李耀華，李 旭

(北京航天勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100070)

0 引言

中國山西、河北、河南、內(nèi)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(guī)模開發(fā)和利用，在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的同時(shí)，也給礦山及周圍生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)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(zhì)和采礦資料丟失嚴(yán)重等原因，形成了大量隱性采空區(qū)。采空區(qū)的形成使地球表面和巖石圈的自然平衡發(fā)生破壞和改變，若不及時(shí)處理，當(dāng)這些采空區(qū)達(dá)到一定的規(guī)模就會產(chǎn)生大面積坍塌，這不僅會導(dǎo)致地下水枯竭、耕地破壞、生態(tài)環(huán)境惡化、房屋下沉裂損、道路變形開裂，還會給經(jīng)過采空區(qū)的高速公路、鐵路、機(jī)場等重大工程以及城市建筑的路基、地基穩(wěn)定性帶來極大威脅。目前，中國僅煤礦采空塌陷區(qū)面積已超過7 000 km2［1］，采空區(qū)探測問題在煤礦開采中尤為重要。為減輕和預(yù)防由地下采空區(qū)所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，礦山采空區(qū)調(diào)查及探測已列入礦山安全生產(chǎn)和區(qū)域規(guī)劃的重要范疇。

1 采空區(qū)形成機(jī)理

地下煤層采空后形成具有一定幾何規(guī)模的空間稱為采空區(qū)。采空區(qū)的出現(xiàn)使得周圍巖體原有應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，上覆巖層失去支撐，產(chǎn)生移動變形，直到破壞塌落。隨著煤層開采面積的擴(kuò)大，上覆巖層自下向上直至地表逐次產(chǎn)生移動、變形、破裂等，由此引起采空區(qū)塌陷、回填及地面塌陷下沉。隨著開采的終結(jié)及時(shí)間的變化，當(dāng)應(yīng)力重新分布并達(dá)到新的平衡時(shí)，巖層與地表移動才會終止。

1.1 采空區(qū)上覆巖體的移動

煤層開采后，頂板失去支撐，上覆巖層出現(xiàn)懸空彎曲，靠留設(shè)的煤柱或采空區(qū)邊界支撐，在重力作用下產(chǎn)生彎曲變形，使得煤層上方巖層受到指向采空區(qū)的拉應(yīng)力作用而產(chǎn)生下沉?？拷簩拥膸r層下沉是由于煤層開采導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)附加應(yīng)力大于原始壓應(yīng)力造成的，遠(yuǎn)離煤層的巖層下沉是因自重壓應(yīng)力作用引起的。同時(shí)，采空區(qū)上覆巖層彎曲對煤柱上方巖體產(chǎn)生的拉應(yīng)力也是使其移動的動力。在壓應(yīng)力及拉應(yīng)力作用下頂板產(chǎn)生橫向移動，下部巖層在水平方向上產(chǎn)生的移動就會對上面巖層產(chǎn)生附加作用力，促使受到影響的巖體在水平方向上發(fā)生移動。

1.2 采空區(qū)上覆巖體的變形

煤層采空區(qū)上部巖層出現(xiàn)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(chǎn)生碎脹，導(dǎo)致碎塊間空隙增多，連通性增強(qiáng)，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(qū)上方產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，兩側(cè)受到較大的剪應(yīng)力，上覆巖體受到冒落帶破碎巖體的支承而產(chǎn)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(jié)構(gòu)。裂隙帶以上直到地面的彎曲下沉帶巖層，在自重應(yīng)力作用下只產(chǎn)生彎曲變形而不再破裂?！叭龓А钡陌l(fā)育情況與煤層的賦存條件、開采深度和厚度、上覆巖層性質(zhì)、開采方法及頂板管理方法等因素有關(guān)［2］。

2 采空區(qū)探測

目前，采空區(qū)探測方法有現(xiàn)場調(diào)查、物探與鉆探。鉆探方法比較直觀，但不適合大范圍采空區(qū)和濫采亂挖形成的群采空區(qū)。由于采空區(qū)介質(zhì)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(yōu)勢，因此在采空區(qū)探測中應(yīng)用較廣。在實(shí)際探測中，通常是先收集相關(guān)資料和進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，再利用各種物探方法進(jìn)行探測，最后以鉆探方法來驗(yàn)證、修正，使得物探資料解釋更符合實(shí)際地質(zhì)情況。由此可見，物探方法在采空區(qū)探測中具有舉足輕重的作用。

3 采空區(qū)物性特征

采空區(qū)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(guān)，還與時(shí)間，采深，上覆巖層穩(wěn)定程度有關(guān)。對于正在進(jìn)行開采的采空區(qū)而言，冒落帶、裂隙帶不發(fā)育，當(dāng)采深比較大時(shí)，采空區(qū)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(qū)而言，其上覆巖層已達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，冒落帶、裂隙帶均已發(fā)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(shí)度降低，增大了采空區(qū)的規(guī)模，擴(kuò)大了異常范圍，有利于采空區(qū)的探測［3］。裂隙帶與完整地層相比，雖然巖性沒有發(fā)生明顯的變化，但裂隙發(fā)育情況較為復(fù)雜，再加之內(nèi)部有松散物或水充填，使得采空區(qū)上方的物性受多種因素的影響，變得更為復(fù)雜。

3.1 電阻率特征

當(dāng)煤層未被采動時(shí)，地層具有成層性和完整性，在小區(qū)域內(nèi)，同一地層的電性差異相差不大［4］。當(dāng)煤層被采動后，短期內(nèi)形成一定規(guī)模的充氣空間且無填充，其電阻率較圍巖高。經(jīng)過一段時(shí)間后，采空區(qū)上覆巖層在重力作用下發(fā)生塌陷變形，致使巖層破碎并出現(xiàn)裂縫，若無地下水經(jīng)裂隙向采空區(qū)匯集時(shí)，其電阻率較大;若地下水沿破碎巖層和裂縫向采空區(qū)匯集并溶解大量的電解質(zhì)時(shí)，呈低電阻高極化特征［5］。

