一、概述
目前，釆空區(qū)已成為影響多空區(qū)露天礦山安全生產(chǎn)的最主要危險源之一。因此，對露天開采境界內的地下釆空區(qū)進行精確探測，進而在探明采空區(qū)的基礎上合理規(guī)劃礦山開釆并對采空區(qū)危險性進行評估顯得尤為重要。
國內外諸多學者已在采空區(qū)探測領域進行了大量的科學研究并取得了一系列富有成效的研究成果。美國、日本、歐洲等發(fā)達國家主要采用物探方法進行采空區(qū)探測，如美國的地震法、微重力法以及電法和電磁法探測技術具有較高的水平，其中以高密度電阻率法和高分辨率地震勘探法最為突出；俄羅斯釆用的物探技術有地震發(fā)射波法、電法、射氣測量法、瞬變電磁法等；英國、法國等國家普遍釆用探地雷達技術等；日本在釆空區(qū)探測方面廣泛應用地震波法，其物探技術在國際上處于領先地位；目前我國主要采用物探作為采空區(qū)探測的主要手段，同時釆用鉆探法對物探所得數(shù)據(jù)進行驗證。其中，主要的地球物理方法有重力法、高密度電法、高密度電阻率法、瞬變電磁法、地震映像法、探地雷達法、瑞利波法、氡氣測量法以及綜合物探方法等。
二、采空區(qū)探測的方法
1.鉆探法
鉆探法是最傳統(tǒng)的釆空區(qū)探測方法，在探測過程中，地質鉆機或牙輪鉆機通過在工作平盤按一定間距布網(wǎng)，鉆機在布點處鉆探，當釆空區(qū)存在時，可鉆透采空區(qū)頂板，進而利用測繩來量取該點處采空區(qū)的高度。該方法的優(yōu)點在于能夠確定布點處采空區(qū)的頂板厚度和高度，在布網(wǎng)范圍內可確定釆空區(qū)的水平范圍，還可用于對已有資料及其他物探方法獲得數(shù)據(jù)進行驗證等；鉆探法的缺點是顯而易見的，由于鉆探時間長，工程量大，成本也隨之增加。該方法在多空區(qū)礦山中應用廣泛，但大多僅用于定性探測以確定采空區(qū)存在與否。
2.高密度電阻率法
高密度電阻率法又稱為電阻率層析成像法，該方法屬于常規(guī)的直流電法，是電剖面法和電測深法的綜合體，與傳統(tǒng)電阻率法相比，該方法成本低、效率高、信息豐富、解釋方便、采集的數(shù)據(jù)量較大，探測能力顯著提高，它的基本原理與常規(guī)的電阻率法相同，都是以采空區(qū)及其圍巖的導電性(電阻率)差異為基礎的電勘探方法。探測過程中，利用接地電極對地質體施加人工電場，通過儀器可觀測地質體因導電性差異而引起的電場變化，將采集到的視電阻率值繪制成等值線圖，進而通過物探工作者的專業(yè)解釋來分析采空區(qū)的空間信息。高密度電阻率法采用密集釆樣的方式以提高采樣率，其特點是可在地表一次性布設十個至上千個電極，快速地采集大量的地場信息數(shù)據(jù)。由于該方法在測量過程中采用不同的供電和測量電極反復對同一斷面進行多次測量，因而提高了探測的準確度，也是電阻率層析成像名稱的由來。高密度電阻率法在金屬礦、煤礦及非金屬礦采空區(qū)、高速公路下伏采空區(qū)、溶洞等地下空間的探測中應用廣泛，由于受到露天煤礦境界范圍內地形的限制以及大型采礦設備的干擾，其探測準確率較難保證，實際應用中，不能僅僅依靠單一的高密度電阻率法，而應結合其他物探方法，各取所長，以達到各取所長、相互補充的效果。
圖1 高密度電法探測原理
圖2 WGMD-9型分布式超級高密度測量系統(tǒng)
3.瞬變電磁法
