采空区的特征与探测技术研究

鲁 辉 薛云峰 胡伟华

采空区的特征与探测技术研究

鲁 辉 薛云峰 胡伟华

（黄河勘测规划设计有限公司工程物探研究院 河南郑州 450003）

本文介绍了采空区探测的现状，分析了采空区的地质和地球物理特征，列举了常用的地球物理探测方法和一些实例，最后提出了采空区探测目前存在的问题和研究方向。

采空区 探测 特征 建模

1 采空区探测的意义和国内外现状

1.1探测的意义

矿产作为一种重要的资源，其开采形成的采空由于历史的原因，大多未进行有效地治理，而处于废弃状态，有的采空区出现了大面积的地面沉陷，有的出现了地面裂隙，有的尚未造成明显的地面破坏。采空作为人类活动产生的潜在地质灾害之一，给矿山的安全生产、工程建设和人民的生命财产造成了严重的威胁。特别是在水利工程建设中，如果库坝区有采空区存在，很有可能影响边坡的稳定、造成水库渗漏，并影响临近矿区的安全生产。例如已经竣工投入运行的黄河小浪底水利枢纽、四川紫坪铺水利枢纽、正在建设中的南水北调中线工程、包西铁路和即将启动勘测的黄河流域某水利枢纽都存在采空区的评价及治理问题，采空区空间分布情况不查明，评价及治理就无的放矢。因此，对采空区进行探测非常必要。

1.2国内外现状

目前，采空区的探测主要是以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。其中，美国等西方发达国家以物探方法为主，而我国目前以钻探为主，物探为辅。在美国，采空区等地下空洞探测技术全面，电法、电磁法、微重力法、地震勘探等都有很高的水平。其中，高密度电法、高分辨率地震勘探技术尤为突出，且近年来在地震CT技术方面也发展迅速。日本的工程物探技术在国外同行业中处于领先地位，应用最广泛的是地震波法。此外，电法、电磁法及地球物理测井等方法也应用得比较多，特别是日本80年代开发研制的“GR-810”型佐藤式全自动地下勘察机，在采空区、岩溶等空洞探测中效果良好，且后续推出的一系列产品都处于国际领先水平。欧洲等国家采空区探测技术也比较全面，俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、浅层地震反射法、井间电磁波透射、放射性测量等，英、法等国家以探地雷达方法应用较好，微重力法、浅层地震反射法也有使用。

近年来，采空区探测成了行业内的热点和难点问题，引起了国内地球物理工作者的浓厚兴趣，纷纷结合自身优势投入了各种各样的方法技术，进行了很多有益的尝试。在各种地球物理方法中，根据其所研究地球物理场的不同，通常可分为以下几大类:

（1）以地下介质密度差异为基础，研究重力场变化的方法称为微重力法；

（2）以介质磁性差异为基础，研究地磁场变化规律的方法称为磁法勘探；

（3）以介质电性差异为基础，研究天然或人工电场（或电磁场）的变化规律之方法称为电法勘探(或电磁法勘探)；

（4）以介质弹性差异为基础，研究波场变化规律的称为地震勘探；

（5）以介质放射性差异为基础，研究辐射场变化特征的称为放射性测量。

主要探测方法分类见图1：

图1 地球物理探测方法的分类

2 采空区的特征

2.1矿层的特征

由于采空是由采矿中形成的，所以要想科学而准确地识别采空区，首先应能准确地识别矿层，这就需要对常见矿产的成矿规律及其物性特征有所了解。按矿产类型划分，常见采空区分为煤矿采空区、金属矿采空区和非金属矿采空区三类。成矿规律方面，煤层一般较厚，层位稳定，因此煤矿采空区一般规模较大。而金属矿则不一定，如豫西铝土矿矿层形态受下覆奥陶系地层控制，有些区域呈现出不连续的窝状；物性特征方面，同一种矿产成分比重不同其物性也会有很大差异。比如无烟煤是良导体，表现为相对低阻，而烟煤是不良导体，表现为相对高阻。掌握了这些和采空区探测密切相关的辅助知识，必然会对地球物理方法的选择提供很大帮助。

2.2采空区的地质与地球物理特征

2.2.1 采空区上下岩层的地质特征

矿产被采出后，矿层中形成空洞，原本平衡的地下应力系统遭到破坏，局部应力集中。上覆地层在应力作用下经过变形、断裂、位移和冒落，重新达到应力平衡。在这一过程中，共出现了以下特征：

