［摘 要］本文在研究国内外采空区探测技术的基础上，对采空区探测方法进行了分类，分析了各种方法地球物理场的特点及解决问题的优势和缺陷，提出了根据采空区的特点，建立探测方法的数学物理模型，优化综合探测技术，提高探测结果准确性和可靠性的结论。
［关键词］采空区 地球物理探测 发展趋势
1 采空区探测的目的与意义
矿产作为一种重要的资源，其开采形成的采空由于历史的原因，大多未进行有效地治理，而处于废弃状态，有的采空区出现了大面积的地面沉陷，有的采空出现了地面裂隙，有的尚未出现明显的反映，采空作为人类活动产生的潜在地质灾害之一，给矿山的安全生产、工程建设和人民的生命财产造成了严重的威胁。要对采空区治理，对采空区的地理位置、埋深、现状情况进行了解是关键，只有对采空区的空间分布状态有了充分的了解，治理才能有的放矢。因此,为减轻和预防由地下采空区所引发的地质灾害,建立地质灾害预警系统,探索用综合物探方法探测采空区的分布，为评价和治理提供依据是十分迫切和有意义的。目前,采空区的探测已经成为一项重要的研究课题,但是仍处于发展阶段。
2 采空区探测方法的研究现状
采空区的探测，目前，国内外主要是以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。其中，美国等西方发达国家以物探方法为主，而我国目前以钻探为主，物探为辅。在美国，采空区等地下空洞探测技术全面，电法、电磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平。其中，高密度电阻率法、高分辨率地震勘探技术尤为突出，且近年来在地震CT技术方面也发展迅速。日本的工程物探技术在国外同行业中处于领先地位，应用最广泛的是地震波法，此外，电法、电磁法及地球物理测井等方法也应用得比较多，特别是日本VIC公司80年代开发研制的“GR-810”型佐藤式全自动地下勘察机，在采空区、岩溶等空洞探测中效果良好，且后续推出的一系列产品都处于国际领先水平。欧洲等国家工程物探技术也较全面，在采空区的探测上，俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、地震反射波法、井间电磁波透射、射气测量技术等，英、法等国家以地质雷达方法应用较好，微重力法、浅层地震法也有使用。
国内近年来在利用地球物理勘探技术查明地下采空区方面作了大量的工作，采空区的探测成了工程地球物理的热点和难点问题，引起了地球物理学者的广泛关注，投入了各种各样的方法和技术，在各种物探方法中,根据其所研究地球物理场的不同,通常可分为以下几大类:
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①以地下介质密度差异为基础,研究重力场变化的方法称为重力勘探；②以介质磁性差异为基础,研究地磁场变化规律的方法称为磁法勘探；③以介质电性差异为基础,研究天然或人工电场 (或电磁场)的变化规律的方法称为电法勘探(或电磁法勘探)；④以介质弹性差异为基础,研究波场变化规律的方法称为地震勘探； ⑤以介质放射性差异为基础,研究辐射场变化特征的方法称为放射性勘探；⑥以地下热能分布和介质导热性为基础,研究地温场变化的方法称为地热测量等。主要探测方法分类如上图。
2.1 重力勘探方法
重力勘探方法是利用地下地质体质量亏损或盈余,在地表观测他们引起的重力异常，从而确定地下地质体的分布、大小、边界等。采空区因开采形成质量亏损,从而形成低重力异常。在煤矿采空区保存完整时,形成低值剩余重力异常。在采空区塌陷而不充水时,质量亏损值不变,但负密度值减小而影响厚度增大；充水时,亏损质量得到一定补偿,比在不充水的同样情况下,负密度值减小。无论在采空区实际存在哪种情况,按一般规律都可测出局部剩余重力异常。使用高密度、高精度微重力测量和适当的资料处理解释方法,在面积上控制采空区范围。采用数字地形多剖分体高精度地改方法及三维解释方法,以达到提高解释精确性。
