采空區(qū)地球物理勘探技術(shù)方法

高宏寶

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，人們的生活質(zhì)量也有著較為顯著的提高，但由于早期刻意對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展內(nèi)的追求導(dǎo)致了對(duì)自然環(huán)境的嚴(yán)重破壞，而在礦物的挖掘過(guò)程中形成的采空區(qū)更是較為常見(jiàn)的一種安全問(wèn)題，給人們的生產(chǎn)和生活造成一定的安全隱患。我國(guó)近年來(lái)對(duì)于勘探工程需求量較大，勘探技術(shù)的選擇要根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)情況，通過(guò)較為有效合理的分析，確定科學(xué)的勘探方案。文章通過(guò)對(duì)采空區(qū)地球物理勘探技術(shù)進(jìn)行較為全面的分析，針對(duì)性的對(duì)目前勘探過(guò)程中存在的問(wèn)題予以說(shuō)明，并相應(yīng)給出未來(lái)的研究方向，具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：采空區(qū);物理勘探;技術(shù)

近年來(lái)，人們對(duì)工業(yè)發(fā)展的需求很大。在此背景下，各類(lèi)煤礦發(fā)展迅速。在高強(qiáng)度開(kāi)采過(guò)程中，也涌現(xiàn)出不少民營(yíng)煤礦，形成了采空區(qū)。煤礦采空區(qū)形成時(shí)間較長(zhǎng)，此外，普遍存在有害氣體問(wèn)題，當(dāng)盲目開(kāi)挖靠近采空區(qū)時(shí)，容易造成采空區(qū)積水事故、有害氣體沖擊事故和瓦斯沖擊事故， 影響安全。 同時(shí)，該礦區(qū)有較大的集水區(qū)，治理困難，容易對(duì)立井井壁結(jié)構(gòu)造成不利影響，如導(dǎo)致井壁開(kāi)裂和塌陷，對(duì)礦井通風(fēng)和提升帶來(lái)較大影響，給礦山企業(yè)造成重大損失，威脅煤礦職工生命安全。

1相關(guān)背景

當(dāng)下工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，增加了各個(gè)行業(yè)對(duì)于資源的需求，因此不同類(lèi)型的煤礦企業(yè)得到較快的發(fā)展，并且各類(lèi)煤礦在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)采之后，形成了較多的采空區(qū)，而這一類(lèi)采空區(qū)對(duì)人們的生活有著重要的安全性隱患問(wèn)題，開(kāi)采面積龐大，采空區(qū)較多。

2采空區(qū)的地球物理特征

礦區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。施工現(xiàn)場(chǎng)的地震波形不同。根據(jù)采區(qū)時(shí)間響應(yīng)剖面，可以看出地震波具有三個(gè)特點(diǎn)：一是煤層反射波較弱，發(fā)生在采區(qū)邊界。反射波事件軸的頻率和發(fā)生是不連續(xù)的和突然的。與周?chē)簩酉啾龋瓷洳l率和能量明顯降低。葉片中的事件軸地震波響應(yīng)類(lèi)似于蠕蟲(chóng)形狀;另一個(gè)是通過(guò)碳拼接事件的反射波變?nèi)酰漕l率和發(fā)生率會(huì)發(fā)生很大變化。與附近非采空區(qū)的煤層相比，存在明顯差異。同時(shí)，反射波的特性與前向模型C相似，具有一定的時(shí)延;三是工作臺(tái)面上的碳縫完全抽出，只剩下少量的碳柱。由于腔體吸收了大部分地震波，因此本剖面的地震時(shí)間剖面顯示沒(méi)有碳縫合反射波。通過(guò)提取區(qū)域后，反射波的頻率下降得更快[1]。

3采空區(qū)物探

對(duì)山體主要裂縫、塌陷區(qū)域進(jìn)行地球物理勘探，以獲得具體采空區(qū)分布范圍。地下采空區(qū)內(nèi)介質(zhì)為空氣或水，塌陷空區(qū)內(nèi)為松散體，與周邊完整巖體介質(zhì)的物理性質(zhì)有巨大差異。利用這一差異，采用地球物理勘探可以探測(cè)到地下采空區(qū)，但其精度較差，故只能作為確定采空區(qū)分布靶區(qū)的技術(shù)方法常用的采空區(qū)物探方法有以下幾種：常規(guī)電阻率法、淺層地震法、微重力法、探地雷達(dá)、瞬變電磁法、高密度電法等。在正式開(kāi)展物探工作前，在分析采場(chǎng)地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，綜合比較選取了淺層地震法勘察地下采空區(qū)。常采空區(qū)常用的地球物理方法有幾種：常規(guī)電阻率法、淺層地震法、微重力法、探地雷達(dá)、瞬態(tài)電磁法、高密度電法等。在正式開(kāi)展地球物理勘探工作之前，在分析采場(chǎng)地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，綜合比較選取了淺層地震法勘察地下采空區(qū)。淺層地震法采用面波勘探，其中瑞雷波（R 波）能量最強(qiáng)，振幅最大，頻率最低。瑞利波勘探本質(zhì)上是基于瑞利波傳播的散射特性。