（1）地表。当采空区塌陷时，其地表周围出现裂缝等现象。

（2）采空区上覆岩层形成了“3带”，即冒落带、裂隙带及弯曲带。

①冒落带。在矿层开采过程中，顶板岩层在自重应力的作用下，发生法向弯曲，当岩层内部的拉应力大于岩石的抗拉强度时，顶板岩层开始产生断裂、破碎，继而垮落，这部分垮落的岩层称为采空区的冒落带。冒落岩体具有一定的碎胀性与压缩性，其岩块间空隙较大，连通性好，冒落岩体的体积大于冒落前的原岩体积。随着冒落岩体稳定时间的加长，其压实性越好，但不可能恢复至原岩体的体积。碎胀性是冒落自行停止的根本原因。

冒落带发育高度与上覆岩性及采厚有很大的关系，对于中硬性上覆岩层(陕北地区)其计算公式为：

式中：H为冒落带高度：m为矿层采厚。

当累计采厚达4m时，其冒落范围为8.3～13m。可见，目标体虽然仅有4m，但其冒落带可达近13m。冒落带改变了上覆围岩的物性，相对增大了采深比，扩大了异常范围，有利于采空区的探测。

②裂隙带。采空区上覆地层中产生了裂缝、离层及断裂现象，但仍保持层状结构的那部分岩层称为裂隙带，位于冒落带之上，两者之间没有明显的分界线，均属破坏性影响区，破坏程度随离采空区距离的加大而逐渐减小。裂隙带内的岩层不仅发生垂直于层面的裂缝和断裂，而且常常产生顺层面的离层裂缝。一般下部岩层大多断开，但仍保持其原有层次；上部岩层裂缝不断开，连通性较差。

裂隙带发育的范围与采空区面积有关，且有正相关关系（见图2a），与初次开采厚度成正比关系（见图2b），与累计开采厚度成正相关（见图2c），与开采后时间的变化也有关系（见图2d）。可见，裂隙带的发育情况较为复杂，采空区上覆地层的物性因受多种因素的影响，也变得复杂了。

对于中硬性覆岩(陕北地区)其发育高度可用下列公式计算：

如，总采厚4 m，裂隙带高度可达90m，其影响范围达100多米。

③弯曲带。弯曲带位于裂缝带之上，直至地表。弯曲带内岩层在自重应力作用下产生层面法向弯曲，水平方向处于双向受压状态。岩层主要发生移动现象，移动过程具有连续性，并保持其整体性和层状结构，不存在或极少存在离层裂缝。在地表往往可见到垂直层面、上大下小的楔形地裂缝，向下延伸较短，到一定深度自行闭合。

图2 裂隙发育高度与影响因素关系图

采空如埋藏较深，矿层较薄，且上覆岩层坚硬，“3带”可能不甚发育，但如果地表建造高层建筑将诱发“3带”的发展。

（3）采空区下覆岩层。在矿层开采过程中，由于受到人为扰动较小，其下覆岩层基本稳定，与原始地层相比变化不大。

2.2.2 采空区的物性特征

随着采空的形成和时间的推移，采空部位及其围岩将会表现出一些明显的物性变化，这就给地球物理方法探测采空区提供了前提条件。

矿产被采出后质量亏损已经形成，给微重力法提供了前提条件。在不同的水文地质条件下，采空区会表现出不同的电性特征，采空区内泥水充填时表现为相对低阻特征，空气充填时表现为相对高阻特征。而且采空区与围岩交界处常常会形成较强的介电常数和波阻抗界面。这就给电法（电磁法）勘探和地震勘探提供了前提条件。随着时间的推移，采空区上覆地层“3带”逐渐发育，“3带”和影响范围外原状地层相比层状结构遭到破坏，岩体变得疏松，导致其波速降低，电阻率升高，采空区内富集的放射性射气也会透过“3带”向地表游离。“3带”的存在不但放大了采空的影响范围，也为放射性测量提供了前提条件。

2.2.3 采空区的识别

根据采空区及其围岩的物性变化特征，下面介绍几种常用地球物理方法物性剖面图上采空区的表现特征。

（1）电法（电磁法）。正常沉积地层结构在电阻率等值剖面图中呈大致平行的层状分布，当矿产被采出后，矿层出现缺失或中断，采空部位的电阻率等值线发生畸变扭曲。如果采空体积较大，随着时间的推移采空上覆地层形成“3带”，上覆地层层状岩体结构被破坏，“3带”的电阻率等值线会变得比较杂乱，离采空越近分层效果越差。而采空区底板岩体一般受到扰动较小，电阻率等值线形状相对平缓，层状特征仍然很明显。

