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礦山采空區調查及探測研究
地球物理勘探在礦井地質災害防治工作中扮演重要角色，以下是小編搜集的一篇探究礦山采空區調查的論文范文，歡迎閱讀查看。
我國山西、河北、河南、內蒙古、安徽等地煤炭資源豐富，開采歷史悠久。煤炭資源的大規模開發和利用，在帶來巨大經濟效益和社會效益的同時，也給礦山及周圍生態環境帶來了嚴重的破壞。特別是不少煤礦越界開采、附近小煤窯亂采濫挖、資源整合后煤礦以往的地質和采礦資料丟失嚴重等原因，形成了大量隱性采空區。采空區的形成使地球表面和巖石圈的自然平衡發生破壞和改變，若不及時處理，當這些采空區達到一定的規模就會產生大面積坍塌，這不僅會導致地下水枯竭、耕地破壞、生態環境惡化、房屋下沉裂損，道路變形開裂，還會給經過采空區的高速公路、鐵路、機場等重大工程以及城市建筑的路基、地基穩定性帶來極大威脅。目前，我國僅煤礦采空塌陷區面積已超過7000平方公里，采空區探測問題在煤礦開采中尤為重要。為減輕和預防由地下采空區所引發的地質災害，礦山采空區調查及探測已列入礦山安全生產和區域規劃的重要范疇。
1煤礦采空區形成機理
地下煤層采空后形成具有一定幾何規模的空間稱為采空區。采空區的出現使得周圍巖體原有應力平衡狀態遭到破壞，上覆巖層失去支撐，產生移動變形，直到破壞塌落。隨著煤層開采面積的擴大，上覆巖層自下向上直至地表逐次產生移動、變形、破裂等，由此引起采空區塌陷、回填及地面塌陷下沉。隨著開采的終結及時間的變化，當應力重新分布并達到新的平衡時，巖層與地表移動終止。
1.1采空區上覆巖體的移動
煤層開采后，頂板失去支撐，上覆巖層出現懸空彎曲，靠留設的煤柱或采空區邊界支撐，在重力作用下產生彎曲變形，使得煤層上方巖層受到指向采空區的拉應力作用而產生下沉�？拷簩拥膸r層下沉是由于煤層開采導致采空區內附加應力大于原始壓應力造成的，遠離煤層的巖層下沉是因自重壓應力作用引起的。同時，采空區上覆巖層彎曲對煤柱上方巖體產生的拉應力也是使其移動的動力。在壓應力及拉應力作用下頂板產生橫向移動，下部巖層在水平方向上產生的移動就會對上面巖層產生附加作用力，促使受到影響的巖體在水平方向上發生移動。
1.2采空區上覆巖體的變形
煤層采空區上部巖層出現坍落而形成冒落帶，向上冒落巖塊逐漸增大，似層狀，但已脫離母體巖層;頂板冒落后，由于破碎使體積增大而產生碎脹，導致碎塊間空隙增多，連通性增強，巖體的碎脹程度直接影響其高度。冒落帶上方巖體因彎曲變形過大，在采空區上方產生較大的拉應力，兩側受到較大的剪應力，上覆巖體受到冒落帶破碎巖體的支承而產生垂直于層面方向的裂縫、離層和斷裂，即形成裂隙帶，巖石的整體性受到破壞，但仍保持原有的結構。裂隙帶以上直到地面的彎曲下沉帶巖層，在自重應力作用下只產生彎曲變形而不再破裂。“三帶”的發育情況與煤層的賦存條件、開采深度和厚度、上覆巖層性質、開采方法及頂板管理方法等因素有關。
2煤礦采空區探測
目前，采空區探測方法有現場調查、物探與鉆探。鉆探方法比較直觀，但不適合大范圍采空區和濫采亂挖形成的群采空區。由于采空區介質與圍巖相比，都存在明顯的物性差異，從而具備了地球物理勘探的前提，物探本身還具有快速和大面積普查的優勢，因此在采空區探測中應用較廣。在實際探測中，通常是先收集相關資料和進行現場調查，再利用各種物探方法進行探測，最后以鉆探方法來驗證、修正，使得物探資料解釋更符合實際地質情況。由此可見，物探方法在采空區探測中具有舉足輕重的作用。
3采空區物性特征及探測方法
3.1煤礦采空區物性特征
