采空區(qū)勘測方法選擇論述

黃湛煐 葉 峰 孟 恒 張 倓 楊興梅

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 湖北 武漢 430074)

采空區(qū)勘測方法選擇論述

黃湛煐 葉 峰 孟 恒 張 倓 楊興梅

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 湖北 武漢 430074)

金屬礦廢棄的采空區(qū)及民采空區(qū)一般隱蔽在地下且行人難以進入，在缺少資料的情況下，要想安全、高效、合理開采礦山深部資源，就需要對采空區(qū)的位置、大小、數(shù)量等進行精確探測。目前采空區(qū)探測方法主要有：電磁法、地震波法、微重力勘探法、激光3D探測等方法。

采空區(qū)；探測；電法；探地雷達

近年來，我國對于金屬礦產(chǎn)的巨大需求與有限資源之間的矛盾隨著高速發(fā)展的國民經(jīng)濟愈演愈烈，深部礦產(chǎn)資源的安全開發(fā)與利用成為熱點。地下金屬礦山常用的空場類幵采方法如全面法、房柱法、留礦法等[1,2]使地下留有大量采空區(qū)[3,4]，特別是20世紀80年代時期[5]，由于地下資源幵采技術(shù)的不成熟性，以及出于成本節(jié)約的目的，出現(xiàn)了對礦產(chǎn)資源不合理大肆掠奪開釆的現(xiàn)象，使得在礦山遺留了大量的未經(jīng)治理且位置狀態(tài)不明的地下采空區(qū)。

一、概述

本次采空區(qū)探測方法選擇的論述，是以某銅礦山為例。由于歷史原因，此礦山曾出現(xiàn)多礦方同時開采的情形，遺留大量民采空區(qū)，這些民采空區(qū)空間分布復(fù)雜，具有平面分布范圍廣、豎向上相互重疊、交錯的特點。由于相應(yīng)資料的缺失，目前空區(qū)賦存狀況不明，為了安全生產(chǎn)，需進行空區(qū)探測，以掌握空區(qū)的賦存狀況。

二、采空區(qū)探測主要方法介紹

(一)電磁法

電磁法是根據(jù)巖土體的電磁性差異進行探測的方法。具體方法主要有：高密度電阻率法、探地雷達法、瞬變電磁法等。

1.高密度電阻率法

高密度電阻率法(HDRM)是20世紀80年代在常規(guī)電法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種物探方法，其基本原理與常規(guī)電法完全相同。它是以常規(guī)直流電阻率法為基礎(chǔ)，在探測剖面上同時布置多個電極，由人工向地下發(fā)送電流，使地下形成穩(wěn)定的電流場，通過自動控制轉(zhuǎn)換裝置對所布設(shè)的剖面進行自動觀測和記錄的一種物探方法?？捎糜谔綔y地下構(gòu)造、巖溶、洞穴、埋設(shè)物、采空區(qū)、滲漏帶等。

其中地下空洞或采空區(qū)與其周圍圍巖存在明顯電性差異。如為充氣空洞，則其視電阻率與其周圍圍巖相比呈高阻異常，如為充水(或充水冒落)空洞，則其視電阻率與其周圍圍巖相比呈低阻異常，因此電法探測就是通過視電阻率的異常去尋找隱患空區(qū)。

該方法相對于常規(guī)電法，具有測點密度大、信息量大、成本低、工作效率高等特點，野外的數(shù)據(jù)采集和收錄實現(xiàn)了自動化、智能化，可以方便的測量到大量的數(shù)據(jù)，避免了人工操作帶來的誤差。缺點是易受電線、地下水管、鐵管、游散電流、電磁等的干擾。

2.探地雷達法

探地雷達法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁探測技術(shù)。探地雷達利用發(fā)射天線發(fā)射高頻寬帶電磁波，接收天線接收來自地下介質(zhì)界面或目標體的反射波。其中高頻天線具有較好的分辨能力，但穿透深度淺，而低頻天線具有較粗的分辨率，但穿入介質(zhì)較深。