（2）地震勘探法。矿产被采出及其顶板遭受破坏后，在地震时间剖面上采空部位出现同相轴中断或消失，同时由于采空区上覆地层“3带”的形成，地层层状结构被破坏，岩体变得疏松，对地震波产生较强的吸收频散衰减作用，使反射波频率降低，同相轴变得不规则、紊乱甚至产生畸变。采空区底板岩体则由于扰动小而变化不明显，同相轴清晰可辨，成为在地震时间剖面上识别采空区的一个重要标志。

3 探测方法及实例

3.1电法

3.1.1 高密度电法

高密度电法是在常规电法的基础上发展而来的，它是先将全部电极一次性布设好，测量时通过控制程控式多路电极转换器实现电极排列方式、极距和测点的快速转换，短时间内可采集到大量的数据。再利用配套的处理软件,对采集的数据进行各种处理，成果直观可靠。该方法具有工作效率高、精度高等优势，但对接地条件有要求，很难穿透高阻层，探测深度亦有限。

3.1.2 实例

（1）工程和地质概况。豫西某铝土矿即将正式开采，但由于前期民间的无序开采使得矿区内存在为数众多且分布不明的采空区，这些采空区有的只有巷道大小。工区地质条件复杂，薄层较多，地层尖灭现象也很普遍。主要地层有，第四系（Q），河床堆积砾石层、亚沙土和黄土；第三系（N），石英砂岩、长石石英砂岩；二叠系下统山西组（P1s），砂岩、黏土页岩、煤层及炭质页岩；二叠系下统下石盒子组（P1x），石英砂岩、灰色粉砂岩、泥质页岩、黏土岩夹薄层煤。据调查，测区水文地质条件复杂，采空区内有的泥水充填，有的空气充填。

（2）高密度电法建模分析。模型根据测区实际地质情况而建立。模型的设计参数如表1所示，其中在模型的第3层中设计了厚度为7.5m、宽度为40m的地质异常体，通过改变异常体的电阻率来模拟采空区的充填情况。正演均是采用电极距为5m的温纳装置进行的。正演结果显示，采空区是高阻时其造成的异常与下覆基岩分界不清，只能根据电阻率的起伏状况来进行确定。而当采空区是低阻时，即使与围岩相比电阻率差异不大，采空区异常也非常明显。这就说明用高密度电法探测空气充填的采空区没有泥水充填的采空区效果好。

表1 高密度电法正演模型的基本参数

（3）典型成果。图3为199#矿井附近d1测线高密度电法视电阻率拟断面图。由图3可以看出，在水平距离95.0m、高程475.0m处有一高阻团，结合地质和调查资料推测该处为采空区，且空气充填。采空部位上方电阻率曲线发生变形，说明上覆地层有一定坍塌。2009年业主对物探成果进行了打钻验证，在该测线距离95.0m、高程483.0m处发生掉钻现象，说明该采空区确实有一定坍塌。

图3 d1测线高密度电法视电阻率拟断面图

3.2电磁法

3.2.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法是向地下发送一次脉冲磁场的间歇期间，观测由地下地质体受激引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场，二次场的大小与地下地质体的电性有关。低阻地质体感应二次场衰减速度较慢,二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征，就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等。由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势，对二次电位进行归一化处理后，根据归一化二次电位值的变化，间接解决如陷落柱、采空区、断层等地质问题。该方法具有分辨能力强、抗干扰能力强、不受接地条件限制、受地形影响小、能穿透高阻覆盖层等优势，但测区植被茂盛时施工较困难。

3.2.2 实例1

（1）工程和地质概况。四川某水利枢纽工程，坝址区施工过程中发现多处以往煤矿生产形成的采空区，需要查明处理。工程区属于高倾角地层，地质条件复杂，基岩主要为三迭系的一套湖沼相含煤砂页岩地层，表层为第四系松散堆积层。测区内地形起伏变化较大，据调查采空区内一般空气充填。

（2）试验效果和典型成果。根据已知FMD8煤洞上方的试验测线的实测瞬变电磁法视电阻率拟断面，煤洞实际位置位于9号测点下方，且空气充填。在9号测点半衰时4.0ms深度有一个明显的高阻异常，应为采空区的反应，说明瞬变电磁法探测本测区采空区有效可靠。