2.2 电磁方法
(1)高密度电阻率层析成像法
在现场测量时,将全部电极设置在一定间隔的测线上,然后用多芯电缆将其连接到程控式多路电极转换器上,使电极布设一次完成。为了准确、快速地采集大量数据,测量时通过程序控制实现电极排列方式、极距和测点的快速转换。并利用与系统配套的电法处理软件,对采集的数据进行各种处理,结果进行图示,使解释工作更加方便、直观。李清林等［1］利用某电厂采空区和电阻率层析成像测量的结果,探讨了电阻率层析成像测量在煤矿采空区和斜风井巷道中的应用，结果表明,电阻率层析成像二维测量方法在煤矿采空区和斜风井巷道的探测和定位是准确和可行的；煤矿采空区和斜风井巷道内若没有水体存在,电阻率层析成像二维测量成果图中一般都是高阻异常封闭圈,如有水体存在则表现为低阻异常封闭圈。
(2)瞬变电磁法
瞬变电磁法是向地下发送一次脉冲磁场的间歇期间,观测由地下地质体受激引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场,二次场的大小与地下地质体的电性有关:低阻地质体感应二次场衰减速度较慢,二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减速度较快,二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征,就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等,由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势,对二次电位进行归一化处理后,根据归一化二次电位值的变化,间接解决如陷落柱、采空区、断层等地质问题。该方法具有分辨能力强、工作效率高、受地形影响小、能穿透高阻覆盖层等优势,迅速发展成为高效、快捷的物探方法。刘君［2］将瞬变电磁法应用于某采空区探测,效果良好，不仅推断出地下采空区的范围,而且判断了采空区的积水情况。
(3)甚低频电磁法
甚低频电磁法一般用频率为15～25 kHz电台发射的电磁波作为场源。当电磁波在传播过程中遇到地质体时,使其极化而产生二次电流,从而引起感应二次场,一般情况下二次场和一次场合成后的总场与一次场的振幅方向、相位均不相同,即引起了一次场的畸变。使用专门的仪器通过测量某些参数的畸变,可发现采空区的存在。甚低频电磁法工作方法通常又分倾角法和波阻抗法两种，在探测高阻体时,一般选用波阻抗法进行甚低频电磁法测量,测线方向尽量与发射台方向一致或与该方向夹角最小。
(4)探地雷达
探地雷达是利用高频电磁波以宽频带短脉冲,从地面通过天线T送入地下,经反射体反射后返回地面,通过天线R接收。在介质中传播时,其电磁波强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。所以,根据接收到波的双程走时、幅度与波形资料,可推断介质的结构。探地雷达适用于探测深度较浅的目标体,由于可以更换不同频率的天线,适用面较广,且探测分辨率高,在工程中的应用已经得到认同。探地雷达数据可采用专用软件进行处理,着重进行振幅恢复、滤波、F-K滤波、反褶积处理,获得信噪比较高的时间剖面,提高了有用信号的识别,雷达时间剖面比较真实全面地反映了地下介质的变化情况,保证了资料质量,并利用地下介质的电性差异来进行分层及查明地下异常地质体。该方法具有快捷、精确的特点,尤其是对地下采空区、人防工程洞室、地下溶洞等的探测更具有优越性。
(5)MT、AMT、HMT和CSAMT法
