分析物探技术在矿山采空区勘查中的应用

分析物探技术在矿山采空区勘查中的应用

孔雪

中国煤炭地质总局一一九勘探队，河北 邯郸 056000

摘　要：矿山在完成资源采集后，采空区地质条件复杂，易造成地表塌陷、沉降、开裂等地质问题。本文对采空区的物探特点作了简要的介绍，并从重、电、震、放、综合物探等几个角度对采空区勘探方法进行了分类介绍，分析了这些技术的基本原理与应用，以期对相关从业人员起到一定参考价值。

关键词：物探技术；采空区；勘查

在矿山开发后，由于原有的矿山已被开发，因此在地下空间中会存在一定的空间，因此，这里被称作采空区。由于采空区的存在，造成地表大面积塌陷、塌陷、开裂等地质问题，造成地表基础设施的损坏。在这样的大环境下，为了确保施工现场的安全，必须弄清采空区的具体状况。采空区主要研究探测技术、稳定性评价技术、治理技术、质量监测技术等四个方面，而探测技术是目前煤矿采空区的重点，必须对其位置、空间大小、埋藏深度、围岩构造等进行合理的治理。地球物探的手段多种多样，每一种都有自己的优势。在采空区的勘探中，地质雷达、浅层地震、高密度电法、透射电法等都起到了很大的作用[1]。

1采空区地球物理特征

1.1采空塌陷区

采空区是指在采矿过程中开采后所形成的一个空间。当采空区形成后，原应力平衡被打破，上覆岩体失去支撑，发生位移，直至发生崩塌。采空区坍塌后，形成了一个采空区。以煤矿采空区为例，将其划分为3个区域：①冒落带：采空区上煤层发生崩塌；②裂缝带：由于岩体的弯曲变形，使采空区上部的张应力增大，两侧剪切应力增大，岩体出现了大量裂缝，使岩体整体遭到破坏；③弯曲带：裂缝带之上一直延伸至地表，在重力的作用下发生挠曲变形，但不会发生断裂。

1.2采空区的密度特征

采空区开采后的质量损失。采空区塌方未注水时，压实损失不变，但降低负压密度，对厚度的增加有一定的影响；采空区注水后，损失的质量可以得到补偿。

1.3采空区的电性特性

在采空区基本没有被充分充满的情况下，其电特性为典型的高电阻体；在采空区发生坍塌并基本不充满水分的情况下，也是一种高电阻体；而采空区在充水或坍塌充水时，会出现较低的阻值，其含盐度与崩塌的溶解状态存在一定的差异。

2采空区的物探勘探技术

2.1声波时差

声波探井正是根据岩石等介质声波波形特征，对钻探地质剖面进行分析和评价，并对成井效果进行了评价。通过测量滑动波通过每一块岩层所花费的时间即时差对地质情况进行分析。声波探井的主要用途是：它可以被用来划分煤层和它的结构，可以用来比较地层，可以用来确定覆岩断层高度、破碎带的位置，还可以用来分析和计算岩石强度参数。在煤系地层中，煤的密度是最轻的一种，波速也是最快的一种，凡是比测得的距离更长的煤层或夹层，其声波曲线都会有很大的不同。

由于煤层的开采，导致了覆岩的破坏，进而导致了上覆地层的视电阻率发生了改变，其中，在裂隙带区域，岩体的视电阻率是正常地层的2到3倍，在崩落带区域，则是4到6倍。因此，在采掘前后，对上覆地层的视电阻率进行观察，就可以对覆岩的破坏范围进行有效的检测。根据在采空区内，由固液两相界面处的波前反射出的声波在固-液两相介质中的传播特性，以及两者之间的相互影响，实现对覆岩断层高度的检测。

2.2电阻率层析成像法

现场测试时，将所有电极置于相距一段距离的测点处，再用多芯电缆与程控式多路电极转换器相连，一次即可完成电极布置。为了获得精确、快捷的数据，采用编程控制方法，使电极的布置方法、极距和测点之间的快速切换。同时，通过与本系统相匹配的电法处理软件，对所收集到的资料进行了多种处理，并将其结果进行了图表化。采用二维电阻率层析成像技术进行矿井采空区及斜风井巷道的检测与定位，具有较高的精度和可行性；在采空区及斜风井巷道中，如果没有水，在电阻率层析的二维平面上，通常会出现高阻异常封闭圈，如果有水的话，则会出现低阻异常封闭圈[2]。

