一、概述
目前，釆空區(qū)已成為影響多空區(qū)露天礦山安全生產(chǎn)的最主要危險源之一。因此，對露天開采境界內(nèi)的地下釆空區(qū)進(jìn)行精確探測，進(jìn)而在探明采空區(qū)的基礎(chǔ)上合理規(guī)劃礦山開釆并對采空區(qū)危險性進(jìn)行評估顯得尤為重要。
國內(nèi)外諸多學(xué)者已在采空區(qū)探測領(lǐng)域進(jìn)行了大量的科學(xué)研究并取得了一系列富有成效的研究成果。美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家主要采用物探方法進(jìn)行采空區(qū)探測，如美國的地震法、微重力法以及電法和電磁法探測技術(shù)具有較高的水平，其中以高密度電阻率法和高分辨率地震勘探法最為突出；俄羅斯釆用的物探技術(shù)有地震發(fā)射波法、電法、射氣測量法、瞬變電磁法等；英國、法國等國家普遍釆用探地雷達(dá)技術(shù)等；日本在釆空區(qū)探測方面廣泛應(yīng)用地震波法，其物探技術(shù)在國際上處于領(lǐng)先地位；目前我國主要采用物探作為采空區(qū)探測的主要手段，同時釆用鉆探法對物探所得數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。其中，主要的地球物理方法有重力法、高密度電法、高密度電阻率法、瞬變電磁法、地震映像法、探地雷達(dá)法、瑞利波法、氡氣測量法以及綜合物探方法等。
二、采空區(qū)探測的方法
1.鉆探法
鉆探法是最傳統(tǒng)的釆空區(qū)探測方法，在探測過程中，地質(zhì)鉆機(jī)或牙輪鉆機(jī)通過在工作平盤按一定間距布網(wǎng)，鉆機(jī)在布點(diǎn)處鉆探，當(dāng)釆空區(qū)存在時，可鉆透采空區(qū)頂板，進(jìn)而利用測繩來量取該點(diǎn)處采空區(qū)的高度。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠確定布點(diǎn)處采空區(qū)的頂板厚度和高度，在布網(wǎng)范圍內(nèi)可確定釆空區(qū)的水平范圍，還可用于對已有資料及其他物探方法獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證等；鉆探法的缺點(diǎn)是顯而易見的，由于鉆探時間長，工程量大，成本也隨之增加。該方法在多空區(qū)礦山中應(yīng)用廣泛，但大多僅用于定性探測以確定采空區(qū)存在與否。
2.高密度電阻率法
高密度電阻率法又稱為電阻率層析成像法，該方法屬于常規(guī)的直流電法，是電剖面法和電測深法的綜合體，與傳統(tǒng)電阻率法相比，該方法成本低、效率高、信息豐富、解釋方便、采集的數(shù)據(jù)量較大，探測能力顯著提高，它的基本原理與常規(guī)的電阻率法相同，都是以采空區(qū)及其圍巖的導(dǎo)電性(電阻率)差異為基礎(chǔ)的電勘探方法。探測過程中，利用接地電極對地質(zhì)體施加人工電場，通過儀器可觀測地質(zhì)體因?qū)щ娦圆町惗鸬碾妶鲎兓瑢⒉杉降囊曤娮杪手道L制成等值線圖，進(jìn)而通過物探工作者的專業(yè)解釋來分析采空區(qū)的空間信息。高密度電阻率法采用密集釆樣的方式以提高采樣率，其特點(diǎn)是可在地表一次性布設(shè)十個至上千個電極，快速地采集大量的地場信息數(shù)據(jù)。由于該方法在測量過程中采用不同的供電和測量電極反復(fù)對同一斷面進(jìn)行多次測量，因而提高了探測的準(zhǔn)確度，也是電阻率層析成像名稱的由來。高密度電阻率法在金屬礦、煤礦及非金屬礦采空區(qū)、高速公路下伏采空區(qū)、溶洞等地下空間的探測中應(yīng)用廣泛，由于受到露天煤礦境界范圍內(nèi)地形的限制以及大型采礦設(shè)備的干擾，其探測準(zhǔn)確率較難保證，實(shí)際應(yīng)用中，不能僅僅依靠單一的高密度電阻率法，而應(yīng)結(jié)合其他物探方法，各取所長，以達(dá)到各取所長、相互補(bǔ)充的效果。
圖1 高密度電法探測原理
圖2 WGMD-9型分布式超級高密度測量系統(tǒng)
3.瞬變電磁法
