激发极化测深法、放射性勘探等，电法、弹性波法等主要用于探测采空区规模范围，放射性勘探主要用于探测采空区边界或区域内是否存在断裂[3]，不同方法各有优劣，适用范围也有一定局限，例如：超高密度电法多用于精度较高的探测，其局限性表现在探测深度相对有限，一般在深度25m范围内，其优势方面还体现在探测成本较小；相较于超高密度电法的高精度特点，高密度电法以及激发极化测深法精度相对较低，其探测深度有所增加，一般可用于探测地下100m范围内采空区，对于100m以下深度探测成果可信度不高，同超高密度电法类似，此种方法成本较低；电磁法探测可用于勘探初期框定采空区粗略范围，其精度较低，探测深度随之加深，尤其对于富水采空区的探测具有较好的效果，但此种物探方法易受地表高压线等磁场干扰[4] ，测氡法和重力法可以发挥其抗干扰能力强，数据可靠等优势，为采空区平面范围的圈定提供依据，地震映像其优势在于成本较低，采集数据高效，劣势在于测试深度不高，易受其他因素干扰[5]，而地震波反射法对于探测浅层采空区效果较好，对于深层（地下超百米）采空区需要用炸药作为激发震源，可能会对地下采空区稳定性造成消极影响

[6] ，激电剖面法在探测硫化物矿脉具有显著的优势，可依据才特性间接圈定采空区范围，瑞雷面波法优势在于可连续测量，从而获得较为可靠的采空区位置，但其对于地形要求较为苛刻，一般为平原区或地形较为平坦的丘陵区，地质雷达与电磁法相似，易受地表高压线等电磁影响，其优势也较为显著，探测效率、分辨率较好，成果可信度较高[7]。鉴于采空区地质情况的复杂性，以及物探方法自身的局限性，通常对于采空区的探测会根据实际情况，采用两种或两种以上物探方法相互印证，提高测试成果的准确性，同时可进一步进行工程地质钻探来印证其结果的可靠性。

对于金矿采空区而言，由于金矿赋存岩体大多为花岗岩类岩石，其物理性质与采空区有较大区别，根据此特征，前人已做了较多的相关研究：吴佳锡根据采空区与赋矿围岩视电阻率的物性差别，采用高密度电阻率法、视电阻率测深法、瞬变电测法探测采空区的位置，取得了较为可靠的成果[8]；宗传志在调查灵山蒋家金矿采空区时，结合探测区上有高压线，下伏采空区随意性较大的制约条件，选用抗干扰能力较强的测氡法、地震映像法进行采空区探测，同时利用重力法和天然音频大地电磁法物探手段加以辅助印证，较为精确的圈定了该地段采空区范围[5] ；李建在调查某金矿采空区时利用高密度电法、浅层地震两种物探方法，辅以工程钻探验证，较为有效的测定了采空区的深度及范围[9] ；肖立峰在常益长铁路无渣轨道地段采空区探测中，利用激电剖面法、高频大地电磁法、高密度法综合物探手段，克服了探测区地形起伏大、采空区埋深较大等不利因素，较为高效准确地对采空区进行了探测[7]；张扬等在调查蓬莱市某矿山采空区时，根据现场高压线、地下管线密集，电磁干扰强烈，附近采矿活动频繁，地震波波源复杂等不利情况，选择抗干扰能力较强的高密度电法、瞬变电磁反磁通法探测区域内采空区，取得了较为可信的成果[10]。综上所述，在调查采空区时要充分调查现场实际情况，判断调查区内对各种物探手段手段的制约条件，选取适宜的一种或几种物探方法进行探测，同时，为确保结果的可信程度，要结合工程地质钻探加以印证分析，以期查明区域内存在采空区，为进一步采空区稳定性评估及处理提供条件，消除工程建设隐患。

二、稳定性评价及处理措施

目前对于采空区的稳定性评价主要可以简单划分为两种方法：理论分析及数值模拟，理论分析原理主要为通过计算地基承载力或地下采空区的稳定性及地表的变形量来评价研究区域的稳定性，目前应用较多的为可靠度理论、Mathews稳定图解法、临界深度法、极限厚度法等。Mathews图解法可计算出在指定应力条件下围岩稳定能力，但计算条件较为苛刻，需要对采场的倾角、岩石的节理及采场表面积等条件均知悉，对于民采私采井等不规范开采地段，此类计算条件不能完全满足，不适合采用此种来评价[11]；临界深度对比法是通过计算采空区（巷道）顶板岩层自然平衡的临界深度，与采空区（巷道）的开采深度的进行对比从而判断其稳定性，此种方法仅需测量了解采空区的宽度及深度等简单条件即可进行稳定性评价，计算条件较为简单，较适用于私采矿井的评价[12]；也可通过计算安全开采深度来简单评价采空区稳定性，此种方法需要根据工程性质及矿产的形态选择适合的安全系数，从而计算地基的稳定性[13] ；洞顶坍塌堵塞法也可用于简单的评价采空区的稳定性，利用此方法来计算稳定深度时需注意地下水搬运情况以及合理选取岩体的涨余系数[14]，另一种应用较为普遍的稳定性评价方法为普氏压力拱法，此方法实用性有所局限，对于埋深较浅、平硐或隧道顶较为平缓时可利用此方法进行评价[15]。数值模拟原理为将采空区的地质信息进行简化，建立地质模型从而对采空区的稳定性进行模拟计算，可以分为有限单元法、离散单元法等方法。

对于采空区的处理问题，大体可以分为崩落、充填、支撑、封闭隔离以及联合法五种方式，每种方式各有优劣[16]，同时也可考虑地表构筑物进行抗变形设计、对采空区进行绕避处理等方式[17]， 而目前主要的处理措施为充填处理。

三、存在问题

目前对于煤矿采空区处理已经做了大量的研究工作，已经有了较为成熟的探查处理措施，但相较于金矿、铁矿等岩浆岩矿床，其处理方案主要以工程经验为主，未进行系统的理论研究，同时由于其成矿模式与煤矿的成矿模式有较大的区别，地下情况更为复杂，这就从根本上决定了这类矿床的处理模式更有难度，对于金矿等贵金属矿床，采矿年代较为久远，民采私采活动较严重，地下采空区情况已经不具备人工下井探查的条件，只能依靠走访调查、物探、钻探等间接手段来粗略查明地下情况，而目前铁路建设特点为高精度、强系统性，对于地面沉降及稳定性有很高的要求，采空区的探测及处理措施还需要进一步加强，对于非煤矿的采空区，有必要进行系统的划分，在物探手段及稳定性评价方面，需要针对勘查区的条件整理选取出可靠且经济适用的处理办法，以期为采空区处理规范规程的提出积累经验，对于后期铁路建设中采空区的处理技术的发展大有裨益。

参考文献

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《2021BDK07-胶东金矿采空区综合勘察技术及工程对策研究》