采空区勘测方法选择论述

黄湛煐 叶 峰 孟 恒 张 倓 杨兴梅

(中国地质大学(武汉) 湖北 武汉 430074)

采空区勘测方法选择论述

黄湛煐 叶 峰 孟 恒 张 倓 杨兴梅

(中国地质大学(武汉) 湖北 武汉 430074)

金属矿废弃的采空区及民采空区一般隐蔽在地下且行人难以进入，在缺少资料的情况下，要想安全、高效、合理开采矿山深部资源，就需要对采空区的位置、大小、数量等进行精确探测。目前采空区探测方法主要有：电磁法、地震波法、微重力勘探法、激光3D探测等方法。

采空区；探测；电法；探地雷达

近年来，我国对于金属矿产的巨大需求与有限资源之间的矛盾随着高速发展的国民经济愈演愈烈，深部矿产资源的安全开发与利用成为热点。地下金属矿山常用的空场类幵采方法如全面法、房柱法、留矿法等[1,2]使地下留有大量采空区[3,4]，特别是20世纪80年代时期[5]，由于地下资源幵采技术的不成熟性，以及出于成本节约的目的，出现了对矿产资源不合理大肆掠夺开釆的现象，使得在矿山遗留了大量的未经治理且位置状态不明的地下采空区。

一、概述

本次采空区探测方法选择的论述，是以某铜矿山为例。由于历史原因，此矿山曾出现多矿方同时开采的情形，遗留大量民采空区，这些民采空区空间分布复杂，具有平面分布范围广、竖向上相互重叠、交错的特点。由于相应资料的缺失，目前空区赋存状况不明，为了安全生产，需进行空区探测，以掌握空区的赋存状况。

二、采空区探测主要方法介绍

(一)电磁法

电磁法是根据岩土体的电磁性差异进行探测的方法。具体方法主要有：高密度电阻率法、探地雷达法、瞬变电磁法等。

1.高密度电阻率法

高密度电阻率法(HDRM)是20世纪80年代在常规电法的基础上发展起来的一种物探方法，其基本原理与常规电法完全相同。它是以常规直流电阻率法为基础，在探测剖面上同时布置多个电极，由人工向地下发送电流，使地下形成稳定的电流场，通过自动控制转换装置对所布设的剖面进行自动观测和记录的一种物探方法。可用于探测地下构造、岩溶、洞穴、埋设物、采空区、渗漏带等。

其中地下空洞或采空区与其周围围岩存在明显电性差异。如为充气空洞，则其视电阻率与其周围围岩相比呈高阻异常，如为充水(或充水冒落)空洞，则其视电阻率与其周围围岩相比呈低阻异常，因此电法探测就是通过视电阻率的异常去寻找隐患空区。

该方法相对于常规电法，具有测点密度大、信息量大、成本低、工作效率高等特点，野外的数据采集和收录实现了自动化、智能化，可以方便的测量到大量的数据，避免了人工操作带来的误差。缺点是易受电线、地下水管、铁管、游散电流、电磁等的干扰。

2.探地雷达法

探地雷达法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁探测技术。探地雷达利用发射天线发射高频宽带电磁波，接收天线接收来自地下介质界面或目标体的反射波。其中高频天线具有较好的分辨能力，但穿透深度浅，而低频天线具有较粗的分辨率，但穿入介质较深。

电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料，可推断介质的结构。探地雷达的地质解释是在数据处理后所得的探地雷达图像剖面中，根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，确定反射波组的地质含义。当岩层中有采空区时，岩层与采空区的界面两侧电性差异较大，容易形成强烈的反射波，同时，这一界面也是岩性的特变点，常常产生绕射波，而绕射波在时间剖面上为双曲线反映。因此通过时间剖面上的特征图像就能确定采空区的位置及深度。

(二)地震波法

地震勘探是根据人工激发的地震波对地壳浅层介质的物性特征进行探测的方法。具体方法有：瑞雷(Rayleigh)波法、地震反射波法、地震层析(CT)法。

(三)微重力法

微重力法是以地下介质间的密度值差异作为理论基础，通过局部密度不均匀引起的重力加速度变化的数值、范围及规律来解决地质问题。地面微重力法可分为地面微重力测量、重力水平梯度测量和重力垂直梯度测量。

(四)激光3D法

激光3D(3D laser)法是利用激光的高度精确性对地下采空区的大小、位置进行三维探测的新型方法。

三、探测环境分析

各种采空区探测方法主要是利用矿岩的电性、磁性以及声学特性差异，对所测数据进行分析，获得不同的物性参数分布，然后进行推断解释。因探测原理不同，适应的探测条件也不相同。不同的矿山，其赋存条件不同，采空区所处的环境也不同，因此进行采空区探测前，必须对矿岩的电性、磁性以及声学特性进行了解，以便选择最合适的探测方法。有时还需要几种方法结合起来进行综合探测，才能取得较好的效果。

为确定最佳探测方案，对此铜矿山进行实地调研，发现本次探测有以下两个难点：

(1)深部开采区域上方原由其他矿方开采部分的采空区资料不全，原有巷道封闭，人员无法进入，井间探测无法实施；

(2)探测主体区域是高为100m左右的山坡，山上植被丰富，多为低矮的灌木，人员及设备进出较为困难，因此探测时要求探测设备轻便易携带，现场操作安全便捷。

考虑到此次探测区域的探测条件不佳，如何正确利用物探方法进行探测，选用哪种方法就显得尤为重要。重力勘探法影响因素复杂，干扰内容多；地震勘探受地形影响较大，若测试地区有大型设备作业，产生明显的震动，会直接影响测试的效果；激光3D法主要是用于对已知采空区进行精确探测，需要配合钻孔；瞬变电磁法易受电线、地下水管、铁管、游散电流、电磁的干扰，在植被丰富区域不便于布线；无线电透视法和地震层析法多适用于井间探测等；探地雷达法测深较小但精度高；高密度电法测深大，但精度低于探地雷达法。

四、结论

综合分析上述方法，相对而言，探地雷达和高密度电法发展时间较长、技术成熟、设备轻便易携带、操作简单、准确度高、效率高，适用于该矿山的探测。为此拟采用高密度电法、探地雷达法相结合的综合探测方法对该铜矿山采空区进行探测。

[1]宫凤强,李夕兵,董陇军.基于未确知测度理论的采空区危险性评价研究[J].岩石力学与工程学报.2008,27(2):232-327.

[2]马海涛,贺红生,付士根.釆空区塌陷影响因素及稳定性分级方法研究[J].中国安全生产科学技术.2008,4(5):37-41.

[3]罗周全,张旭芳,刘晓明,等.基于模糊模式识别的金属矿釆空区危险性综合评价[J].安全与环境学报,2009,26(2):208-211.

[4]王新民,柯愈贤,鄢德波,等.基于熵权法和物元分析的釆空区危险性评价研究[J].中国安全科学学报,2012,22(6):71-77.

[5]刘科伟,露天开釆隐患空区激光三维探测可视化研究及其稳定性分析[D].长沙,中南大学2012.

黄湛煐(1993-)，女，侗族，贵州铜仁人，在读硕士，中国地质大学(武汉)，研究方向：安全工程。