4勘察方法

在搜集、分析研究施工區(qū)內(nèi)以往地質(zhì)、水文地質(zhì)、地震地質(zhì)以及采礦等資料的基礎(chǔ)上，確定采用天然電場(chǎng)選頻法[3]和地面瞬變電磁法[4]來(lái)進(jìn)行超前物探，確定異常區(qū)，分析出采空區(qū)及影響帶;在井筒施工至距采空區(qū)30m時(shí)，進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，精確驗(yàn)證異常范圍，探明積水、瓦斯和有害氣體的影響情況。

（1）瞬變電磁法。瞬態(tài)電磁法是一種時(shí)域人工源電磁法，其原理是： 先向接地傳輸線(xiàn)的框架施加直流電，然后突然斷開(kāi)電源，線(xiàn)框架中的電流會(huì)發(fā)生突變，這個(gè)瞬變電流會(huì)在空間中產(chǎn)生瞬變磁場(chǎng)，和瞬變土壤下方渦流引起的磁場(chǎng)，渦流會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷向地面擴(kuò)散，擴(kuò)散速度與地下層的電阻率有關(guān)，在不同的時(shí)間會(huì)擴(kuò)散到不同的深度。了解地下電阻率的目的是檢測(cè)地下渦流的變化。研究區(qū)地層由新到舊為第四紀(jì)、碳、奧陶系。各種地層視電阻率的瞬態(tài)電磁解釋如下：第四紀(jì)地層為低電阻反射， 二疊紀(jì)地層為中電阻反射，碳地層為中高電阻反射，奧陶系地層為高電阻反射。一旦構(gòu)造發(fā)育或出現(xiàn)其他低阻異常，表觀(guān)電阻率等值線(xiàn)將發(fā)生扭曲或水平和垂直方向的梯度變化。當(dāng)?shù)貙哟嬖诘刭|(zhì)異常時(shí)，視電阻率值也會(huì)呈現(xiàn)明顯的局部差異。通過(guò)分析截面圖的異常反射和視阻盤(pán)異常低阻電阻的大小，結(jié)合原曲線(xiàn)、接地位置、導(dǎo)線(xiàn)干擾等，去除低阻異常區(qū)域真假， 最終確定異常區(qū)域的開(kāi)采范圍[3]。（2）鉆孔成像。在本次采空區(qū)勘察鉆孔施工過(guò)程中，對(duì)部分鉆孔進(jìn)行了鉆孔成像。成像直觀(guān)清晰地展示了擬建場(chǎng)地采空區(qū)的發(fā)育情況。該鉆孔在61.5～63.0m深度范圍存在明顯空洞，尚未完全垮落密實(shí)，裂隙較發(fā)育，與瞬變電磁物探推斷采空區(qū)的分布基本吻合。（3）天然電場(chǎng)選頻法勘測(cè)。自然電場(chǎng)選頻法剖面布置的原則是采用重合的瞬態(tài)電磁剖面線(xiàn)布置，外框尺寸為500m×500m，點(diǎn)距為20m，連續(xù)測(cè)量;一共排列了23個(gè)profile，總共約650個(gè)點(diǎn)。自然電場(chǎng)選頻法研究?jī)x采用原鄭州小學(xué)研制生產(chǎn)的TR-2自然電場(chǎng)選頻儀。該儀器操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，狀態(tài)良好，保證了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。自然電場(chǎng)選頻方法不需要人工場(chǎng)源，成本低，研究深度大，不受高阻層屏蔽影響，對(duì)低阻層分辨率更高，并且不受測(cè)量范圍的限制。該方法具有儀器輕便便攜、野外作業(yè)強(qiáng)度低、數(shù)據(jù)直觀(guān)、同一剖面上多頻點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同深度剖面測(cè)量曲線(xiàn)、效率高等優(yōu)點(diǎn)。（4）地面瞬變電磁法勘測(cè)。瞬態(tài)電磁儀用于探測(cè)井外30°、南北45°～45°、東西45～45°三個(gè)探測(cè)范圍。在勘探區(qū)，瞬態(tài)電磁法布置在方格內(nèi)，測(cè)線(xiàn)距為20m，測(cè)點(diǎn)距為10m。地面瞬態(tài)電磁測(cè)量?jī)x采用WTEM-1Q/ GPS瞬態(tài)電磁儀，抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，狀態(tài)良好，保證了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。該儀器具有良好的采空區(qū)測(cè)量效果，不破壞原有地形地貌， 不影響建筑物。根據(jù)MTEM視電阻率偽剖面圖和廣泛的地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，可以確定水平、水平和垂直深度的電變化。

結(jié)束語(yǔ)：由于采空區(qū)對(duì)于人們的生活以及工作都有著較為嚴(yán)重的影響，因此在則要求相關(guān)企業(yè)以及相關(guān)工作人員工作當(dāng)中，需要進(jìn)行采空區(qū)的物理勘探，并且需要詳盡的設(shè)計(jì)勘探方式，以及相關(guān)工作人員需要細(xì)化物理勘探，以此全方位的保障勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性，并做好礦區(qū)的開(kāi)采保護(hù)，以此確保開(kāi)創(chuàng)施工質(zhì)量以及采空區(qū)不產(chǎn)生任何負(fù)面影響，以此確保不會(huì)對(duì)人們的生活質(zhì)量以及正常工作產(chǎn)生干擾，保障煤礦開(kāi)采行業(yè)的順利進(jìn)行以及發(fā)展，促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。

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