采空區的物性特征不僅與冒落帶、裂隙帶的范圍、圍巖巖性、充填物及含水程度等有關，還與時間、采深、上覆巖層穩定程度有關。對于正在進行開采的采空區而言，冒落帶、裂隙帶不發育，當采深比較大時，采空區引起的地球物理異常非常弱，探測的效果也較差。對于開采后廢棄的采空區而言，其上覆巖層已達到新的應力平衡狀態，冒落帶、裂隙帶均已發育成熟。冒落帶由于塌陷作用，與完整地層相比，巖性變得疏松、密實度降低，增大了采空區的規模，擴大了異常范圍，有利于采空區的探測。裂隙帶與完整地層相比，雖然巖性沒有發生明顯的變化，但裂隙發育情況較為復雜，再加之內部有松散物或水充填，使得采空區上方的物性受多種因素的影響，變得更為復雜。
(1)電阻率特征
當煤層未被采動時，地層具有成層性和完整性，在小區域內，同一地層的電性差異相差不大。當煤層被采動后，短期內形成一定規模的充氣空間且無填充，其電阻率較圍巖高。經過一段時間后，采空區上覆巖層在重力作用下發生塌陷變形，致使巖層破碎并出現裂縫，若無地下水經裂隙向采空區匯集時，其電阻率較大;若地下水沿破碎巖層和裂縫向采空區匯集并溶解大量的電解質時，呈低電阻高極化特征。
(2)電磁波特征
電磁波會在地下介電常數和電導率發生變化的位置發生反射，引起二者變化的因素主要是介質電性的不同、相對密度的改變、介質含水量的變化等。獨立存在的采空區中充滿空氣，介電常數較上覆巖層及圍巖都大，電導率極小;當上覆巖層塌落下沉，采空區被充填，其介電常數較完整的煤層大，電導率增大，隨著密實程度和含水量的增大，介電常數減小，電導率增大。
(3)地震波特征
煤層與圍巖之間存在明顯的波阻抗差異，當煤層具有足夠厚度時，便可形成良好的煤層反射波。但煤層采空及其頂板遭受破壞后，地層變得疏松，介質密度降低，地層對地震波的吸收頻散衰減作用增強，同時使傳播的地震波速度下降，而它不論被何種介質所充填，在其邊緣部位都存在一個明顯的波阻抗反射界面，采空區內介質和圍巖介質的波速存在明顯的差異。
(4)面波特征
煤層采空區或塌陷區與完整地層相比，地層變得疏松、密實度降低，使傳播于其中的瑞雷波速度下降。當采空區上覆巖層未發生塌陷并以空洞形式保存下來時，瑞雷波傳播到斷裂、破碎和空洞位置時會突然消失或發生散射，在頻散曲線上反映為在采空區頂板處有明顯的“之”字形拐點，且速度迅速下降;當采空區發生塌陷后，引起煤層上部地層結構疏松，使得傳播于其中的瑞雷波速度降低，在頻散曲線上反映受影響地段內瑞雷波速度顯著降低。
(5)密度特征
煤層采掘后形成空區，致使煤系地層質量虧損，當煤礦采空區保存完整時形成低值剩余重力異常;在采空區塌陷而不充水時，質量虧損值不變，但負密度值減小，影響厚度增大;在采空區充水時，虧損質量得到一定補償，比不充水的同樣情況下，負密度值減小，均會產生局部剩余重力異常。
(6)放射性元素分布特征
煤層未采動之前，巖性均勻，地層穩定，地表土體一定深度內，氡氣濃度相對穩定。
而在采煤過程中，地層將不斷受到破壞，氡氣的聚集與散溢環境將發生變化。當采空區未塌陷時，形成的采空區由于其致密性差，通氣性能好，氡氣不斷聚集，形成放射性元素的富集，氡氣沿地層不斷向上運移，在垂向地面土壤層中形成高氡濃度正異常。當發生塌陷區且延伸至地面，由于采空區上覆巖層裂隙度增加，具有豐富的微小通道，對氡氣運移極為有利，但由于塌陷裂隙已經延至地面，其保存條件受到破壞，氡濃度呈現較不穩定的正異常。
3.2煤礦采空區探測方法
3.2.1方法概述
從介質的物理特征參數出發，探測的物探方法很多，各種方法各有所長。瞬變電磁法、高密度電法、探地雷達、地震勘探、瞬態瑞雷波法、氡氣測量等在采空區探測中都發揮著重要作用。
(1)瞬變電磁法