2.3自然伽马法

目前，已知的可辐射强度较大且可被现代仪器检测到的核素只有 K、 U、 Th等，它们的富集与其所处的沉积环境有关。当由这些元素所产生的γ射线被检测器所接受时，就会转换为电子脉冲。每隔一段时间，电脉冲的数量与所收到的γ-射线的强度是成正比例的，也就是说，电脉冲的数量，代表着电脉冲的强度。电信号经伽马测井仪的电子回路处理，再经由测井电缆传输至地表，再由地表回路的计数器对其进行计数，其计数速率的大小反应了地下岩石中伽马射线强度的大小，同时也反应了被测地层中所含有的放射性元素的数量，进而决定了地下岩石的属性以及与之相关的地质问题。天然伽马测井方法适用于任何一口套管井或裸眼井。天然伽马测井仪是一种用于测定地层中放射性物质衰减的天然伽马的方法，它的测井数据可以与其它的测井数据相结合，并以它的数据为基准，从而综合的去判定地层物性。天然伽马γ数据可用来进行地层岩性的划分，并可求出地层中的泥质含量。 

2.4补偿中子法

补偿中子法采用的是一种孔隙度测井的方法，它是一种测量地层对热中子减速能力的孔隙度测井，它的测量结果能够反应出地层中的氢元素的含量，可以被用来测定孔隙度、气层接触面等，与密度、声波孔隙度测井结合，还可以测定出复杂地层的岩性。在使用过程中，主要采用的是同位素源中子测井方法，选择具有不同坐标的两个观测点进行测量，在检测的过程中，对两个观测点所产生的两条曲线及相关数据进行分析和计算，得到地层的孔隙度，进而对地层中的情况进行更深层次的了解。

由于井孔中通常含有流体，流体中的氢元素会减缓中子的移动，因而流体会对中子的传播速率产生一定的影响，从而不利于整个探测过程的改善。在采用补偿中子测井的方法时，选择两个测试点，建立两个探测系数和模型，经过比较，可以有效地补偿地层中的氢元素所造成的影响，从而提升整体检测的真实性和有效性。

 2.5电磁流量

传统的物探技术在勘探"房-柱"型采空区时，往往会出现一些漏报和误报。瑞雷波法是一种较好的采空区检测方法。瑞雷波是一种表面波，在自由界面上传播。例如在地层和大气和水之间。瑞雷波在层状介质中的相速随频率的改变，具有显著的频散特征，其频散特征与瑞雷波相速和空间分布具有唯一性；瑞雷波的能量强度比横波，纵波低，分辨率高，可重复性好；瑞雷波相速度与层间的瑞雷波速度存在显著的相关关系，在层间泊松比较大时，其相速与横向波速度之间的差异不超过5%；瑞雷波的穿透深度与激励波长相关，其穿透深度为单一波长，激励频率愈低，探测深度愈大。采空区不坍塌时，瑞雷波在到达这些部位时会突然消失或散射，在采空区顶部出现“之”形的弯角，并快速地降低了速度，因此，在垂直方向上，采空区的面积可以被确定；当采空区坍塌后，煤层上部结构松软，瑞利波速下降，而在频散曲线上，受影响区域的瑞利波速明显减小，从而可以在水平方向上确定塌陷区域，在垂直方向上确定塌陷区的范围。

2.6综合物探方法

随着勘探工作的发展，对勘探精度的要求越来越高，问题越来越复杂，越来越困难，单一的地球物理方法已经无法适应新的情况，尽管有些方法具有优势，但单一的方法难以对异常的情况进行定性，所以，综合地球物理方法已经被广泛采用。采用综合物探技术，利用地质体的密度、电性、弹性等物理特性，对采空区进行勘探，并运用不同的方法进行对比，从而保证了所得数据的精确、可靠。比如，利用地震法进行采空区勘探，并辅以测氡、直流电法、磁法等物探技术，并与其他地质勘探相结合[3]。

结语

在采用物探技术对采空区进行勘探时，必须充分考虑地质条件，并采用综合物探技术，以提高勘探成果的可信度。虽然采空区勘探的方法有很多，很多方法都有很好的效果，但随着科技的发展，各种探测手段也在不断改进，但采空区的检测技术和理论却并不成熟，缺少一套适合采空区特征的检测理论，仍需相关从业人员加强研究与探讨。

参考文献

[1]杨小龙,张崇礼,周开心,毛金峰.综合物探技术在煤矿采空区探测中的应用[J].黑龙江科学,2022,13(8):51-53.

[2]李如.物探技术在矿山采空区勘查中的应用[J].世界有色金属,2022(20):119-121.

[3]刘敦文,古德生,徐国元,黄仁东.采空区充填物探地雷达识别技术研究及应用[J].北京科技大学学报,2005,27(1):13-16.