3.2.3 实例2

图4为G3测线瞬变电磁法采空区探测成果图，从图4可以看出在测线桩号50～60m、时间深度8.5～10.5ms处有一明显椭圆状高阻体（椭圆圈圈出部位），综合地质和调查资料推断此处为采空区，其上覆地层分层尚可，说明采空区没有发生明显塌陷。

3.3可控源法

3.3.1 CSAMT法

CSAMT法（可控源音频大地电磁法）是采用大功率人工场源，沿一定方向布置接地导线AB，长度一般为1～3km，向地下供入频率为f的交变电流，形成交变电场。一般在接地导线的一侧或两侧600张角的扇形区域内，平行接地导线布置测线进行测量（见图5）。在每一个测点进行观测时，逐次改变供电频率，观测沿测线方向相应频率的电场分量Ex和与之正交的磁场分量Hy，便可以计算出随频率变化的视电阻率和阻抗相位，以达到频率测深的目的。该方法具有信噪比高、探测深度大、工作效率高等优势，但对接地条件有要求，有时人工场源的场地条件不易满足，设备也比较笨重。

图4 G3测线瞬变电磁法采空区探测成果图

图5 CSAMT法野外工作布置示意图

3.3.2 实例

（1）工程和地质概况。南水北调中线一期工程是国家重点工程，工程总干渠某段经过一个煤田，该矿区地下存在大量分布不明的采空区，对总干渠线路的选址造成很大的困扰。工区覆盖层主要为中更新统（Q2）和上更新统（Q3）粉质壤土，其次是上第三系的黏土岩，第三系的黏土岩的下部是（粉）砂岩、泥岩夹薄层砂质、泥质页岩或页岩等岩层，煤层夹杂在薄层之间，最下面为奥陶、寒武、震旦纪地层。

（2）典型成果。图6为南水北调中线一期工程某段Ⅲ测线CSAMT法视电阻率拟断面图。由图6可以看出，在测线距离80～500m、埋深100～450m范围有一明显低阻区域，该区域电性分层不清晰，杂乱无章，说明该区域岩体层状结构已经发生了改变，泥水充填，判为采空区。结合地质资料和异常厚度推断该采空区已大面积塌陷。在埋深480m以下，电性分层清晰，电阻率较高，推断深度480m左右为采空区底板。2011年该段开工，对采空区进行钻探注浆处理，本测线探测成果得到了验证。

3.3.3 EH-4大地电磁法

EH-4大地电磁法属于可控源与天然源相结合的一种大地电磁测深系统。该系统通过天然背景场源获得深部构造的信息，通过一个便携式低功率发射器发射1～100kHz人工电磁讯号来获得浅部构造的信息，以此来补偿天然讯号的不足。可在地面观测相互正交的电磁场分量Ex、Hy和Ey、Hx，通过计算确定介质的电阻率值。连续的测深点阵可以组成地下二维电阻率剖面，从而获得高分辨率的电阻率色谱图。该方法设备轻便简单，受地形影响小，可穿透高阻层，但易受电磁干扰，且工作效率不高。

图6 Ⅲ测线CSAMT法视电阻率拟断面图

3.3.4 实例

（1）工程和地质概况参见3.1.2实例，为同一测区。

（2）大地电磁法建模分析。本模型由测区实际地质情况简化而来。在背景电阻率值为1000 Ω.m的均匀半空间内，有一埋深为200m的200m ×160m的低阻体,其电阻率值为100Ω.m。我们采用50m×40m的网格对该模型进行网格划分,取频率范围为10～100kHz,对该模型进行正演模拟。在对该模型的正演结果进行二维RRI反演时,选择初始模型电阻率值为1000Ω.m,设置其横向网格大小与正演模型相同,纵向网格前三层为10m,随后以1.1倍增加。对该模型分别进行TM模式反演、TE模式反演和TE模式与TM模式联合反演,就会得到如图7（b）～（d）所示的反演结果。

对于图7（b）所示的TM模式的反演结果,很明显,由于浅部低阻异常的影响,导致TM数据在纵向上有一个低阻条带畸变,这明显是由静态效应引起的。对于图7（c）所示的TE模式的反演结果，很好地圈定了低阻异常体的位置和大小。对比TM模式反演结果和TE模式反演结果可知，对于同一剖面，TM模式的数据受静态效应的影响程度一般要大于TE模式的数据。对于图7（d）)所示的TE模式与TM模式联合反演的结果，也很好地圈定了低阻异常的位置和大小，并且其背景值更接近真实情况。

