礦山地下開采面采空區(qū)地球物理探測技術(shù)方法分析

劉紅達(dá)

山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，中國·山東 濟(jì)南 250102

礦山開采的實際作業(yè)情況往往伴隨著很多突發(fā)事件和安全事故，所以在礦山探測的過程中伴隨著很多新技術(shù)的出現(xiàn)。在現(xiàn)如今的礦山地理探測發(fā)展中，地球物理探測技術(shù)屬于一種新生的技術(shù)，同時伴隨著礦山生產(chǎn)的進(jìn)步不斷發(fā)展壯大，對中國礦產(chǎn)資源的可持續(xù)開發(fā)和礦產(chǎn)作業(yè)安全性提升起到了非常重要的作用。因此，論文對礦產(chǎn)開發(fā)中的地球物理探測技術(shù)方法進(jìn)行了簡要論述。

礦山地下開采；采空區(qū)；地球物理探測技術(shù)

1 引言

在論文論述中將以中國河南省的礦產(chǎn)資源開發(fā)為例，因為在中國各省市中，河南省的資源儲備都位居前列，并且在實際發(fā)展中也是將礦產(chǎn)資源開發(fā)作為全省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展支柱企業(yè)。尤其是在國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展中，礦產(chǎn)資源開發(fā)與供求存在的問題與矛盾越來越突出，所以在礦產(chǎn)資源的開發(fā)中監(jiān)督工作的責(zé)任與工作量大大增加，對礦產(chǎn)開發(fā)的新技術(shù)研發(fā)是亟待解決的?，F(xiàn)如今的主要礦山采空區(qū)的觀測與控制方法主要有如下幾種：直接觀測、瞬變電磁法、地震波方法等。前者為傳統(tǒng)法，后者為地球物理技術(shù)方法，也是論文所研究的重點。

2 瞬變電磁法的含義及研究現(xiàn)狀

2.1 瞬變電磁的含義

瞬變電磁觀測技術(shù)是以電磁感應(yīng)定律為技術(shù)原理，工作的時候利用不接地回線或者是接地的線源進(jìn)行脈沖磁場的發(fā)射，發(fā)射方向為地下，在脈沖磁場間歇的時候通過線圈和接地電極對脈沖下的二次渦流場空間分布狀況進(jìn)行了解，然后以此為基礎(chǔ)對礦山地下開采過程中的地下含水結(jié)構(gòu)和發(fā)展情況進(jìn)行全面的分析和預(yù)測。通過這種方法能夠?qū)Φ叵虏傻V區(qū)域的良導(dǎo)金屬體進(jìn)行相應(yīng)探測，從而對地質(zhì)構(gòu)造問題進(jìn)行更好的解決，然后對礦產(chǎn)、煤田以及其他礦產(chǎn)活動的地質(zhì)問題探測和解決都能提供幫助。

2.2 瞬變電磁的研究現(xiàn)狀

對于瞬變電磁技術(shù)的應(yīng)用來講，因為其在進(jìn)行觀測時是純二次場，所以在觀測過程中的探測深度相比較于其他方法來講要更大，并且對于探測到的數(shù)據(jù)分辨率要更高，能夠?qū)Φ叵碌V產(chǎn)開采過程中的異常問題進(jìn)行及時的發(fā)現(xiàn)，同時在進(jìn)行實際應(yīng)用時，裝置更加靈活并且多樣化，對于一些礦產(chǎn)具有高阻覆蓋層的穿透性要更強。有著瞬變電磁技術(shù)的測距大、定向性能好和對積水等低阻體敏感的特點，使其在許多礦產(chǎn)開采過程當(dāng)中都有應(yīng)用。對瞬變電磁技術(shù)的引用，對礦山作業(yè)來講，在實際作業(yè)過程中能夠加大對地下開采時采空區(qū)的探測效率，將地下采空區(qū)當(dāng)中存在的積水問題以及空間分布問題，進(jìn)行高質(zhì)量的探測與解決，能夠?qū)ΦV山開采的礦井安全性提升提供重要的作用[1]。

同時，對于中國礦山水文地質(zhì)探測技術(shù)來講，瞬變電磁技術(shù)的引進(jìn)和結(jié)合是提高水文地質(zhì)探測技術(shù)的重要途徑，對于礦山地下開采過程中治水工作的提升具有重要的意義，并且值得被大力進(jìn)行推廣。

現(xiàn)如今瞬變電磁探測技術(shù)，在國際上的應(yīng)用都非常的廣泛，其應(yīng)用范圍大多集中在礦山采空區(qū)、塌陷區(qū)和工作面頂板含水地段等領(lǐng)域當(dāng)中，在實際應(yīng)用過程中探測效果非常明顯。而對于論文來講，因為是基于河南省煤炭資源發(fā)展與整合工作進(jìn)行的該技術(shù)分析，所以基于河南省小煤礦采空區(qū)分布不清楚以及積水問題嚴(yán)重等現(xiàn)象，應(yīng)用瞬變電磁技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)積水探測是非常有效的。