大地电磁法（MT）、音频大地电磁法（AMT）和高频大地电磁法（HMT）本质上都属于采集天然场信号的被动源频率域电磁方法，差别在于采集信号的频率不同，相应的探测深度和分辨率不同。高频大地电磁法（HMT）采集的信号频率较高，最高可达100KHz，研究的深度较浅，从地下的十几米至上千米。这个深度范围内恰是人类矿山开采、地下工程建设、地下水资源开发等生产活动最活跃的深度。因此，高频大地电磁法在短短的十多年来无论在理论研究，还是仪器实现方面都获得了极大的发展，已成为中深度采空区探测的主要方法［3］。该方法不需要人工场源，成本低廉，具有较大的勘探深度，不受高阻层屏蔽的影响，对低阻层有较高的分辨能力。
可控源音频大地电磁法（CSAMT）是利用两端接地的有限长导线作为发射源，使用人工源激发交变电磁场，在地表观测电磁响应并计算波阻抗以及视电阻率进行勘探的一种方法。由于可控源电磁法具有高分率的特点，能够在电性上地质异常，成为采空区探测的方法之一。该方法的最大的特点是采用人工场源，大大增加了电磁信号的强度，弥补了天然场源信号微弱，不易观测等缺点。但是该方法由于场源的存在，也有着其固有的不足，如场源附加效应，近区效应，场源阴影效应，过渡带效应及设备笨重等，在一定程度上影响了该方法的应用。
2.3 地震勘探
地震勘探是利用地层和岩石的弹性差异来探测地质构造、寻找有用矿产资源的重要地球物理勘测方法。波在传播过程中,当遇到弹性分界面将产生反射、折射和透射,接受其中不同的波,就构成了不同的地震勘探方法。在采空区探测中,地震方法也得到广泛的应用。
(1)浅层地震反射波法
地震反射波法是利用人工激发的地震波在地层的传播过程中,在波阻抗界面上产生的反射信号进行分析,用以推断界面深度、构造形态及其物性参数。在煤层采空区引起的上覆岩层破坏对地震波有很强的吸收频散衰减作用,使反射波频率降低,破碎围岩及裂隙对地震波衰减还表现为反射波波形变得不规则、紊乱甚至产生畸变,采空区下方则由于岩层相对完整而变化不明显,是在地震时间剖面上识别煤层采空区的另一个重要标志。即煤层采空及其顶板遭受破坏后,在地震时间剖面上反射波组的中断或消失,同时煤层顶部结构的不规则破坏,也将产生各种低频干扰。
(2)瑞雷波法
常规物探方法在对“房-柱”式开采造成的面较小、埋深较浅的采空区进行探测时存在漏报或误报的情况。而瑞雷波法在采空区探测中更具实用性和有效性。瑞雷波是一种沿着自由界面传播的面波,如地层与空气、水之间形成的界面。瑞雷波在层状介质中传播时,相速度随频率变化而变化,有明显的频散特性,频散特性与地层瑞雷波相速度及空间分布有惟一的对应关系;瑞雷波与横波、纵波相比能量强、波速较小,容易分辨且分辨率高,重复性好;瑞雷波相速度与层内的横波速度有着明显的相关性,当地层的泊松比较大时,瑞雷波的相速度与横波速度相差小于5%;瑞雷波的穿透深度与激发波长有关,其穿透深度为一个波长,激发的频率越低,勘探深度越大。当采空区未发生塌陷时,瑞雷波传播到这些位置时将突然消失或散射,频散曲线在采空区顶板处表现为“之”字形拐点,而且速度迅速下降,从而可以在纵向上确定未塌采空区的范围;当采空区发生塌陷后,引起煤层上部地层结构疏松,瑞雷波速度降低,在频散曲线上,受影响地段瑞雷波速度显著降低,据此可以在横向上确定出塌陷区的范围,在纵向上确定出塌陷影响范围［4］。
(3)钻孔弹性波CT
弹性波CT方法,又称地震波层析成像技术。这种技术利用大量的地震波速度信息进行专门的反演计算,得到测区内岩土体弹性波速度的分布规律。钻孔弹性波CT是近年来随弹性波CT技术发展起来的,旨在探测钻孔间的地质构造情况。方法是在一个钻孔内不同深度放炮,在其他钻孔内安置检波器接收,从所获得的地震记录中拾取地震纵波初至,通过不同的数学方法在计算机上重建探测区内速度场,利用速度分布对应各种地质异常的分布或应力分布,直观地以剖面形式给出两钻孔间地质异常体赋存的状态,从而确定异常范围。
2.4 放射性测量
