采空区勘察物探技术应用研究

罗杨铭

摘要：在矿山开采中，采空区是一大安全隐患，尤其是部分老矿井缺少采掘图纸，或是无法找到相关采掘资料，以致于很多资源整合的矿井无法掌握相关采空区的分布情况，稍有不慎极易引发事故。对此，本文围绕采空区勘察问题展开分析，首先论述了采空区勘察方法，明确了物探技术的有效性，其后详细探讨了采空区勘察中几种常见的物探技术，提出通过综合物探方法的运用进一步提高勘察可靠性，最后围绕工程实例展开论述，以期可供参考。

关键词：采空区；勘察；物探技术；工程实例

1.引言

安全生产是矿山开采中永恒的主题，采空区全面、精确的勘察是保证安全生产的重要前提。基于我国勘察技术的不断发展，物探技术在采空区勘察中逐渐得到了广泛应用，具有成本低、见效快、精度高等优点。由于不同物探方法各有适用性，本文提出采用综合物探法，进一步提高采空区勘察结果可靠性，保证矿山开采作业安全。

2.采空区勘察方法概述

随着我国矿业的不断发展，采空区数量不断增加，且规模巨大。采空区存在较大的危害性，对采矿安全、交通以及地面建筑均存在严重威胁，目前已经成为了我国隐蔽致灾主因之一。根据国家统计局资料显示，2019年全国十大生产安全事故中，广西河池南丹庆达惜缘矿业投资有限公司“10·28”重大坍塌事故导致13人死亡。事故巷道靠近铜坑矿采空区冒落带，该区域上下都是铜坑矿的采空区和充填体，由于下部采空区发生垮塌，帶动上部充填体和围岩发生垮落，产生冲击地压，导致人员受到冲击波伤害以及掩埋造成死亡。

基于上述分析显示，在矿区勘察中必须将采空区勘探作为一项重要工作来抓。然而由于矿区地形、地质条件复杂，受采空区地表变形、地面塌陷影响，采空区勘察难度较大，对此迫切需要采用先进的探测方法查明采空区分布情况。国内外主要采用采矿调查、工程钻探、地球物理勘探等方法，国内以钻探为主、物探为辅，西方发达国家则以物探为主。其中，钻探方法较为直观，但需布置密集钻孔，投入工作量大，而小矿井开采无规律性，单一钻探难以准确探查采空区范围，存在效率低、资金投入大的问题，此外若是不慎出现钻透采空区的情况极易引发灾难性后果。在此背景下，物探技术凭借着快速、无损探测以及面积测量等优势得到了推广。

近年来，物探技术发展迅速，在我国采空区勘察中获得了较好的应用效果，常用的有地震方法、电（磁）方法等，采空区识别可靠性较好，可用于复杂地形、地质条件，勘探深度大、分辨率高，为采空区治理提供了可靠依据。

3.采空区勘察中几种常见的物探技术

在采空区勘察中，常见的物探方法包括浅层二维（三维）地震法、瞬变电磁法、高密度电法、大地电磁法、地质雷达、测氡法等。各种物探方法各有优缺点，详细分析如下：

3.1浅层二维地震法：地震勘探在众多物探方法中发展最快，应用最多。此方法利用检波器接受地震波在各地层分界面反射/折射波信号，以此反演推测地下岩层性质、形态。通过此方法可实现连续测量，分层、勘探精度高，能够准确圈定采空区范围，然而无法查明采空区积水性。

3.2瞬变电磁法：属于时域方法，也称为纯异常场法，此方法工作效率高，地形影响小，对低阻反应灵敏，可较好探测积水情况，探测深度大。当采空区未充水时，瞬变电磁法也可探测采空区，但是效果没有充水时好。此外，此方法也容易受到电磁的干扰。

3.3高密度电法：也称为电阻率层析成像技术，集电测深与电剖面于一体，采用的是静电场理论。采空区地层完整性、连续性被破坏，电阻率必然产生变化，当采空区垮落不充分，存在较大的空洞，老空水积聚较少，呈相对高阻异常；采空区垮落压实或充水，呈相对低阻异常。此方法具有较好的积水探测效果，然而容易受到地形、接地电阻的影响，在埋深较浅的采空区探测方面具有较好的应用前景。