瞬變電磁法又稱為時間域電磁法，屬于電磁感應類探測方法，遵循電磁感應規(guī)律，其物性基礎是地質體的電阻率差異。該探測方法的工作原理是將不接地回線或接地導線作為場源，向地質體內發(fā)射一次脈沖磁場，其后利用回線或點偶極接收一次間歇期間內地下半空間內所形成的二次渦流場，通過觀察二次渦流場的變化來確定采空區(qū)賦存的空間位置和形態(tài)。該方法與高密度電阻率法類似，同樣是通過釆空區(qū)與圍巖之間的電性差異來獲取地下采空區(qū)空間信息的，當?shù)刭|體表現(xiàn)為低阻時，二次渦流場的電壓較大、衰減速度較慢；而當?shù)刭|體表現(xiàn)為高阻時，二次渦流場的電壓較小，衰減速度較快。一般來說，探測目標的幾何規(guī)模越大、埋藏越淺、導電性越好則二次場的信號越強、持續(xù)時間越長，反之，探測目標的幾何規(guī)模越小、埋藏越深、導電性越差則二次場的信號越弱持續(xù)時間越短。通過觀測和研究“二次場”的空間分布特性和時間特性，可以推測解譯地層或地質目標體的幾何和物性特征。瞬變電磁原理示意見圖3。
相對于其它電性方法而言，瞬變電磁法是在高阻地質體中尋找低阻目標最靈敏的探測方法，其主要優(yōu)點為探測盲區(qū)小、信噪比髙、不受地形影響、異常反應明顯、探測深度大及探測效率較高。近年來，瞬變電磁法以其自身的優(yōu)勢引起了廣泛的關注，該方法在我國發(fā)展迅速，被廣泛應用于地熱、油氣田以及地下水勘查等領域，在釆空區(qū)探測方面同樣取得了較多顯著的研究成果。但瞬變電磁法在露天煤礦境界內地下采空區(qū)探測中同樣存在較大的局限性：第一，受采剝作業(yè)影響，露天礦采場干道密集，地形高低不平，導致線圈無法正常布設，工作無法正常開展；第二，與高密度電法類似，受高壓供電線路以及電鏟、鉆機等大型設備電磁干擾影響，探測的準確率難以提高。
圖3瞬變電磁法工作原理示意圖
圖4 瞬變電磁法在某露天煤礦采空區(qū)探測中的應用（左為發(fā)射機、右為接收機）
4.地震映像法
地震映像法也稱為地震共偏移距法。該方法通過在地表由人工激發(fā)地震波，當?shù)刭|體中傳播的地震波遇到物性分界面或波阻抗不同的界面時，會發(fā)生發(fā)射、折射和透射現(xiàn)象，采用高精度的地震儀可對地震波信號進行接收；接收完成后，按等偏移距同步移動激發(fā)和接收信號點，重復上述發(fā)射和接收過程并對地震波信號進行濾波、頻譜分析、振幅恢復等處理后，最終獲得地震映像時間剖面圖，利用獲得的圖像可以觀察釆空區(qū)的分布情況。采用地震映像法探測采空區(qū)的主要特點是可以利用不同的彈性波進行探測，綜合運用時可以項目驗證和補充，采用該方法采集數(shù)據(jù)的速度較快，可以彌補高密度電法和瞬變電磁等探測方法的不足，成本相對較高，一般與其它方法結合使用，是露天煤礦采空區(qū)探測中比較有效的方法。
圖5 小煤窯采空破壞地段的典型時間剖面
5.探地雷達法
探地雷達法又稱為地質雷達法，是通過采用頻率段為106~109Hz的脈沖電磁波來確定地下介質分布情況的一種探測方法。探地雷達法首先利用脈沖發(fā)射天線向地質體內發(fā)射納秒級高頻電磁波，電磁波在遇到地下采空區(qū)后在釆空區(qū)邊界處形成反射，反射回地表的電磁波經(jīng)由接收天線接收，通過對接收到的電磁波波形、震動幅度、頻率、傳播時間以及能量變化等特征進行數(shù)據(jù)分析進而推斷出地下采空區(qū)的空間位置、形狀和埋藏深度等。