電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度與波形資料，可推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。探地雷達的地質(zhì)解釋是在數(shù)據(jù)處理后所得的探地雷達圖像剖面中，根據(jù)反射波組的波形與強度特征，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質(zhì)含義。當巖層中有采空區(qū)時，巖層與采空區(qū)的界面兩側(cè)電性差異較大，容易形成強烈的反射波，同時，這一界面也是巖性的特變點，常常產(chǎn)生繞射波，而繞射波在時間剖面上為雙曲線反映。因此通過時間剖面上的特征圖像就能確定采空區(qū)的位置及深度。

(二)地震波法

地震勘探是根據(jù)人工激發(fā)的地震波對地殼淺層介質(zhì)的物性特征進行探測的方法。具體方法有：瑞雷(Rayleigh)波法、地震反射波法、地震層析(CT)法。

(三)微重力法

微重力法是以地下介質(zhì)間的密度值差異作為理論基礎(chǔ)，通過局部密度不均勻引起的重力加速度變化的數(shù)值、范圍及規(guī)律來解決地質(zhì)問題。地面微重力法可分為地面微重力測量、重力水平梯度測量和重力垂直梯度測量。

(四)激光3D法

激光3D(3D laser)法是利用激光的高度精確性對地下采空區(qū)的大小、位置進行三維探測的新型方法。

三、探測環(huán)境分析

各種采空區(qū)探測方法主要是利用礦巖的電性、磁性以及聲學(xué)特性差異，對所測數(shù)據(jù)進行分析，獲得不同的物性參數(shù)分布，然后進行推斷解釋。因探測原理不同，適應(yīng)的探測條件也不相同。不同的礦山，其賦存條件不同，采空區(qū)所處的環(huán)境也不同，因此進行采空區(qū)探測前，必須對礦巖的電性、磁性以及聲學(xué)特性進行了解，以便選擇最合適的探測方法。有時還需要幾種方法結(jié)合起來進行綜合探測，才能取得較好的效果。

為確定最佳探測方案，對此銅礦山進行實地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)本次探測有以下兩個難點：

(1)深部開采區(qū)域上方原由其他礦方開采部分的采空區(qū)資料不全，原有巷道封閉，人員無法進入，井間探測無法實施；

(2)探測主體區(qū)域是高為100m左右的山坡，山上植被豐富，多為低矮的灌木，人員及設(shè)備進出較為困難，因此探測時要求探測設(shè)備輕便易攜帶，現(xiàn)場操作安全便捷。

考慮到此次探測區(qū)域的探測條件不佳，如何正確利用物探方法進行探測，選用哪種方法就顯得尤為重要。重力勘探法影響因素復(fù)雜，干擾內(nèi)容多；地震勘探受地形影響較大，若測試地區(qū)有大型設(shè)備作業(yè)，產(chǎn)生明顯的震動，會直接影響測試的效果；激光3D法主要是用于對已知采空區(qū)進行精確探測，需要配合鉆孔；瞬變電磁法易受電線、地下水管、鐵管、游散電流、電磁的干擾，在植被豐富區(qū)域不便于布線；無線電透視法和地震層析法多適用于井間探測等；探地雷達法測深較小但精度高；高密度電法測深大，但精度低于探地雷達法。

四、結(jié)論

綜合分析上述方法，相對而言，探地雷達和高密度電法發(fā)展時間較長、技術(shù)成熟、設(shè)備輕便易攜帶、操作簡單、準確度高、效率高，適用于該礦山的探測。為此擬采用高密度電法、探地雷達法相結(jié)合的綜合探測方法對該銅礦山采空區(qū)進行探測。

[1]宮鳳強,李夕兵,董隴軍.基于未確知測度理論的采空區(qū)危險性評價研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2008,27(2):232-327.

[2]馬海濤,賀紅生,付士根.釆空區(qū)塌陷影響因素及穩(wěn)定性分級方法研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù).2008,4(5):37-41.

[3]羅周全,張旭芳,劉曉明,等.基于模糊模式識別的金屬礦釆空區(qū)危險性綜合評價[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2009,26(2):208-211.

[4]王新民,柯愈賢,鄢德波,等.基于熵權(quán)法和物元分析的釆空區(qū)危險性評價研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2012,22(6):71-77.

[5]劉科偉,露天開釆隱患空區(qū)激光三維探測可視化研究及其穩(wěn)定性分析[D].長沙,中南大學(xué)2012.

黃湛煐(1993-)，女，侗族，貴州銅仁人，在讀碩士，中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，研究方向：安全工程。