瞬變電磁法是一種時間域的人工源電磁感應探測方法。它利用不接地回線或接地電極向地下發送脈沖式一次電磁場，在一次脈沖磁場的間歇期間，用線圈或接地電極觀測地質體受激而引起的渦流所產生的隨時間變化的感應二次場，低阻體感應二次場衰減速度較慢，二次場電壓較大;高阻體感應二次場衰減速度較快，二次場電壓較小。由此根據二次場衰減曲線特征可判斷地下地質體的電性、規模和產狀等。由于該方法觀測的是純二次場，不存在一次場的背景，所以抗干擾能力強;縱橫分辨率高，勘探深度大，施工效率高;能適應各種不同的地面施工條件，受地形影響較小;發送磁脈沖不受地表高阻體的影響。目前在國內采空區探測領域被廣泛應用。
(2)高密度電法
高密度電法將常規電剖面法和電測深法的特點集于一體，不僅可提供地下一定深度范圍內橫向的電性變化情況，而且還可提供垂向電性的變化特征。它將數根電極以某一固定極距一次性布設完畢，通過供電電極向地下介質供直流(或超低頻流)電流，由測量電極測量電位差，求得該記錄點的視電阻率。通過程控式多路電極轉換器選擇不同的電極組合方式和不同的極距間隔，自動改變供電電極與測量電極的距離和位置，進行疊加觀測，以便測量不同深度的電位差值，完成數據的快速采集。該法具有觀測簡單，工作效率高，采集信息量豐富，物理解釋直觀，探測能力強，精度高等特點，并且在很大程度上減小了因人為改變電極而引起的故障和干擾，實現了野外數據采集的自動化。
(3)可控源音頻大地電磁法
可控源音頻大地電磁法是以有限反接地導線為場源，在距偶極中心一定距離處同時觀測電場和磁場參數的一種電磁測深方法。根據電磁波的趨膚效應理論，當地表電阻率一定時，電磁波的傳播深度(或探測深度)與頻率成反比，由此可以通過改變發射頻率獲得不同探測深度的卡尼亞電阻率，達到頻率測深的目的�？煽卦匆纛l大地電磁法輕便快捷，一次發射可完成多個點的頻率測深，一次布極可完成幾十平方公里的面積測量，工作效率高，抗干擾能力強，受地形影響小，高阻屏蔽作用小，勘探深度大，分辨率高。
(4)探地雷達
探地雷達主要是利用106~109Hz波段的高頻電磁波，通過特定儀器以寬頻帶短脈沖形式經發射天線的發射器送入地下，電磁波在介質中傳播，當遇到存在電性差異的地下目標體時，電磁波便在目標體表面發生反射，反射回的電磁波回到地面并由接收天線所接收。在對接收天線接收到的電磁波進行處理和分析的基礎上，根據接收到的雷達波形、振幅強度、雙程時間等參數推斷地下目標體的空間位置、結構、電性及幾何形態，從而達到對地下隱蔽目標物探測的目的。該方法具有無損、高效、快捷、準確等優點;但是如果地下介質充水或是周圍電磁干擾較大時，其探測精度和深度將受到嚴重影響。
(5)甚低頻電磁法
甚低頻電磁法利用分散在全球各地數十個頻率為15~25kHz的長波電臺發射的電磁波作為場源。當電磁波在傳播過程中遇到地質體時，使其極化產生二次電流，從而引起感應二次場，一般情況下二次場和一次場合成后的總場與一次場的振幅方向、相位均不相同，即引起了一次場的畸變，通過測量某些參數的畸變發現地質異常。該法無需發射設備，裝備極其輕便，工作效率高、成本低，在好多國家得到推廣利用，實踐也表明了用甚低頻電磁法勘查隱伏采空區是有效的。
(6)地震勘探
地震勘探方法多樣化，應用于煤礦采空區的地震勘探主要包括地震反射波法、地震映像法、井間地震。地震勘探具有精度高、分辨率高、探測深度大，數據處理與解釋技術方法先進，反映地質異常明顯等特點。地震反射波法采用人工激發震源，使震源附近的質點產生震動，形成地震波在地下介質中傳播，當遇到兩種不同彈性介質界面時，便產生反射，利用反射波的強度、頻譜、相位、波長、反射波的傳播時間和空間的關系來判斷不同的介質，從而解決相關的地質問題。煤層采空區引起的上覆巖層破壞對地震波有很強的吸收頻散衰減作用，使反射波頻率降低，破碎圍巖及裂隙對地震波衰減還表現為反射波波形變得不規則、紊亂甚至產生畸變，采空區下方巖層因相對完整而變化不明顯，是在地震時間剖面上識別煤層采空區的一個重要標志。
