采空區(qū)的特征與探測技術研究

魯 輝 薛云峰 胡偉華

采空區(qū)的特征與探測技術研究

魯 輝 薛云峰 胡偉華

（黃河勘測規(guī)劃設計有限公司工程物探研究院 河南鄭州 450003）

本文介紹了采空區(qū)探測的現狀，分析了采空區(qū)的地質和地球物理特征，列舉了常用的地球物理探測方法和一些實例，最后提出了采空區(qū)探測目前存在的問題和研究方向。

采空區(qū) 探測 特征 建模

1 采空區(qū)探測的意義和國內外現狀

1.1探測的意義

礦產作為一種重要的資源，其開采形成的采空由于歷史的原因，大多未進行有效地治理，而處于廢棄狀態(tài)，有的采空區(qū)出現了大面積的地面沉陷，有的出現了地面裂隙，有的尚未造成明顯的地面破壞。采空作為人類活動產生的潛在地質災害之一，給礦山的安全生產、工程建設和人民的生命財產造成了嚴重的威脅。特別是在水利工程建設中，如果庫壩區(qū)有采空區(qū)存在，很有可能影響邊坡的穩(wěn)定、造成水庫滲漏，并影響臨近礦區(qū)的安全生產。例如已經竣工投入運行的黃河小浪底水利樞紐、四川紫坪鋪水利樞紐、正在建設中的南水北調中線工程、包西鐵路和即將啟動勘測的黃河流域某水利樞紐都存在采空區(qū)的評價及治理問題，采空區(qū)空間分布情況不查明，評價及治理就無的放矢。因此，對采空區(qū)進行探測非常必要。

1.2國內外現狀

目前，采空區(qū)的探測主要是以采礦情況調查、工程鉆探、地球物理勘探為主，輔以變形觀測、水文試驗等。其中，美國等西方發(fā)達國家以物探方法為主，而我國目前以鉆探為主，物探為輔。在美國，采空區(qū)等地下空洞探測技術全面，電法、電磁法、微重力法、地震勘探等都有很高的水平。其中，高密度電法、高分辨率地震勘探技術尤為突出，且近年來在地震CT技術方面也發(fā)展迅速。日本的工程物探技術在國外同行業(yè)中處于領先地位，應用最廣泛的是地震波法。此外，電法、電磁法及地球物理測井等方法也應用得比較多，特別是日本80年代開發(fā)研制的“GR-810”型佐藤式全自動地下勘察機，在采空區(qū)、巖溶等空洞探測中效果良好，且后續(xù)推出的一系列產品都處于國際領先水平。歐洲等國家采空區(qū)探測技術也比較全面，俄羅斯多采用電法、瞬變電磁法、淺層地震反射法、井間電磁波透射、放射性測量等，英、法等國家以探地雷達方法應用較好，微重力法、淺層地震反射法也有使用。

近年來，采空區(qū)探測成了行業(yè)內的熱點和難點問題，引起了國內地球物理工作者的濃厚興趣，紛紛結合自身優(yōu)勢投入了各種各樣的方法技術，進行了很多有益的嘗試。在各種地球物理方法中，根據其所研究地球物理場的不同，通常可分為以下幾大類:

（1）以地下介質密度差異為基礎，研究重力場變化的方法稱為微重力法；

（2）以介質磁性差異為基礎，研究地磁場變化規(guī)律的方法稱為磁法勘探；

（3）以介質電性差異為基礎，研究天然或人工電場（或電磁場）的變化規(guī)律之方法稱為電法勘探(或電磁法勘探)；

（4）以介質彈性差異為基礎，研究波場變化規(guī)律的稱為地震勘探；

（5）以介質放射性差異為基礎，研究輻射場變化特征的稱為放射性測量。

主要探測方法分類見圖1：

圖1 地球物理探測方法的分類

2 采空區(qū)的特征

2.1礦層的特征

由于采空是由采礦中形成的，所以要想科學而準確地識別采空區(qū)，首先應能準確地識別礦層，這就需要對常見礦產的成礦規(guī)律及其物性特征有所了解。按礦產類型劃分，常見采空區(qū)分為煤礦采空區(qū)、金屬礦采空區(qū)和非金屬礦采空區(qū)三類。成礦規(guī)律方面，煤層一般較厚，層位穩(wěn)定，因此煤礦采空區(qū)一般規(guī)模較大。而金屬礦則不一定，如豫西鋁土礦礦層形態(tài)受下覆奧陶系地層控制，有些區(qū)域呈現出不連續(xù)的窩狀；物性特征方面，同一種礦產成分比重不同其物性也會有很大差異。比如無煙煤是良導體，表現為相對低阻，而煙煤是不良導體，表現為相對高阻。掌握了這些和采空區(qū)探測密切相關的輔助知識，必然會對地球物理方法的選擇提供很大幫助。

2.2采空區(qū)的地質與地球物理特征

2.2.1 采空區(qū)上下巖層的地質特征

礦產被采出后，礦層中形成空洞，原本平衡的地下應力系統(tǒng)遭到破壞，局部應力集中。上覆地層在應力作用下經過變形、斷裂、位移和冒落，重新達到應力平衡。在這一過程中，共出現了以下特征：

（1）地表。當采空區(qū)塌陷時，其地表周圍出現裂縫等現象。

（2）采空區(qū)上覆巖層形成了“3帶”，即冒落帶、裂隙帶及彎曲帶。

①冒落帶。在礦層開采過程中，頂板巖層在自重應力的作用下，發(fā)生法向彎曲，當巖層內部的拉應力大于巖石的抗拉強度時，頂板巖層開始產生斷裂、破碎，繼而垮落，這部分垮落的巖層稱為采空區(qū)的冒落帶。冒落巖體具有一定的碎脹性與壓縮性，其巖塊間空隙較大，連通性好，冒落巖體的體積大于冒落前的原巖體積。隨著冒落巖體穩(wěn)定時間的加長，其壓實性越好，但不可能恢復至原巖體的體積。碎脹性是冒落自行停止的根本原因。

冒落帶發(fā)育高度與上覆巖性及采厚有很大的關系，對于中硬性上覆巖層(陜北地區(qū))其計算公式為：

式中：H為冒落帶高度：m為礦層采厚。

當累計采厚達4m時，其冒落范圍為8.3～13m?？梢?，目標體雖然僅有4m，但其冒落帶可達近13m。冒落帶改變了上覆圍巖的物性，相對增大了采深比，擴大了異常范圍，有利于采空區(qū)的探測。

②裂隙帶。采空區(qū)上覆地層中產生了裂縫、離層及斷裂現象，但仍保持層狀結構的那部分巖層稱為裂隙帶，位于冒落帶之上，兩者之間沒有明顯的分界線，均屬破壞性影響區(qū)，破壞程度隨離采空區(qū)距離的加大而逐漸減小。裂隙帶內的巖層不僅發(fā)生垂直于層面的裂縫和斷裂，而且常常產生順層面的離層裂縫。一般下部巖層大多斷開，但仍保持其原有層次；上部巖層裂縫不斷開，連通性較差。

裂隙帶發(fā)育的范圍與采空區(qū)面積有關，且有正相關關系（見圖2a），與初次開采厚度成正比關系（見圖2b），與累計開采厚度成正相關（見圖2c），與開采后時間的變化也有關系（見圖2d）?？梢?，裂隙帶的發(fā)育情況較為復雜，采空區(qū)上覆地層的物性因受多種因素的影響，也變得復雜了。

對于中硬性覆巖(陜北地區(qū))其發(fā)育高度可用下列公式計算：

如，總采厚4 m，裂隙帶高度可達90m，其影響范圍達100多米。

③彎曲帶。彎曲帶位于裂縫帶之上，直至地表。彎曲帶內巖層在自重應力作用下產生層面法向彎曲，水平方向處于雙向受壓狀態(tài)。巖層主要發(fā)生移動現象，移動過程具有連續(xù)性，并保持其整體性和層狀結構，不存在或極少存在離層裂縫。在地表往往可見到垂直層面、上大下小的楔形地裂縫，向下延伸較短，到一定深度自行閉合。