瞬變電磁法又稱為時間域電磁法，屬于電磁感應(yīng)類探測方法，遵循電磁感應(yīng)規(guī)律，其物性基礎(chǔ)是地質(zhì)體的電阻率差異。該探測方法的工作原理是將不接地回線或接地導(dǎo)線作為場源，向地質(zhì)體內(nèi)發(fā)射一次脈沖磁場，其后利用回線或點(diǎn)偶極接收一次間歇期間內(nèi)地下半空間內(nèi)所形成的二次渦流場，通過觀察二次渦流場的變化來確定采空區(qū)賦存的空間位置和形態(tài)。該方法與高密度電阻率法類似，同樣是通過釆空區(qū)與圍巖之間的電性差異來獲取地下采空區(qū)空間信息的，當(dāng)?shù)刭|(zhì)體表現(xiàn)為低阻時，二次渦流場的電壓較大、衰減速度較慢；而當(dāng)?shù)刭|(zhì)體表現(xiàn)為高阻時，二次渦流場的電壓較小，衰減速度較快。一般來說，探測目標(biāo)的幾何規(guī)模越大、埋藏越淺、導(dǎo)電性越好則二次場的信號越強(qiáng)、持續(xù)時間越長，反之，探測目標(biāo)的幾何規(guī)模越小、埋藏越深、導(dǎo)電性越差則二次場的信號越弱持續(xù)時間越短。通過觀測和研究“二次場”的空間分布特性和時間特性，可以推測解譯地層或地質(zhì)目標(biāo)體的幾何和物性特征。瞬變電磁原理示意見圖3。
相對于其它電性方法而言，瞬變電磁法是在高阻地質(zhì)體中尋找低阻目標(biāo)最靈敏的探測方法，其主要優(yōu)點(diǎn)為探測盲區(qū)小、信噪比髙、不受地形影響、異常反應(yīng)明顯、探測深度大及探測效率較高。近年來，瞬變電磁法以其自身的優(yōu)勢引起了廣泛的關(guān)注，該方法在我國發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于地?zé)?、油氣田以及地下水勘查等領(lǐng)域，在釆空區(qū)探測方面同樣取得了較多顯著的研究成果。但瞬變電磁法在露天煤礦境界內(nèi)地下采空區(qū)探測中同樣存在較大的局限性：第一，受采剝作業(yè)影響，露天礦采場干道密集，地形高低不平，導(dǎo)致線圈無法正常布設(shè)，工作無法正常開展；第二，與高密度電法類似，受高壓供電線路以及電鏟、鉆機(jī)等大型設(shè)備電磁干擾影響，探測的準(zhǔn)確率難以提高。
圖3瞬變電磁法工作原理示意圖
圖4 瞬變電磁法在某露天煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用（左為發(fā)射機(jī)、右為接收機(jī)）
4.地震映像法
地震映像法也稱為地震共偏移距法。該方法通過在地表由人工激發(fā)地震波，當(dāng)?shù)刭|(zhì)體中傳播的地震波遇到物性分界面或波阻抗不同的界面時，會發(fā)生發(fā)射、折射和透射現(xiàn)象，采用高精度的地震儀可對地震波信號進(jìn)行接收；接收完成后，按等偏移距同步移動激發(fā)和接收信號點(diǎn)，重復(fù)上述發(fā)射和接收過程并對地震波信號進(jìn)行濾波、頻譜分析、振幅恢復(fù)等處理后，最終獲得地震映像時間剖面圖，利用獲得的圖像可以觀察釆空區(qū)的分布情況。采用地震映像法探測采空區(qū)的主要特點(diǎn)是可以利用不同的彈性波進(jìn)行探測，綜合運(yùn)用時可以項(xiàng)目驗(yàn)證和補(bǔ)充，采用該方法采集數(shù)據(jù)的速度較快，可以彌補(bǔ)高密度電法和瞬變電磁等探測方法的不足，成本相對較高，一般與其它方法結(jié)合使用，是露天煤礦采空區(qū)探測中比較有效的方法。
圖5 小煤窯采空破壞地段的典型時間剖面
5.探地雷達(dá)法
探地雷達(dá)法又稱為地質(zhì)雷達(dá)法，是通過采用頻率段為106~109Hz的脈沖電磁波來確定地下介質(zhì)分布情況的一種探測方法。探地雷達(dá)法首先利用脈沖發(fā)射天線向地質(zhì)體內(nèi)發(fā)射納秒級高頻電磁波，電磁波在遇到地下采空區(qū)后在釆空區(qū)邊界處形成反射，反射回地表的電磁波經(jīng)由接收天線接收，通過對接收到的電磁波波形、震動幅度、頻率、傳播時間以及能量變化等特征進(jìn)行數(shù)據(jù)分析進(jìn)而推斷出地下采空區(qū)的空間位置、形狀和埋藏深度等。探地雷達(dá)法具有無損、高效、快捷、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。探地雷達(dá)系統(tǒng)用于地下洞室探測具有快捷、精確的特征，尤其是對地下空區(qū)、地下人防工程洞室、地下溶洞等的探測更具有優(yōu)越性，可為工程建設(shè)、規(guī)劃提供可靠的地質(zhì)資料。