采空区地球物理勘探技术方法

高宏宝

摘 要：随着我国经济水平的不断发展，人们的生活质量也有着较为显著的提高，但由于早期刻意对经濟发展内的追求导致了对自然环境的严重破坏，而在矿物的挖掘过程中形成的采空区更是较为常见的一种安全问题，给人们的生产和生活造成一定的安全隐患。我国近年来对于勘探工程需求量较大，勘探技术的选择要根据实际的地质情况，通过较为有效合理的分析，确定科学的勘探方案。文章通过对采空区地球物理勘探技术进行较为全面的分析，针对性的对目前勘探过程中存在的问题予以说明，并相应给出未来的研究方向，具有一定的参考意义。

关键词：采空区;物理勘探;技术

近年来，人们对工业发展的需求很大。在此背景下，各类煤矿发展迅速。在高强度开采过程中，也涌现出不少民营煤矿，形成了采空区。煤矿采空区形成时间较长，此外，普遍存在有害气体问题，当盲目开挖靠近采空区时，容易造成采空区积水事故、有害气体冲击事故和瓦斯冲击事故， 影响安全。 同时，该矿区有较大的集水区，治理困难，容易对立井井壁结构造成不利影响，如导致井壁开裂和塌陷，对矿井通风和提升带来较大影响，给矿山企业造成重大损失，威胁煤矿职工生命安全。

1相关背景

当下工业的进一步发展，增加了各个行业对于资源的需求，因此不同类型的煤矿企业得到较快的发展，并且各类煤矿在经过长时间的开采之后，形成了较多的采空区，而这一类采空区对人们的生活有着重要的安全性隐患问题，开采面积庞大，采空区较多。

2采空区的地球物理特征

矿区内部结构复杂多变。施工现场的地震波形不同。根据采区时间响应剖面，可以看出地震波具有三个特点：一是煤层反射波较弱，发生在采区边界。反射波事件轴的频率和发生是不连续的和突然的。与周围煤层相比，反射波频率和能量明显降低。叶片中的事件轴地震波响应类似于蠕虫形状;另一个是通过碳拼接事件的反射波变弱，其频率和发生率会发生很大变化。与附近非采空区的煤层相比，存在明显差异。同时，反射波的特性与前向模型C相似，具有一定的时延;三是工作台面上的碳缝完全抽出，只剩下少量的碳柱。由于腔体吸收了大部分地震波，因此本剖面的地震时间剖面显示没有碳缝合反射波。通过提取区域后，反射波的频率下降得更快[1]。

3采空区物探

对山体主要裂缝、塌陷区域进行地球物理勘探，以获得具体采空区分布范围。地下采空区内介质为空气或水，塌陷空区内为松散体，与周边完整岩体介质的物理性质有巨大差异。利用这一差异，采用地球物理勘探可以探测到地下采空区，但其精度较差，故只能作为确定采空区分布靶区的技术方法常用的采空区物探方法有以下几种：常规电阻率法、浅层地震法、微重力法、探地雷达、瞬变电磁法、高密度电法等。在正式开展物探工作前，在分析采场地质情况的基础上，综合比较选取了浅层地震法勘察地下采空区。常采空区常用的地球物理方法有几种：常规电阻率法、浅层地震法、微重力法、探地雷达、瞬态电磁法、高密度电法等。在正式开展地球物理勘探工作之前，在分析采场地质情况的基础上，综合比较选取了浅层地震法勘察地下采空区。浅层地震法采用面波勘探，其中瑞雷波（R 波）能量最强，振幅最大，频率最低。瑞利波勘探本质上是基于瑞利波传播的散射特性。

4勘察方法

在搜集、分析研究施工区内以往地质、水文地质、地震地质以及采矿等资料的基础上，确定采用天然电场选频法[3]和地面瞬变电磁法[4]来进行超前物探，确定异常区，分析出采空区及影响带;在井筒施工至距采空区30m时，进行钻探验证，精确验证异常范围，探明积水、瓦斯和有害气体的影响情况。

（1）瞬变电磁法。瞬态电磁法是一种时域人工源电磁法，其原理是： 先向接地传输线的框架施加直流电，然后突然断开电源，线框架中的电流会发生突变，这个瞬变电流会在空间中产生瞬变磁场，和瞬变土壤下方涡流引起的磁场，涡流会随着时间的推移不断向地面扩散，扩散速度与地下层的电阻率有关，在不同的时间会扩散到不同的深度。了解地下电阻率的目的是检测地下涡流的变化。研究区地层由新到旧为第四纪、碳、奥陶系。各种地层视电阻率的瞬态电磁解释如下：第四纪地层为低电阻反射， 二叠纪地层为中电阻反射，碳地层为中高电阻反射，奥陶系地层为高电阻反射。一旦构造发育或出现其他低阻异常，表观电阻率等值线将发生扭曲或水平和垂直方向的梯度变化。当地层存在地质异常时，视电阻率值也会呈现明显的局部差异。通过分析截面图的异常反射和视阻盘异常低阻电阻的大小，结合原曲线、接地位置、导线干扰等，去除低阻异常区域真假， 最终确定异常区域的开采范围[3]。（2）钻孔成像。在本次采空区勘察钻孔施工过程中，对部分钻孔进行了钻孔成像。成像直观清晰地展示了拟建场地采空区的发育情况。该钻孔在61.5～63.0m深度范围存在明显空洞，尚未完全垮落密实，裂隙较发育，与瞬变电磁物探推断采空区的分布基本吻合。（3）天然电场选频法勘测。自然电场选频法剖面布置的原则是采用重合的瞬态电磁剖面线布置，外框尺寸为500m×500m，点距为20m，连续测量;一共排列了23个profile，总共约650个点。自然电场选频法研究仪采用原郑州小学研制生产的TR-2自然电场选频仪。该仪器操作简单，性能稳定，状态良好，保证了现场数据采集的质量。自然电场选频方法不需要人工场源，成本低，研究深度大，不受高阻层屏蔽影响，对低阻层分辨率更高，并且不受测量范围的限制。该方法具有仪器轻便便携、野外作业强度低、数据直观、同一剖面上多频点实现不同深度剖面测量曲线、效率高等优点。（4）地面瞬变电磁法勘测。瞬态电磁仪用于探测井外30°、南北45°～45°、东西45～45°三个探测范围。在勘探区，瞬态电磁法布置在方格内，测线距为20m，测点距为10m。地面瞬态电磁测量仪采用WTEM-1Q/ GPS瞬态电磁仪，抗干扰能力强，性能稳定，状态良好，保证了现场数据采集的质量。该仪器具有良好的采空区测量效果，不破坏原有地形地貌， 不影响建筑物。根据MTEM视电阻率伪剖面图和广泛的地质和水文地质资料，可以确定水平、水平和垂直深度的电变化。

结束语：由于采空区对于人们的生活以及工作都有着较为严重的影响，因此在则要求相关企业以及相关工作人员工作当中，需要进行采空区的物理勘探，并且需要详尽的设计勘探方式，以及相关工作人员需要细化物理勘探，以此全方位的保障勘探结果的准确性，并做好矿区的开采保护，以此确保开创施工质量以及采空区不产生任何负面影响，以此确保不会对人们的生活质量以及正常工作产生干扰，保障煤矿开采行业的顺利进行以及发展，促进行业的发展。

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