圖2 裂隙發(fā)育高度與影響因素關系圖

采空如埋藏較深，礦層較薄，且上覆巖層堅硬，“3帶”可能不甚發(fā)育，但如果地表建造高層建筑將誘發(fā)“3帶”的發(fā)展。

（3）采空區(qū)下覆巖層。在礦層開采過程中，由于受到人為擾動較小，其下覆巖層基本穩(wěn)定，與原始地層相比變化不大。

2.2.2 采空區(qū)的物性特征

隨著采空的形成和時間的推移，采空部位及其圍巖將會表現出一些明顯的物性變化，這就給地球物理方法探測采空區(qū)提供了前提條件。

礦產被采出后質量虧損已經形成，給微重力法提供了前提條件。在不同的水文地質條件下，采空區(qū)會表現出不同的電性特征，采空區(qū)內泥水充填時表現為相對低阻特征，空氣充填時表現為相對高阻特征。而且采空區(qū)與圍巖交界處常常會形成較強的介電常數和波阻抗界面。這就給電法（電磁法）勘探和地震勘探提供了前提條件。隨著時間的推移，采空區(qū)上覆地層“3帶”逐漸發(fā)育，“3帶”和影響范圍外原狀地層相比層狀結構遭到破壞，巖體變得疏松，導致其波速降低，電阻率升高，采空區(qū)內富集的放射性射氣也會透過“3帶”向地表游離?！?帶”的存在不但放大了采空的影響范圍，也為放射性測量提供了前提條件。

2.2.3 采空區(qū)的識別

根據采空區(qū)及其圍巖的物性變化特征，下面介紹幾種常用地球物理方法物性剖面圖上采空區(qū)的表現特征。

（1）電法（電磁法）。正常沉積地層結構在電阻率等值剖面圖中呈大致平行的層狀分布，當礦產被采出后，礦層出現缺失或中斷，采空部位的電阻率等值線發(fā)生畸變扭曲。如果采空體積較大，隨著時間的推移采空上覆地層形成“3帶”，上覆地層層狀巖體結構被破壞，“3帶”的電阻率等值線會變得比較雜亂，離采空越近分層效果越差。而采空區(qū)底板巖體一般受到擾動較小，電阻率等值線形狀相對平緩，層狀特征仍然很明顯。

（2）地震勘探法。礦產被采出及其頂板遭受破壞后，在地震時間剖面上采空部位出現同相軸中斷或消失，同時由于采空區(qū)上覆地層“3帶”的形成，地層層狀結構被破壞，巖體變得疏松，對地震波產生較強的吸收頻散衰減作用，使反射波頻率降低，同相軸變得不規(guī)則、紊亂甚至產生畸變。采空區(qū)底板巖體則由于擾動小而變化不明顯，同相軸清晰可辨，成為在地震時間剖面上識別采空區(qū)的一個重要標志。

3 探測方法及實例

3.1電法

3.1.1 高密度電法

高密度電法是在常規(guī)電法的基礎上發(fā)展而來的，它是先將全部電極一次性布設好，測量時通過控制程控式多路電極轉換器實現電極排列方式、極距和測點的快速轉換，短時間內可采集到大量的數據。再利用配套的處理軟件,對采集的數據進行各種處理，成果直觀可靠。該方法具有工作效率高、精度高等優(yōu)勢，但對接地條件有要求，很難穿透高阻層，探測深度亦有限。

3.1.2 實例

（1）工程和地質概況。豫西某鋁土礦即將正式開采，但由于前期民間的無序開采使得礦區(qū)內存在為數眾多且分布不明的采空區(qū)，這些采空區(qū)有的只有巷道大小。工區(qū)地質條件復雜，薄層較多，地層尖滅現象也很普遍。主要地層有，第四系（Q），河床堆積礫石層、亞沙土和黃土；第三系（N），石英砂巖、長石石英砂巖；二疊系下統(tǒng)山西組（P1s），砂巖、黏土頁巖、煤層及炭質頁巖；二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x），石英砂巖、灰色粉砂巖、泥質頁巖、黏土巖夾薄層煤。據調查，測區(qū)水文地質條件復雜，采空區(qū)內有的泥水充填，有的空氣充填。