自然界中存在的天然放射性同位素广泛存在于岩石、土壤和水体中,不同岩性和不同类型的土壤放射性元素含量不同。在采空区探测中常用的放射性方法是氡气测量。由于该方法测试场地的适应性较强,而且不受地电、地磁影响,探测深度较大,在采空区探测中有良好的应用效果。氡是天然放射性铀系气体元素,直接母体是镭,铀又是镭的母体,母体元素的含量水平在一定程度上决定了岩石、土壤中氡浓度的高低。由于团族迁移、接力传递、扩散、对流、抽吸等作用,其表现出很强的迁移作用,容易从深部向上扩散并进入土壤中。因此,在铀镭富集地段、地质构造破碎带上方、采空区上方都可形成氡的富集,而在其附近地段氡含量明显减少。这是寻找铀矿体、构造破碎带、采空区、陷落柱及地下水资源等的重要依据［5］。山西煤田水文地质队多次将氡气测量法应用于地下采空区的探测,为了查明山西万家寨引黄工程北干线1号隧洞附近煤矿采空区及对引水隧洞的影响,对采空区进行综合地质勘查时使用了氡气测量法,收到了很好的应用效果。
3 探测方法的发展趋势
随着科学技术的发展和计算机技术的应用,许多新方法、新技术不断地被引入物探领域,为地球物理方法的进一步发展开辟了广阔的前景。由于地球物理方法是以观测各种地球物理场的变化规律为基础的,因此,当应用物探方法来解决各种地质问题时,它必须具有一定的地质及地球物理条件,才能取得满意的效果。这在采空区探测中也不例外。这些条件主要是:
①探测对象与周围介质之间有比较明显的物性差异； ②探测对象必须具有一定的规模(即其大小相对于埋藏深度必须有相应的规模),能产生在地面上可观测的地球物理异常场； ③各种干扰因素产生的干扰场相对于有效异常场必须足够小,或具有不同的特征,以便能进行异常的识别。这些条件也就是物探工作能取得良好效果的前提。 ④在物探资料的解释中还存在多解性的问题,即对于同一异常场有时可得出不同的地质解释。这种情况往往是由于复杂的地质条件和地球物理场理论自身的局限性造成的。为了克服这种多解性的影响,应尽可能地利用多种物探方法的成果,尤其是已知的地质资料,进行综合分析解释,以便得到确切的地质结果。
随着勘探工作的不断深入,人们要求的勘探的精度不断提高,待解决问题的复杂性和难度加大,单一物探方法已不能满足新形势的要求,虽然有的方法优点明显,但是单一方法往往对地质异常体很难定性,因此综合物探方法得到了广泛应用。综合物探方法根据地质体的密度、电性、弹性等多种物性对采空区进行探测,应用各种方法相互印证,使异常的确定更加准确、可靠。
4 结束语
近年来随着对采空区治理的重视，采空区的探测技术的研究也得到了全面发展，采空区的探测问题已成为我国工程地球物理学者研究的热门问题之一，采空区成了地球物理方法实验研究的热门对象，投入了各种各样的方法和技术，对这些方法进行了系统的分析、实验、比较和评价，取得了一些成果。但由于采空区自身的特殊性和地球物理方法的局限性、多解性，传统的单一的方法和单一内容的探测已不能满足工程需要，如何针对采空区的特点，建立各种方法的数学物理模型，优化探测方法，是一个值得深入研究的课题。
参考文献
［1］李清林,谢汝一,王兰甫,等.应用电阻率层析成像探测采空区、斜风井巷道稳定性计算［J］. CT理论与应用研究,2005,14 (3):1-7.
［2］刘君.瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用［J］.科技情报开发与经济,2005,15(16):281-282.
［3］刘鸿泉,张刚艳,徐法奎,等.电导率成像技术在煤矿物探中的应用效果［J］.煤矿开采,2005,10(3):12-14.
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［5］郭崇光,李敬宇,刘君.氡气测量在山西采空区探测中的应用 ［J］.科技情报开发与经济,2004,24(1):180-181.