瞬變電磁技術(shù)優(yōu)點：第一，分辨率更高，信噪比更高。第二，則是寬頻帶探測動態(tài)范圍大。第三功能性強，并且功耗較低。第四，簡單便攜易操作，時效性強。第五，對周邊生態(tài)環(huán)境破壞幾乎沒有。因為對于環(huán)境來講，在人們生產(chǎn)與生活過程當(dāng)中，生態(tài)環(huán)境的保護(hù)都是非常重要的工作，而且對于瞬變電磁技術(shù)來講，在應(yīng)用過程中因為對周邊環(huán)境沒有任何不良影響，所以數(shù)據(jù)采集的平面分布連續(xù)性和完整性都得到了保障[2]。

2.3 瞬變技術(shù)推廣應(yīng)用存在的問題

基于現(xiàn)如今瞬變電磁技術(shù)在礦山開采在空氣當(dāng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其推廣和應(yīng)用主要存在如下幾個問題。

首先是外界對于該技術(shù)的了解和認(rèn)可程度不高。礦山管理以及技術(shù)發(fā)展人員在新技術(shù)的應(yīng)用方面積極性不高，所以對于瞬變電磁技術(shù)來講，這些礦山管理和工作人員對該項技術(shù)的認(rèn)知不足，所以導(dǎo)致在實際工作當(dāng)中對該項技術(shù)的引進(jìn)并不積極，推廣和應(yīng)用都受到了嚴(yán)重阻礙。

其次，針對瞬變電磁探測數(shù)據(jù)的解釋方法相對落后。對于瞬變電磁技術(shù)應(yīng)用來講，在探測過程中所得數(shù)據(jù)并沒有系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化的解釋軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而且該項技術(shù)在應(yīng)用過程當(dāng)中自動化程度也非常低，存在著非常多的人為影響因素，導(dǎo)致各解釋軟件之間也不能夠做到互相通用。除此之外，因為對于人工的依賴性比較強，所以對于探測過程中測區(qū)的了解程度，不同的工作人員了解程度也不一樣，所以在進(jìn)行分析時所得結(jié)論也會存在很大的差別[3]。

再次，主要是工作方法落后。瞬變電磁技術(shù)的應(yīng)用，需要工作人員對該技術(shù)擁有足夠的了解，并且能夠依據(jù)該技術(shù)對探測地區(qū)地下地質(zhì)以及水文情況進(jìn)行高水平的理解和分析，但在實際工作過程中，能夠發(fā)現(xiàn)許多工作人員自身的工作水平以及實踐經(jīng)驗并不豐富，所以在工作過程中的工作方法比較落后，難以取得實際的效果。

最后，主要是技術(shù)本身的局限性。因為瞬變電磁法在進(jìn)行探測過程中，是通過對巖層的電性特征進(jìn)行探測，從而將存在異常的情況分析出來，所以在整個探測過程當(dāng)中多解性是非常明顯的。因此，該技術(shù)對于個別孤立點的觀測并沒有任何優(yōu)勢，所以在進(jìn)行解釋的過程當(dāng)中，需要進(jìn)行綜合解釋方法的應(yīng)用。而且因為是進(jìn)行電磁探測，所以外界存在的電場干擾以及體積效應(yīng)等對該技術(shù)的應(yīng)用也會產(chǎn)生非常重要的影響，是不能忽視的。

3 瞬變電磁技術(shù)創(chuàng)新性及技術(shù)指標(biāo)

3.1 技術(shù)創(chuàng)新性優(yōu)點

對于現(xiàn)如今的地球物理探測技術(shù)來講，在進(jìn)行礦山采空區(qū)的探測時，探測精度范圍為20 米至40 米左右。并且在實際探測過程當(dāng)中，對于采空區(qū)異常問題出現(xiàn)的方位進(jìn)行定位存在非常大的困難，所以對于實際的礦山開采工作來講，難以滿足工作需求。瞬變技術(shù)在很大程度上對此類問題的解決具有非常好的效果，從現(xiàn)如今針對瞬變電磁技術(shù)的應(yīng)用以及相關(guān)效果分析來看。在實際應(yīng)用過程當(dāng)中瞬變電磁技術(shù)縱向以及橫向所進(jìn)行探測的分辨率都要高出其他技術(shù)，并且所測得的數(shù)據(jù)顯示性非常好，利用該技術(shù)能夠?qū)ΦV山地下開采過程中采空區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行精密的探測，能夠向更多的礦產(chǎn)資源開發(fā)領(lǐng)域當(dāng)中進(jìn)行推廣和應(yīng)用?，F(xiàn)如今已經(jīng)進(jìn)行推廣應(yīng)用的領(lǐng)域和探測工作內(nèi)容如下：首先是對礦山礦權(quán)邊界和采空區(qū)的地下分布情況進(jìn)行精確的定位[4]。其次主要是對開采區(qū)域的地下鹽層海水性和富水性進(jìn)行分析。然后是對礦山地下開采過程中可能存在的各種水害問題進(jìn)行提早的探測并且進(jìn)行預(yù)防，降低礦山開采過程中安全事故的發(fā)生幾率。最后則是將與礦產(chǎn)開發(fā)有關(guān)的水文地質(zhì)勘察工程和水旱處理工程當(dāng)中，工程造價進(jìn)行有效的控制，因為通過有效的探測避免了很多問題的出現(xiàn)，后期的施工要更加的順利并且快速，周期以及工程投入都會小很多。

