采空區(qū)勘查中物探技術(shù)應(yīng)用研究

孫京京

（安徽省煤田地質(zhì)局物探測量隊，安徽 宿州 234000）

當(dāng)代各行各業(yè)的發(fā)展都離不開礦產(chǎn)資源的使用，因此礦產(chǎn)資源是社會發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。礦產(chǎn)資源的開采和挖掘工作至關(guān)重要。然而，當(dāng)?shù)V產(chǎn)資源開采后，由于原本的礦區(qū)被挖掘出去，導(dǎo)致在地下空間會留下一定的空間，這個地下空間就被稱為采空區(qū)。采空區(qū)的存在會導(dǎo)致大面積地表沉降、塌陷、開裂等地質(zhì)問題，導(dǎo)致地面上的基礎(chǔ)設(shè)施等都受到了嚴(yán)重破壞[1]。在此背景下，為保證地面工程建設(shè)的安全性，明確采空區(qū)情況是十分必要的。

關(guān)于采空區(qū)研究主要集中在四個方面，即探測技術(shù)、穩(wěn)定性評價技術(shù)、治理技術(shù)以及質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)等，其中關(guān)于探測技術(shù)的研究是最重要的，只有明確采空區(qū)位置、空間大小、埋藏深度、圍巖構(gòu)造等問題才能提出相應(yīng)的治理措施，保證地面工程建設(shè)的安全。為此，本文圍繞這一問題，研究綜合物探技術(shù)的應(yīng)用過程，并以某采空區(qū)為例，進(jìn)行綜合物探技術(shù)應(yīng)用效果仿真測試。通過本研究以期為采空區(qū)探測工作提供參考和建議。

1 采空區(qū)綜合物探技術(shù)研究

當(dāng)埋藏在地下礦體被挖掘出去后，會在原有的位置留下一定的空間，這一空間就被稱為采空區(qū)。當(dāng)采空區(qū)上層的巖層失去內(nèi)部的支撐后，地應(yīng)力平衡會遭到破壞，因此為了維持平衡，在重力的作用下，應(yīng)力會重新分布[2]。而應(yīng)力的重新分布會連帶地表發(fā)生相應(yīng)變化，如塌陷、裂縫和臺階等。

采空區(qū)的存在會導(dǎo)致圍巖上層結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和破碎，導(dǎo)致地表穩(wěn)定性造成嚴(yán)重破壞，因此在地面工程建設(shè)前，準(zhǔn)確掌握采空區(qū)情況是必不可少的。當(dāng)前針對采空區(qū)勘查的物探技術(shù)有很多，如地震勘探法、瞬變電磁法、高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法等。這些方法雖然能得到探測結(jié)果，但是一旦地質(zhì)條件復(fù)雜，勘查效果就難以保證，因此在很多情況，會將幾種單一物探技術(shù)綜合在一起，構(gòu)成一種綜合物探技術(shù)，這樣就彌補(bǔ)了單一物探技術(shù)的不足[3]。下面對幾種常用物探技術(shù)進(jìn)行具體分析。

1.1 地震勘探法

地震勘探法，也被稱為地震反射波法，其原理是利用工程地震儀垂直地表發(fā)射地震波，地震波會一直沿向下傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ǚㄓ龅讲煌牡刭|(zhì)構(gòu)造會發(fā)生不同反射信號，采集這些反射信號，并進(jìn)行分析，就能夠推算出地層界面的埋深、構(gòu)造形態(tài)以及相關(guān)物理參數(shù)等。當(dāng)?shù)貙酉旅鏇]有被破壞時，反射波頻率具有一定的規(guī)律性，但是當(dāng)存在采空區(qū)時，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑サ竭@一區(qū)域時，破碎的圍巖會在一定程度上吸收地震波，導(dǎo)致地震波衰減，同時也會使得反射波的波形變得毫無規(guī)律性[4]。通過這一特點，即可實現(xiàn)采空區(qū)勘查。