3.4可控源音频大地探测法：此方法探测深度大，可明确采空区积水情况，然而容易受到静态效应、近场效应影响。

3.5探地雷达法：此方法分辨率高，但是探测较浅，主要在60m以内。

3.6测氡法：此方法不受地形、地电、电磁场等因素的影响，然而无法解释采空区深度。

基于上述物探技术的分析可得，每一种物探方法均有自身物理基础，一定条件下均可解决一定地质问题，然而单一的物探方法运用存在各种限制，物探成果具有多解性，可靠性不高。因此，要想解决好采空区探测问题，必须树立综合使用各种物探方法的思想，针对不同的地质问题灵活搭配各种物探方法。目前，综合物探技术的运用已经成为采空区探测的一大重要趋势，其可获取丰富的物性信息，互为验证与补充，切实提高探测分辨率、解释成果可靠性。如：高密度电法+瞬变电磁法可互为验证，提高探测结果可靠性、分辨率；二维地震+瞬变电磁法，可有效克服解释成果的多解性。

4.实例探析采空区勘察物探技术应用

采空区一直是矿山安全开采的重要隐患之一，尤其是在中小型矿企较多、开采不规律的情况下，矿山整合时更好注重采空区的全面调查工作。本文以某煤矿采空区勘察任务展开分析，采用综合物探技术，发挥不同物探方法的优点，减少物探结果多解性，通过取长补短切实保证勘察结果精确、可靠。

4.1采空区概况

此矿井地貌单元属黄土丘陵沟壑区，区内主要分布第四系风积沙与黄土。地层由新至老分别为第四系、新近系、侏罗系中统延安组、三叠系上统永坪组。侏罗系中统延安组地层为含煤地层，5-2号煤层为可采煤层，其他煤层遭剥蚀或不可采。

5-2号煤层厚度4.55m～7.26m（均厚5.67m），局部含1～2层夹矸，夹矸厚度0.02m～0.60m，夹矸岩性主要为泥岩，属稳定型煤层。此煤层采用房柱式炮采，基于历史原因（矿权变更、偷挖乱采），区内可能存在采空区且分布不详，需做好相关勘查工作。

4.2采空区勘查物探技术方案

本矿区采空区勘查采用综合物探方案，浅层二维地震法、瞬变电磁法互为印证，具体技术方案如下：

（1）浅层二维地震法：本矿区勘查采用428Lite数字地震仪，具体参数设置如下表1所示。地震检波器采用主频60Hz的动圈式检波器，挖坑埋置；震源采用人工锤击方式，叠加次数分别为8、10、12、14、16次，由此获取多个单炮记录，经对比确定每个震源点14次叠加激发。结合煤层埋藏深度，数据采集采样率确定为0.5ms，记录长度1s。

（2）瞬变电磁法：本矿区勘察采用V8多功能电法仪，大定源装置，具体参数设置如下表2所示。

此矿区综合采用上述两种物探方法，地震测线5条，测线长度5548m，生成物理点613个；瞬变电磁测线23条，总长度21740m，坐标点1110个。

4.3资料分析與解释

4.3.1浅层二维地震资料分析与解释

本矿区属于典型丘陵地貌，煤层埋藏浅，资料处理相对困难。完成常规数据处理后，实施3次剩余静校正，处理成果良好，单炮记录上煤层反射波清晰、连续。

根据地震偏移时间剖面，推断赋煤区域表现为5-2煤层对应同向轴较为稳定，连续性好；异常区（定性为推断采空区），煤层反射波凌乱、成层性差，详细分析如下：

（1）D1线在桩号121～155反射波不连续，成层性差、能量弱，属于异常区，推断采空区；

（2）桩号155～180地震反射同相轴能量强，存在2个稳定相位，推断赋煤区；

（3）桩号180～206上部反射同相轴消失，下部同相轴能量弱，存在局部错段的情况，推断采空区。

4.3.2瞬变电磁资料分析解释

本矿区瞬变电磁法探测效果好，采空区积水较多时存在明显低阻异常反映；相反，存在相对高阻异常反映。瞬变电磁法S5线视电阻率断面如下图1所示，分析可得，70～79号、83～87号点，煤层标高附近明显低阻异常，推断采空积水区；85～87号点，煤层标高附近明显高阻异常，推断采空区，积水少或不积水。

4.3.3综合资料分析与解释

对勘察所得资料进行分析与解释，发现有7处异常区。经判断采空区有1处，分布面积为0.754km2；积水异常区共有6处，分布面积为0.178km2。

5.结语

综上所述，随着我国矿山开采规模的不断扩大，各种资源整合的持续深入，采空区问题必须得到重视，其已经成为一大安全隐患。在矿山开采中，必须将采空区勘查作为一项重要任务来抓，合理选择物探技术，全面查明采空区分布情况、范围、深度等，切实为后续采矿工作的实施提供可靠依据，保证采矿安全性。

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