3.2 瞬變電磁應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)

瞬變電磁技術(shù)應(yīng)用指標(biāo)主要包括兩點：首先是對地下采空區(qū)含水異常水平邊界的位置進(jìn)行確定時誤差要保證在±20米，含水層的深度誤差，要保證在5%～10%范圍內(nèi)。其次是在進(jìn)行地下含水層探測過程中，還有包括對灰?guī)r砂巖以及主要目的層的位置確定，同時對含水層孔隙度以及腹水量進(jìn)行分析研究[5]。

4 瞬變電磁技術(shù)的應(yīng)用效果及前景

對于瞬變電磁技術(shù)來講，因為其在發(fā)展過程中可靠性以及穩(wěn)定性還需要不斷的進(jìn)行驗證，這樣才能夠更好的將其投入到實際生產(chǎn)工作當(dāng)中，并進(jìn)行大范圍的推廣和應(yīng)用。所以如果其可靠性以及穩(wěn)定性都得到了保證，同時又能夠達(dá)到礦山安全施工技術(shù)指標(biāo)，那么在煤礦安全生產(chǎn)過程當(dāng)中應(yīng)用瞬變電磁技術(shù)，所能夠呈現(xiàn)出的效果主要有如下幾點。

首先對于煤礦地下開采作業(yè)來講，安全系數(shù)將大大增加，水害事故在采空區(qū)含水層當(dāng)中出現(xiàn)的幾率會大大降低，從而降低因安全事故頻發(fā)所導(dǎo)致的額外成本投入。其次，主要是通過應(yīng)用瞬變電磁技術(shù)，依靠其便攜性以及靈活和多樣性特點，能夠降低在進(jìn)行水文地質(zhì)鉆探與勘測過程中的生產(chǎn)費用投入。再次，主要是能夠依靠于此技術(shù)的先進(jìn)性，例如高分辨率能夠解決低分辨率不能解決的問題，將其他物理探測技術(shù)沒有解決的地質(zhì)問題進(jìn)行解決。然后，是將在礦產(chǎn)開發(fā)過程當(dāng)中，以及地下水質(zhì)和地質(zhì)探測過程當(dāng)中存在的一些遺留性技術(shù)難題進(jìn)行解決，例如在煤礦開采過程當(dāng)中煤層頂板含水性和富水性特征及規(guī)律的分析，含煤巖層的滲透率和含水量的測算。最后，則是能夠在現(xiàn)有的礦山開采基礎(chǔ)之上，依靠該技術(shù)進(jìn)行新的市場開拓，使該技術(shù)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益得到顯著提升[6]。

因為瞬變電磁技術(shù)的精度以及分辨率相比較，與其他物探基數(shù)都要更高，并且對含水性的反應(yīng)非常靈敏，所以在實際工作過程當(dāng)中，除了在現(xiàn)如今的煤礦地質(zhì)勘測當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用之外，還可以在其他地質(zhì)活動當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用。比如在進(jìn)行地下水或者是地?zé)崴奶綄すぷ鳟?dāng)中依靠此技術(shù)，同時在除煤礦之外的其他礦產(chǎn)資源探測過程中應(yīng)用此技術(shù)。技術(shù)的應(yīng)用不應(yīng)該存在局限性，而應(yīng)當(dāng)結(jié)合市場領(lǐng)域以及技術(shù)特點，在不同領(lǐng)域當(dāng)中都發(fā)揮作用，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長，提高國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

5 結(jié)語

綜上所述，在礦山地下開采作業(yè)過程中，采空面的探測對作業(yè)安全性保護(hù)具有重要意義，所以瞬變電磁技術(shù)的出現(xiàn)是發(fā)展需要，也是技術(shù)創(chuàng)新的必然趨勢。依靠瞬變電磁技術(shù)的優(yōu)點，能夠增加現(xiàn)如今礦山地下開采采空面的安全性，降低經(jīng)濟(jì)投入增加經(jīng)濟(jì)效益提升。