1.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法，也被稱為脈沖瞬變電磁法，屬于感應(yīng)類電法的一種。瞬變電磁法基本原理如下：首先利用電偶源或者磁源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，當(dāng)一次磁場間歇期間，利用線圈或接地電極接收地下地質(zhì)體隨時間所產(chǎn)生的二次感應(yīng)渦流場，即二次場。二次場由于是地質(zhì)體感應(yīng)電流所產(chǎn)生的，因此在其蘊(yùn)含了豐富的地質(zhì)信息。透過這些信息即可明確地質(zhì)空間分布形態(tài)，從而達(dá)到采空區(qū)探測目的。

1.3 高密度電法

不同的巖層具有不同的導(dǎo)電性能，這種不同的特征就是高密度電法的本質(zhì)。高密度電法，也被稱為高密度電阻率法，其基本原理如下：首先將電極布置在若干測點位上，然后認(rèn)為利用電極向地表下方發(fā)送電流，電流會在地下形成穩(wěn)定的電場，最后計算不同測點位置處的電位差，從而推算出電阻率值[5]。通過電阻率值即可明顯采空區(qū)特征。不同巖層的電阻率變化情況如下表1 所示。

表1 不同巖層電阻率變化情況

1.4 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法與地震勘探法原理相類似，只是地震勘探法發(fā)射的是地震波，而地質(zhì)雷達(dá)法發(fā)射的是頻率為50～1000kHz 的大功率脈沖。當(dāng)這一范圍大功率脈沖發(fā)射后，會沿著地層垂直向下傳播，當(dāng)遇到電性不均勻巖石界面時，會產(chǎn)生返回地面的回波。通過采集和分析回波即可實現(xiàn)對采空區(qū)的勘查。

2 采空區(qū)勘查中綜合物探技術(shù)應(yīng)用效果仿真分析

為驗證綜合物探技術(shù)在采空區(qū)勘查工作中的應(yīng)用效果，進(jìn)行仿真實驗分析。

2.1 采空區(qū)概況

某礦區(qū)在進(jìn)行礦產(chǎn)采集后，留下了采空區(qū)。本文就以該礦區(qū)為例，進(jìn)行綜合物探技術(shù)應(yīng)用效果分析。礦區(qū)示意圖如下圖1 所示。

圖1 礦區(qū)分布示意圖

2.2 綜合探測方案

采用地震勘探法+高密度電法的綜合物探技術(shù)工III 采空區(qū)進(jìn)行探測。兩種方式探測點布局方案如下表2 所示。

表2 綜合探測點方案

2.3 采空區(qū)探測結(jié)果

地震勘探法+高密度電法采空區(qū)探測結(jié)果如下圖2 所示。

2.4 采空區(qū)探測結(jié)果校驗

為驗證地震勘探法+高密度電法給出的成果準(zhǔn)確性，以給出IV 為例，在綜合物探法圈定的采空區(qū)異常區(qū)域內(nèi)布設(shè)7 個驗證鉆孔，在圈定的范圍外見礦區(qū)布設(shè)3 個驗證鉆孔。10 個鉆探驗證孔采空區(qū)揭露情況見表3。

圖2 地震勘探法+高密度電法采空區(qū)探測結(jié)果

表3 7 個鉆探揭露的孔采空區(qū)情況表

從上述表3 中可以看出，10 個鉆孔區(qū)與鉆探結(jié)果相一致，說明劃定的采空區(qū)邊界線具有較高的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語

綜上所述，礦產(chǎn)資源在被挖掘之后，會存在一定的采空區(qū)。采空區(qū)的存在會導(dǎo)致地表塌方、沉降等地質(zhì)災(zāi)害，威脅了地表建設(shè)過程。

為此，采空區(qū)勘查工作至關(guān)重要。為此，本文研究一種綜合探測技術(shù)，該探測技術(shù)為地震勘探法、瞬變電磁法、高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法等兩種或以上方法的組合。經(jīng)驗證，綜合探測技術(shù)與鉆探結(jié)果相一致，證明該技術(shù)勘查技術(shù)的準(zhǔn)確性。