采空区勘察物探技术应用研究

董全文

（北京中机勘岩土工程技术有限公司，北京100000）

1 引言

在我国经济不断增长的同时，对多种能源的需求量也在持续上升，而采矿施工区的采空区内大部分都缺少施工记录材料。在施工区域和排土场所，只要有装载重物的车辆长时间作业便会有坍塌的隐患存在，安全问题需要及时关注。要利用物探技术的多种性能，确认采空区域具体大小，以保障施工人员的安全。物探选择遵循的原理应以工程地质学为出发点，在合理探究矿区的采空位置对采矿工作正常运行没有干扰的前提下，应该尽量扩大当地的经济利益。由于采空区域的治理极为困难，施工的成本较高，而且采空区域的地质较为复杂，因此，需要对采空区域的安全性、地理条件、边界范围等多个方面进行勘探，确定采空区域的位置区域和形状。

2 采空区特点

采空区域产生的大部分问题具有普遍性，并且使人们的生命和财产安全受到了严重的影响，各个国家都开始关注采空区域出现的多种问题。国内外研究者对采空区域的问题研究大多集中在煤矿、冶金、铁路等方面，取得了许多有价值的研究成果。除此之外，采空区域还有复杂性、可隐藏性，以及煤矿采空区域突发性与长久性等主要特征，而现在对采空区域的探究仅仅是一些比较浅层的现象和理论，采空区域的勘探、安全性评估、处理和质量控制等都没有完整的理论体系作支撑。

采空区域的隐藏性指的是采空区的地质情况与应力条件比较复杂多样，采空区的具体状况不能完全探查清楚。采空区的复杂性指的是采空区受到影响的因素多种多样，有自然因素与非自然因素的影响。突发性指的是采空区域失去稳定性与沉降的具体时限都是无法估算的；采空区域的长久性指采空区的活化和失去稳定性是每一阶段的具体演进和变化，它可以维持几年、几十年或是几百年，这是一个长久的、较慢的变化历程。

3 采空区物探方法选用原则

采空区域的勘探需要基于具体项目的具体技术和要求，还要根据外部的地理环境、勘察方式以及技术的适用范围来选取对应的物探技术,可以按照表1 所列出的基本原则进行组合选择[1]。

表1 采空区物探方法选择的基本原则

4 采空区物探技术勘察原理及效果

4.1 地震反射波法

地震反射波法是在人为引发的地动波形在层状岩石传导的时候，由地震波作用于地面的压力和单位时间内垂直通过地层的质点流量而引起的折射信息，以此来判断断面的高度和结构形状以及物理数值，如表2 所示。

采空区域赋存在煤层之上的岩层顶板对地动波形具有非常强的吸附分散和减缓性能，可以减少折射波形在单位时间内完成周期性变化的次数，可以使反射波在层状岩石传输的过程中被阻断和消散。地震反射波法的优点是在地面布置的多条探测线在收集地层反射回地面的地震波信息时有良好的高效性和准确性。地震反射波法的缺点是在严峻地形区域很难获得高精度的数据。

表2 地震反射波法在采空区探测的应用分析

4.2 电法勘探

电法勘探是实用性比较高的勘探方法，具体有电测深法、电剖面法、高密度电测法、充电法、激发极化法等几种，尤其是高密度电阻率法在采空区的空洞探测中的应用较多[2]。在电法勘探中，用来表征岩、矿石导电性好坏的参数为电阻率（ρ）或电导率（σ=1/ρ）。从物理学中已知，当电流垂直流过单位长度、单位截面积的体积时，该体积中物质所呈现的电阻值即为该物质的电阻率。

计算公式如下：

式中，R为该物质的电阻；ΔU为物质两端的电压；I为流过该物质的电流。

电阻率（ρ）单位是Ω·m，用电导率σ 表示时，其单位为s/m，电导率和电阻率互为倒数，成反比性。

近年来，高密度电阻率法是在国内外发展起来的新型电法勘察技术。电法勘察技术的原理和以往的电阻率法完全一样，以根据岩石和土壤电导率的不同为前提，探究的是在外部电场的影响下，导电电流在层状岩石中的分散情况。电法勘探的优势有：（1）可以勘探的深度为150m；（2）和普通电测深法比较，可以探测到的信息数量较多。

4.3 电磁勘探

电磁勘探法是以观测电磁场源在地表、井下或者空气中产生的电磁场分布来处理岩土工程中出现的难题。电磁勘察方法有很多种，如时间域电磁法、地质雷达法运用高频电磁波勘探地下物体、电磁频率测深法、甚低频电磁法、声频大地电磁法等，而采空区域勘探的时候通常用瞬变电磁法与地质雷达法[3]。

电磁勘探法在采空区域的大范围测查中应用广泛，能在很大程度上准确地探测出采空区的大小，还能够测查出深处采空区的特征和面貌，如图1 所示。

图1 瞬变电磁（重叠回线装置）成果

5 结语

在采空区勘探的过程中，每一种地质勘察物探技术都是不同的，所以它们的使用性能和适用场所也都各不相同。针对多种单一物探技术的多解性和偏倚性，综合物探技术在采空区勘探过程中的运用和适度的钻孔探查性能，会在很大程度上提升采空区域的勘探准确度，并且还可以完整、有效、精确地掌握每一种勘察物探技术的使用方式和应用范围。尤其是对勘探地质条件比较复杂的采空区域来说，必须依据所在地的土质构造和地质条件，合理完善并选取有效物探技术，且在作业的整个过程都要优化和完善各项安全管理制度，只有这样，才能确保采空区域的安全性，才能保障采空区域勘察过程的合理性和准确性。