（2）高密度電法建模分析。模型根據測區(qū)實際地質情況而建立。模型的設計參數如表1所示，其中在模型的第3層中設計了厚度為7.5m、寬度為40m的地質異常體，通過改變異常體的電阻率來模擬采空區(qū)的充填情況。正演均是采用電極距為5m的溫納裝置進行的。正演結果顯示，采空區(qū)是高阻時其造成的異常與下覆基巖分界不清，只能根據電阻率的起伏狀況來進行確定。而當采空區(qū)是低阻時，即使與圍巖相比電阻率差異不大，采空區(qū)異常也非常明顯。這就說明用高密度電法探測空氣充填的采空區(qū)沒有泥水充填的采空區(qū)效果好。

表1 高密度電法正演模型的基本參數

（3）典型成果。圖3為199#礦井附近d1測線高密度電法視電阻率擬斷面圖。由圖3可以看出，在水平距離95.0m、高程475.0m處有一高阻團，結合地質和調查資料推測該處為采空區(qū)，且空氣充填。采空部位上方電阻率曲線發(fā)生變形，說明上覆地層有一定坍塌。2009年業(yè)主對物探成果進行了打鉆驗證，在該測線距離95.0m、高程483.0m處發(fā)生掉鉆現象，說明該采空區(qū)確實有一定坍塌。

圖3 d1測線高密度電法視電阻率擬斷面圖

3.2電磁法

3.2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法是向地下發(fā)送一次脈沖磁場的間歇期間，觀測由地下地質體受激引起的渦流產生的隨時間變化的感應二次場，二次場的大小與地下地質體的電性有關。低阻地質體感應二次場衰減速度較慢,二次場電壓較大；高阻地質體感應二次場衰減速度較快，二次場電壓較小。根據二次場衰減曲線的特征，就可以判斷地下地質體的電性、性質、規(guī)模和產狀等。由于瞬變電磁儀接收的信號是二次渦流場的電動勢，對二次電位進行歸一化處理后，根據歸一化二次電位值的變化，間接解決如陷落柱、采空區(qū)、斷層等地質問題。該方法具有分辨能力強、抗干擾能力強、不受接地條件限制、受地形影響小、能穿透高阻覆蓋層等優(yōu)勢，但測區(qū)植被茂盛時施工較困難。

3.2.2 實例1

（1）工程和地質概況。四川某水利樞紐工程，壩址區(qū)施工過程中發(fā)現多處以往煤礦生產形成的采空區(qū)，需要查明處理。工程區(qū)屬于高傾角地層，地質條件復雜，基巖主要為三迭系的一套湖沼相含煤砂頁巖地層，表層為第四系松散堆積層。測區(qū)內地形起伏變化較大，據調查采空區(qū)內一般空氣充填。

（2）試驗效果和典型成果。根據已知FMD8煤洞上方的試驗測線的實測瞬變電磁法視電阻率擬斷面，煤洞實際位置位于9號測點下方，且空氣充填。在9號測點半衰時4.0ms深度有一個明顯的高阻異常，應為采空區(qū)的反應，說明瞬變電磁法探測本測區(qū)采空區(qū)有效可靠。

3.2.3 實例2

圖4為G3測線瞬變電磁法采空區(qū)探測成果圖，從圖4可以看出在測線樁號50～60m、時間深度8.5～10.5ms處有一明顯橢圓狀高阻體（橢圓圈圈出部位），綜合地質和調查資料推斷此處為采空區(qū)，其上覆地層分層尚可，說明采空區(qū)沒有發(fā)生明顯塌陷。

3.3可控源法

3.3.1 CSAMT法

CSAMT法（可控源音頻大地電磁法）是采用大功率人工場源，沿一定方向布置接地導線AB，長度一般為1～3km，向地下供入頻率為f的交變電流，形成交變電場。一般在接地導線的一側或兩側600張角的扇形區(qū)域內，平行接地導線布置測線進行測量（見圖5）。在每一個測點進行觀測時，逐次改變供電頻率，觀測沿測線方向相應頻率的電場分量Ex和與之正交的磁場分量Hy，便可以計算出隨頻率變化的視電阻率和阻抗相位，以達到頻率測深的目的。該方法具有信噪比高、探測深度大、工作效率高等優(yōu)勢，但對接地條件有要求，有時人工場源的場地條件不易滿足，設備也比較笨重。