隨著科技的發(fā)展，探地雷達(dá)系統(tǒng)的性能指標(biāo)得以不斷提高。探地雷達(dá)的主流發(fā)展趨勢是研發(fā)抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)釆集速度高、性能穩(wěn)定、探測深度大、分辨率高、處理速度快、便攜式的探地雷達(dá)系統(tǒng)。但是，探地雷達(dá)法在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在著不足之處，如探測深度不高以及電磁信號干擾強(qiáng)導(dǎo)致信噪比低等，故在露天煤礦境界內(nèi)采空區(qū)探測過程中很難發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。
圖6雷達(dá)成圖原理示意圖
圖7 CAS系列雷達(dá)
6.氡氣測量法
露天煤礦采空區(qū)探測還會用到氡氣測量法。沉積巖在沉積過程中或多或少會含有鈾、釷等天然放射性元素，這些放射性母元素在衰變過程中可生成氡氣體，氡氣是一種無色無味的惰性氣體，它的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，但物理性質(zhì)十分活撥，能夠溶于水和油等液體中，在地質(zhì)體中由于受擴(kuò)散、抽吸、接力傳遞、團(tuán)族遷移和對流等作用而表現(xiàn)出較強(qiáng)的遷移性，該種氣體能夠從地下深部區(qū)域經(jīng)巖石進(jìn)入土壤地表中，在采空區(qū)上方、地質(zhì)構(gòu)造破碎帶上方、鈾鐳富集地段都可形成氡氣富集，而其附近地段氡的含量則會明顯減少。因此，根據(jù)氡氣含量的異常，可以直接找出采空區(qū)、構(gòu)造破碎帶、鈾礦體、陷落柱以及地下水資源等。該種探測方法常用于煤礦采空區(qū)的勘測。
圖8 KZ-D02α杯測氡儀
7.綜合探測方法
隨著勘探技術(shù)的發(fā)展以及實(shí)際工程對勘探精度的不斷提高，待解決的工程問題難度加大，僅憑一種物探方法已經(jīng)無法滿足各種限制條件下的工程要求，而各種物探方法除具有自身的優(yōu)勢外，也都存在一定的局限性，如在強(qiáng)磁場或探測目標(biāo)為復(fù)雜地質(zhì)體的條件下，一種方法探測結(jié)果往往存在較大誤差。為此，綜合物探方法汲取各種物探方法的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長避短，根據(jù)圍巖與采空區(qū)的電性、密度、彈性等多種物性異常對被測采空區(qū)進(jìn)行探測，將各種物探方法所得數(shù)據(jù)相互印證，使得對異常的判斷更加可靠和準(zhǔn)確。綜合物探方法近年來得到了廣泛的應(yīng)用。
8.三維激光掃描探測法
釆用綜合物探技術(shù)對采空區(qū)進(jìn)行探測，同時結(jié)合適量的鉆探驗(yàn)證可大大提高釆空區(qū)的探測精度，提供更加客觀、全面、準(zhǔn)確的分析成果。然而需要指出的是，即便釆用綜合物探技術(shù)也很難對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下或具有復(fù)雜圍巖邊界的采空區(qū)進(jìn)行精確探測，難以滿足露天煤礦實(shí)際生產(chǎn)的要求，這種情況下基于激光定位與測距原理的空腔內(nèi)壁三維探測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
三、小結(jié)
目前國內(nèi)主要采用物探、鉆探以及三維激光探測相結(jié)合的方法對露天礦境界內(nèi)的地下空區(qū)進(jìn)行探測。即先采用物探法，對境界內(nèi)地下空區(qū)進(jìn)行大面積探測，初步確定空腔的位置和埋藏深度，然后根據(jù)空區(qū)物探成果，采用鉆孔探測，準(zhǔn)確掌握空腔頂板厚度以及空腔高度，在鉆探的基礎(chǔ)上采用三維激光掃描法對空腔逐一進(jìn)行精確掃描探測，準(zhǔn)確掌握采空區(qū)的面積、埋藏深度、腔體高度等特征參數(shù)。
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