图7 不同模式的反演结果

（3）典型成果。图8为326#矿井附近b1测线EH-4大地电磁法视电阻率拟断面图。由图8可以看出，在埋深40.0～70.0m范围内有一透镜状地层，结合地质和调查资料判断其为铝土矿层。在铝土矿层中，距离0～15.0m段，埋深45.0～60.0m范围内有一明显相对低阻团，推断为采空区，且为泥水充填，采空区上覆地层分层较好，说明采空区没有明显坍塌。2009年业主对物探成果进行了打钻验证，该测线桩号8.0m、埋深45.0m处打到了采空区。

图8 b1测线EH-4大地电磁法视电阻率拟断面图

3.4浅层地震反射波法

地震反射波法是利用地震波在弹性介质传播的理论，通过人工激发的地震波向地下深部传播，遇到波阻抗界面产生反射，用检波器接收反射波信号，并对信号进行时频特征和振幅特征分析，用以推断界面深度、构造形态及其物性参数。该方法具有数据处理技术成熟、地球物理特征明显等优势，但易受震动干扰，探测深度大时震源问题不易解决。

3.4.1 实例

（1）工程和地质概况。太原至中卫（银川）铁路工程是国家重点投资的新建铁路工程，线路经过的某段，小煤窑较多，采空区分布复杂，有待查明。测区地层有新生界第四系全新统、更新统，第三系上新统，古生界三叠系、二叠系上统、下统，石炭系中统、上统，奥陶系中统、下统，寒武系中统、上统，元古界长城系，以及太古界地层。

（2）浅层地震反射法建模分析。地震地质模型是根据测区实际地质情况建立的。采空区设计在中心埋深50m处，采空区的规模为20m× 20m，具体的参数设置详见表2、表3。根据地质模型和正反演结果，从模型（a）的正演结果来看，在采空区的位置出现了反射同相轴的中断，并有绕射伴生，模型（b）也是在采空区的位置出现了反射同相轴的中断，在下方以后延续的反射波出现。这个特征可能对判断采空区的充填情况有帮助。

（3）典型成果。图9为太中银线柳林段VV-VV’测线浅层地震反射法地震时间剖面图。如图9所示，图中近似水平的同相轴（黑粗线条）表示波速差异较大的岩性分界面，如果同相轴连续说明岩体完整，如果发生中断则可能是断层或采空区。从图中可以看出在时间深度0.20s，桩号204～231m范围内（方框圈出的部位）上下几个同相轴出现中断、不连续、层位杂乱，综合地质和调查资料推断此处为采空区，且有坍塌。据业主反馈，该测线探测成果和他们掌握的情况基本一致。

表2 地震地质模型（a）设置参数表

表3 地震地质模型（b）设置参数表

图9 VV-VV’测线浅层地震反射法地震时间剖面图

4 存在问题及研究方向

4.1存在问题

首先，人们对采空区的定量解释精度提出越来越高的期望，如豫西某采空区探测项目业主要求明确采空区的顶底板以及充填物，以便指导生产。又如南水北调中线一期工程某段采空区探测项目业主要求绘制出采空区形态图，以便估算灌浆量等。其次，大埋深、小规模的未充水采空区的探测效果仍不理想。再则，目前采空区探测缺乏一套实用的系统理论。

4.2研究方向

（1）细化建模分析技术，再结合采空区激光扫描系统，提高定量解释精度；

（2）研究提高浅层地震反射分辨率的途径，对大埋深、小规模的未充水采空区进行有益的尝试；

（3）建立一套包含常见矿产成矿规律及其物理性质、采空区的破坏规律、复杂地质条件下无序分布采空区的综合物探解决方案、采空区稳定性评价和变形监测技术的系统理论。

1 孙宗第. 高等级公路下伏空洞勘探、危害程度评价及处治研究报告集[R]. 北京：科学出版社, 2000.

2 地矿部物化探研究所情报室. 日本工程物探技术译文集[M]. 北京：地矿部物化探研究所情报室, 1984.

3 贾东新, 王自强, 徐庆魁. 浅层地震法在煤层采空区探测中应用[J]. 河北煤炭，1999.

4 靳聚盛. 地震勘探方法圈定老窑采空区[J]. 中国煤田地质. 1998.

5 汤井田, 肖晓等. RRI方法在EH-4数据解释中的应用[J].地质与勘探，2008.

6 杨建军, 吴汉宁等. 煤矿采空区探测效果研究[J]. 煤田地质与勘探, 2006.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.009

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1672-2469（2014）02-0027-07

鲁辉（1980年- ），男，工程师。