地震映像法是基于反射波法中的追加偏移距技術發展起來的，這種方法可以利用多種地震波作為有效波來進行探測，也可以根據探測目的要求僅采用一種特定的地震波作為有效波進行探測。在測量中，激發后在接收點用單個檢波器接收，儀器記錄后，激發點和接收點同時向前移動一定的距離(點距)，重復上述過程可獲得一條剖面上的地震映像時間剖面。該法具有數據采集速度快，勘探深度不受限制;無需進行校正處理，不但節省了資料處理時間，也避免了動校正對淺層反射波拉伸、畸變的影響;多種地震波信息的利用極大提高了解釋的準確度。
井間地震(也稱地震波層析成像技術，或鉆孔彈性波CT技術)是將震源與檢波器都置入井中進行地震波觀測的新型物探方法。在震源井的預定位置上設置震源點，在接收井中設置接收點，布置檢波器，目前多采用共炮點數據采集、共接收點數據采集、炮點接收點平行同步移動觀測等。通過井間水平距離、震源點與接收點的垂直距離、初至時間計算出地震波在震源點和接收點之間的實際傳播速度，再用實際速度和理論速度的百分比來評價采空區上方地層的壓實程度，推測采空區范圍。
(7)瞬態瑞雷波法
瞬態瑞雷波法是由地面一點激發出不同頻率的瞬態瑞雷波，波沿地面表層傳播，同一頻率的傳播特性反映了介質在水平方向的變化情況，不同頻率的傳播特性反映了不同深度的介質變化。該方法是利用瞬態瑞雷波在層狀介質中傳播時，相速度隨頻率變化而變化，有明顯的頻散特性，頻散特性與地層瑞雷波相速度及空間分布有唯一的對應關系;瑞雷波與橫波、縱波相比能量強、波速較小，分辨率高，重復性好;瑞雷波相速度與層內橫波速度有著明顯的相關性;瑞雷波的穿透深度與激發波長有關等特點來確定采空區、塌陷區的范圍及頂板埋深。
(8)重力勘探
重力勘探方法是在萬有引力定律和重力加速度基礎上，利用地下地質體質量虧損或盈余，在地表觀測他們引起的重力異常，從而確定地下地質體的分布、大小邊界等。由于采空區形成質量虧損，密度較圍巖變小，從而形成低重力異常。使用高密度、高精度微重力測量和適當的資料處理解釋方法，在面積上控制采空區范圍。
(9)放射性測量
在采空區探測中常用的放射性方法是氡氣測量。當有采空區存在時，放射性氡氣通過采空區的儲氣、集氣、通道三個作用，向采空區運移、集聚，在地表形成一個與采空區形態相對應的氡氣異常區，可以通過測量地表氡元素的濃度來準確圈定煤礦采空區的位置和范圍。由于該方法測試場地的適應性較強，不受地電地磁影響，探測深度較大，在采空區探測中有良好的應用效果�，F在常用的有活性碳吸附法、常規氧氣測量、α徑跡蝕刻測量、α杯測量、Po測量、α聚集器測量和熱釋光測量等等。
(10)激光三維掃描法
激光三維掃描法是利用激光的高精確度對地下采空區的大小、位置進行三維探測的新型方法。激光三維掃描儀能迅速記錄與所觀測對象有關的大量三維數據信息，探測精確，直觀、分辨率高，通過三維模擬可建立采空區的空間立體模型;但是由于需要鉆孔，所以探測周期較長，勞動強度大，且容易受環境影響，探測深度有限，目前在金屬礦山采空區探測得以應用，將此法應用于煤礦采空區及塌陷區探測的為數不多。
3.2.2方法選擇原則
由于采空區形成原因的復雜性，其形態特征及空間分布都無規律可循。在現有的科學技術和儀器設備條件下，科學合理地選擇功能強、技術可行、數據可靠、經濟合理、適用性好、操作方便的探測方法是探明采空區，解除安全隱患的先決條件。因實際情況而異，但大體要遵循物性差異、儀器設備、工作效率及成本等原則。