圖4 G3測線瞬變電磁法采空區(qū)探測成果圖

圖5 CSAMT法野外工作布置示意圖

3.3.2 實例

（1）工程和地質概況。南水北調中線一期工程是國家重點工程，工程總干渠某段經過一個煤田，該礦區(qū)地下存在大量分布不明的采空區(qū)，對總干渠線路的選址造成很大的困擾。工區(qū)覆蓋層主要為中更新統(tǒng)（Q2）和上更新統(tǒng)（Q3）粉質壤土，其次是上第三系的黏土巖，第三系的黏土巖的下部是（粉）砂巖、泥巖夾薄層砂質、泥質頁巖或頁巖等巖層，煤層夾雜在薄層之間，最下面為奧陶、寒武、震旦紀地層。

（2）典型成果。圖6為南水北調中線一期工程某段Ⅲ測線CSAMT法視電阻率擬斷面圖。由圖6可以看出，在測線距離80～500m、埋深100～450m范圍有一明顯低阻區(qū)域，該區(qū)域電性分層不清晰，雜亂無章，說明該區(qū)域巖體層狀結構已經發(fā)生了改變，泥水充填，判為采空區(qū)。結合地質資料和異常厚度推斷該采空區(qū)已大面積塌陷。在埋深480m以下，電性分層清晰，電阻率較高，推斷深度480m左右為采空區(qū)底板。2011年該段開工，對采空區(qū)進行鉆探注漿處理，本測線探測成果得到了驗證。

3.3.3 EH-4大地電磁法

EH-4大地電磁法屬于可控源與天然源相結合的一種大地電磁測深系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過天然背景場源獲得深部構造的信息，通過一個便攜式低功率發(fā)射器發(fā)射1～100kHz人工電磁訊號來獲得淺部構造的信息，以此來補償天然訊號的不足?？稍诘孛嬗^測相互正交的電磁場分量Ex、Hy和Ey、Hx，通過計算確定介質的電阻率值。連續(xù)的測深點陣可以組成地下二維電阻率剖面，從而獲得高分辨率的電阻率色譜圖。該方法設備輕便簡單，受地形影響小，可穿透高阻層，但易受電磁干擾，且工作效率不高。

圖6 Ⅲ測線CSAMT法視電阻率擬斷面圖

3.3.4 實例

（1）工程和地質概況參見3.1.2實例，為同一測區(qū)。

（2）大地電磁法建模分析。本模型由測區(qū)實際地質情況簡化而來。在背景電阻率值為1000 Ω.m的均勻半空間內，有一埋深為200m的200m ×160m的低阻體,其電阻率值為100Ω.m。我們采用50m×40m的網格對該模型進行網格劃分,取頻率范圍為10～100kHz,對該模型進行正演模擬。在對該模型的正演結果進行二維RRI反演時,選擇初始模型電阻率值為1000Ω.m,設置其橫向網格大小與正演模型相同,縱向網格前三層為10m,隨后以1.1倍增加。對該模型分別進行TM模式反演、TE模式反演和TE模式與TM模式聯(lián)合反演,就會得到如圖7（b）～（d）所示的反演結果。

對于圖7（b）所示的TM模式的反演結果,很明顯,由于淺部低阻異常的影響,導致TM數據在縱向上有一個低阻條帶畸變,這明顯是由靜態(tài)效應引起的。對于圖7（c）所示的TE模式的反演結果，很好地圈定了低阻異常體的位置和大小。對比TM模式反演結果和TE模式反演結果可知，對于同一剖面，TM模式的數據受靜態(tài)效應的影響程度一般要大于TE模式的數據。對于圖7（d）)所示的TE模式與TM模式聯(lián)合反演的結果，也很好地圈定了低阻異常的位置和大小，并且其背景值更接近真實情況。

圖7 不同模式的反演結果

（3）典型成果。圖8為326#礦井附近b1測線EH-4大地電磁法視電阻率擬斷面圖。由圖8可以看出，在埋深40.0～70.0m范圍內有一透鏡狀地層，結合地質和調查資料判斷其為鋁土礦層。在鋁土礦層中，距離0～15.0m段，埋深45.0～60.0m范圍內有一明顯相對低阻團，推斷為采空區(qū)，且為泥水充填，采空區(qū)上覆地層分層較好，說明采空區(qū)沒有明顯坍塌。2009年業(yè)主對物探成果進行了打鉆驗證，該測線樁號8.0m、埋深45.0m處打到了采空區(qū)。