探地雷達法具有無損、高效、快捷、準確等優(yōu)點。探地雷達系統(tǒng)用于地下洞室探測具有快捷、精確的特征，尤其是對地下空區(qū)、地下人防工程洞室、地下溶洞等的探測更具有優(yōu)越性，可為工程建設、規(guī)劃提供可靠的地質資料。隨著科技的發(fā)展，探地雷達系統(tǒng)的性能指標得以不斷提高。探地雷達的主流發(fā)展趨勢是研發(fā)抗干擾能力強、數(shù)據(jù)釆集速度高、性能穩(wěn)定、探測深度大、分辨率高、處理速度快、便攜式的探地雷達系統(tǒng)。但是，探地雷達法在實際應用中仍然存在著不足之處，如探測深度不高以及電磁信號干擾強導致信噪比低等，故在露天煤礦境界內采空區(qū)探測過程中很難發(fā)揮其優(yōu)點。
圖6雷達成圖原理示意圖
圖7 CAS系列雷達
6.氡氣測量法
露天煤礦采空區(qū)探測還會用到氡氣測量法。沉積巖在沉積過程中或多或少會含有鈾、釷等天然放射性元素，這些放射性母元素在衰變過程中可生成氡氣體，氡氣是一種無色無味的惰性氣體，它的化學性質十分穩(wěn)定，但物理性質十分活撥，能夠溶于水和油等液體中，在地質體中由于受擴散、抽吸、接力傳遞、團族遷移和對流等作用而表現(xiàn)出較強的遷移性，該種氣體能夠從地下深部區(qū)域經(jīng)巖石進入土壤地表中，在采空區(qū)上方、地質構造破碎帶上方、鈾鐳富集地段都可形成氡氣富集，而其附近地段氡的含量則會明顯減少。因此，根據(jù)氡氣含量的異常，可以直接找出采空區(qū)、構造破碎帶、鈾礦體、陷落柱以及地下水資源等。該種探測方法常用于煤礦采空區(qū)的勘測。
圖8 KZ-D02α杯測氡儀
7.綜合探測方法
隨著勘探技術的發(fā)展以及實際工程對勘探精度的不斷提高，待解決的工程問題難度加大，僅憑一種物探方法已經(jīng)無法滿足各種限制條件下的工程要求，而各種物探方法除具有自身的優(yōu)勢外，也都存在一定的局限性，如在強磁場或探測目標為復雜地質體的條件下，一種方法探測結果往往存在較大誤差。為此，綜合物探方法汲取各種物探方法的優(yōu)點，揚長避短，根據(jù)圍巖與采空區(qū)的電性、密度、彈性等多種物性異常對被測采空區(qū)進行探測，將各種物探方法所得數(shù)據(jù)相互印證，使得對異常的判斷更加可靠和準確。綜合物探方法近年來得到了廣泛的應用。
8.三維激光掃描探測法
釆用綜合物探技術對采空區(qū)進行探測，同時結合適量的鉆探驗證可大大提高釆空區(qū)的探測精度，提供更加客觀、全面、準確的分析成果。然而需要指出的是，即便釆用綜合物探技術也很難對復雜地質環(huán)境下或具有復雜圍巖邊界的采空區(qū)進行精確探測，難以滿足露天煤礦實際生產(chǎn)的要求，這種情況下基于激光定位與測距原理的空腔內壁三維探測技術應運而生。
三、小結
目前國內主要采用物探、鉆探以及三維激光探測相結合的方法對露天礦境界內的地下空區(qū)進行探測。即先采用物探法，對境界內地下空區(qū)進行大面積探測，初步確定空腔的位置和埋藏深度，然后根據(jù)空區(qū)物探成果，采用鉆孔探測，準確掌握空腔頂板厚度以及空腔高度，在鉆探的基礎上采用三維激光掃描法對空腔逐一進行精確掃描探測，準確掌握采空區(qū)的面積、埋藏深度、腔體高度等特征參數(shù)。
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