(1)根據采空區與圍巖的電、重、震、放射性等物性差異選擇探測效果明顯、能清晰反映異常特征的勘探方法。
(2)所選儀器設備應盡量輕便、操作簡便、抗外界干擾能力強、分辨率高;在野外可實現快速化、自動化和智能化測量。
(3)測點測線布置以能夠控制探測目標體為重，可適當增加測點測線進行對比驗證。
(4)盡量選擇從地表直接進行探測的技術方法，這樣既不受井下惡劣環境與工作條件的影響，又能極大地降低探測人員的勞動強度。
(5)采用地表探測方法既不破壞礦體的完整性和穩固性，又能節省大量工程費用，對礦山資源的回收有利，探測成本也較低。
4結論
地球物理勘探在礦井地質災害防治工作中扮演重要角色，特別是煤礦采空區調查中，只要物性前提具備、工作方法選擇恰當，可以較為準確、快速的確定采空區的位置、分布范圍及富水情況，從而為礦井工作面布置、開采方式選擇等提供科學依據，為防止出水淹井、礦區地面下沉、房屋開裂倒塌等事故提供可靠的地質資料。
參考文獻：
[1]高遠,趙偉,李紅.煤礦采空區四維地震勘探技術研究[J].合肥工業大學學報,2009,32(9):1391~1393.
[2]呂遠強,欒長青.煤礦采空區上覆巖(土)層變形特征分析[J].陜西煤炭,2009,(5):31~33.
[3]楊建軍,吳漢寧,馮兵,等.煤礦采空區探測效果研究[J].煤田地質與勘探,2006,34(1):67~69
[4]許新剛.高密度電法在煤礦采空區探測中的應用[J].能源技術與管理,2006,(5):12~13.
[5]劉菁華,王祝文,朱士,等.煤礦采空區及塌陷區的地球物理探查[J].煤炭學報,2005,30(6):715~719.
[6]李娟娟,潘冬明,胡明順,等.煤礦采空區探測的幾種工程物探方法的應用[J].工程地球物理學報,2009,6(6):728~732.
[7]常鎖亮,張淑婷,李貴山,等.多道瞬態瑞雷波法在探測煤礦采空區中的應用[J].中國煤田地質,2002,14(3):70~72.
[8]吳成平,胡祥云.采空區的物探勘查方法[J].地質找礦論叢,2007,22(1):19~23.
[9]申旭雅.物探在地表探測煤礦采空區中的應用[J].山西建筑,2008,34(27):126~128.
[10]楊華,劉鴻福.測氡在煤礦采空區的應用[J].山西煤炭,2002,23(2):38~40.
[11]向守軒,夏波,韓世禮.可控源音頻大地電磁法在工程隧道勘查中的應用[J].西部探礦工程,2007,(10):173~175.
[12]徐萱.甚低頻電磁法在隱伏采空區勘察中的應用[J].石家莊經濟學院學報,1994,17(3):257~260.
[13]劉愛華,鄭鵬.影響采空區精確探測關鍵因素的分析研究[J].采礦與安全工程學報,2008,25(2):132~138.
[14]朱寶金,郝志東,張引良,等.采空區探測及處理[J].露天采煤技術,2002,(3):39~41.
[15]黃群.測氡和瞬變電磁法在煤礦采空區探測中的應用[J].山西焦煤科技,2008,(5):22~24.
[16]楊建軍,申燕,劉鴻福.測氡法和瞬變電磁法在探測煤礦采空區的應用[J].物探與化探,2008,32(6):661~664.
[17]過江,古德生,羅周全.金屬礦山采空區3D激光探測新技術[J].礦冶工程,2006,26(5):16~19.
[18]李夕兵,李地元,趙國彥,等.金屬礦地下采空區探測、處理與安全評判[J].采礦與安全工程學報,2006,23(1):24~27.
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