圖8 b1測線EH-4大地電磁法視電阻率擬斷面圖

3.4淺層地震反射波法

地震反射波法是利用地震波在彈性介質傳播的理論，通過人工激發(fā)的地震波向地下深部傳播，遇到波阻抗界面產生反射，用檢波器接收反射波信號，并對信號進行時頻特征和振幅特征分析，用以推斷界面深度、構造形態(tài)及其物性參數。該方法具有數據處理技術成熟、地球物理特征明顯等優(yōu)勢，但易受震動干擾，探測深度大時震源問題不易解決。

3.4.1 實例

（1）工程和地質概況。太原至中衛(wèi)（銀川）鐵路工程是國家重點投資的新建鐵路工程，線路經過的某段，小煤窯較多，采空區(qū)分布復雜，有待查明。測區(qū)地層有新生界第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)，第三系上新統(tǒng)，古生界三疊系、二疊系上統(tǒng)、下統(tǒng)，石炭系中統(tǒng)、上統(tǒng)，奧陶系中統(tǒng)、下統(tǒng)，寒武系中統(tǒng)、上統(tǒng)，元古界長城系，以及太古界地層。

（2）淺層地震反射法建模分析。地震地質模型是根據測區(qū)實際地質情況建立的。采空區(qū)設計在中心埋深50m處，采空區(qū)的規(guī)模為20m× 20m，具體的參數設置詳見表2、表3。根據地質模型和正反演結果，從模型（a）的正演結果來看，在采空區(qū)的位置出現了反射同相軸的中斷，并有繞射伴生，模型（b）也是在采空區(qū)的位置出現了反射同相軸的中斷，在下方以后延續(xù)的反射波出現。這個特征可能對判斷采空區(qū)的充填情況有幫助。

（3）典型成果。圖9為太中銀線柳林段VV-VV’測線淺層地震反射法地震時間剖面圖。如圖9所示，圖中近似水平的同相軸（黑粗線條）表示波速差異較大的巖性分界面，如果同相軸連續(xù)說明巖體完整，如果發(fā)生中斷則可能是斷層或采空區(qū)。從圖中可以看出在時間深度0.20s，樁號204～231m范圍內（方框圈出的部位）上下幾個同相軸出現中斷、不連續(xù)、層位雜亂，綜合地質和調查資料推斷此處為采空區(qū)，且有坍塌。據業(yè)主反饋，該測線探測成果和他們掌握的情況基本一致。

表2 地震地質模型（a）設置參數表

表3 地震地質模型（b）設置參數表

圖9 VV-VV’測線淺層地震反射法地震時間剖面圖

4 存在問題及研究方向

4.1存在問題

首先，人們對采空區(qū)的定量解釋精度提出越來越高的期望，如豫西某采空區(qū)探測項目業(yè)主要求明確采空區(qū)的頂底板以及充填物，以便指導生產。又如南水北調中線一期工程某段采空區(qū)探測項目業(yè)主要求繪制出采空區(qū)形態(tài)圖，以便估算灌漿量等。其次，大埋深、小規(guī)模的未充水采空區(qū)的探測效果仍不理想。再則，目前采空區(qū)探測缺乏一套實用的系統(tǒng)理論。

4.2研究方向

（1）細化建模分析技術，再結合采空區(qū)激光掃描系統(tǒng)，提高定量解釋精度；

（2）研究提高淺層地震反射分辨率的途徑，對大埋深、小規(guī)模的未充水采空區(qū)進行有益的嘗試；

（3）建立一套包含常見礦產成礦規(guī)律及其物理性質、采空區(qū)的破壞規(guī)律、復雜地質條件下無序分布采空區(qū)的綜合物探解決方案、采空區(qū)穩(wěn)定性評價和變形監(jiān)測技術的系統(tǒng)理論。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.009

TV221.2

B

1672-2469（2014）02-0027-07

魯輝（1980年- ），男，工程師。