3.2 電磁波特征

電磁波會在地下介電常數(shù)和電導(dǎo)率發(fā)生變化的位置發(fā)生反射，引起二者變化的因素主要是介質(zhì)電性的不同、相對密度的改變、介質(zhì)含水量的變化等。獨(dú)立存在的采空區(qū)中充滿空氣，介電常數(shù)較上覆巖層及圍巖都大，電導(dǎo)率極小;當(dāng)上覆巖層塌落下沉，采空區(qū)被充填，其介電常數(shù)較完整的煤層大，電導(dǎo)率增大，隨著密實(shí)程度和含水量的增大，介電常數(shù)減小，電導(dǎo)率增大。

3.3 地震波特征

煤層與圍巖之間存在明顯的波阻抗差異，當(dāng)煤層具有足夠厚度時(shí)，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(zhì)密度降低，地層對地震波的吸收頻散衰減作用增強(qiáng)，同時(shí)使傳播的地震波速度下降，而它不論被何種介質(zhì)所充填，在其邊緣部位都存在一個(gè)明顯的波阻抗反射界面，采空區(qū)內(nèi)介質(zhì)和圍巖介質(zhì)的波速存在明顯的差異［6］。

3.4 面波特征

煤層采空區(qū)或塌陷區(qū)與完整地層相比，地層變得疏松、密實(shí)度降低，使傳播于其中的瑞雷波速度下降。當(dāng)采空區(qū)上覆巖層未發(fā)生塌陷并以空洞形式保存下來時(shí)，瑞雷波傳播到斷裂、破碎和空洞位置時(shí)會突然消失或發(fā)生散射，在頻散曲線上反映為在采空區(qū)頂板處有明顯的“之”字形拐點(diǎn)，且速度迅速下降;當(dāng)采空區(qū)發(fā)生塌陷后，引起煤層上部地層結(jié)構(gòu)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(nèi)瑞雷波速度顯著降低［7］。

3.5 密度特征

煤層采掘后形成空區(qū)，致使煤系地層質(zhì)量虧損，當(dāng)煤礦采空區(qū)保存完整時(shí)形成低值剩余重力異常;在采空區(qū)塌陷而不充水時(shí)，質(zhì)量虧損值不變，但負(fù)密度值減小，影響厚度增大;在采空區(qū)充水時(shí)，虧損質(zhì)量得到一定補(bǔ)償，比不充水的同樣情況下，負(fù)密度值減小，均會產(chǎn)生局部剩余重力異常［8］。

3.6 放射性元素分布特征

煤層未采動之前，巖性均勻，地層穩(wěn)定，地表土體一定深度內(nèi)，氡氣濃度相對穩(wěn)定［9］。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(huán)境將發(fā)生變化。當(dāng)采空區(qū)未塌陷時(shí)，形成的采空區(qū)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(yùn)移，在垂向地面土壤層中形成高氡濃度正異常。當(dāng)發(fā)生塌陷區(qū)且延伸至地面，由于采空區(qū)上覆巖層裂隙度增加，具有豐富的微小通道，對氡氣運(yùn)移極為有利，但由于塌陷裂隙已經(jīng)延至地面，其保存條件受到破壞，氡濃度呈現(xiàn)較不穩(wěn)定的正異常［10］。

4 采空區(qū)探測方法

4.1 方法概述

從介質(zhì)的物理特征參數(shù)出發(fā)，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(dá)、地震勘探、瞬態(tài)瑞雷波法、氡氣測量等在采空區(qū)探測中都發(fā)揮著重要作用。

4.1.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法是一種時(shí)間域的人工源電磁感應(yīng)探測方法。它利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)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(zhì)體受激而引起的渦流所產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的感應(yīng)二次場，低阻體感應(yīng)二次場衰減速度較慢，二次場電壓較大;高阻體感應(yīng)二次場衰減速度較快，二次場電壓較小。由此根據(jù)二次場衰減曲線特征可判斷地下地質(zhì)體的電性、規(guī)模和產(chǎn)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(qiáng);縱橫分辨率高，勘探深度大，施工效率高;能適應(yīng)各種不同的地面施工條件，受地形影響較小;發(fā)送磁脈沖不受地表高阻體的影響。目前在國內(nèi)采空區(qū)探測領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

4.1.2 高密度電法

高密度電法將常規(guī)電剖面法和電測深法的特點(diǎn)集于一體，不僅可提供地下一定深度范圍內(nèi)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(shù)根電極以某一固定極距一次性布設(shè)完畢，通過供電電極向地下介質(zhì)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(diǎn)的視電阻率。通過程控式多路電極轉(zhuǎn)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(jìn)行疊加觀測，以便測量不同深度的電位差值，完成數(shù)據(jù)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(qiáng)，精度高等特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)了野外數(shù)據(jù)采集的自動化。

4.1.3 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(dǎo)線為場源，在距偶極中心一定距離處同時(shí)觀測電場和磁場參數(shù)的一種電磁測深方法。根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，當(dāng)?shù)乇黼娮杪室欢〞r(shí)，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(fā)射頻率獲得不同探測深度的卡尼亞電阻率，達(dá)到頻率測深的目的。可控源音頻大地電磁法輕便快捷，一次發(fā)射可完成多個(gè)點(diǎn)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(qiáng)，受地形影響小，高阻屏蔽作用小，勘探深度大，分辨率高［11］。

4.1.4 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)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(jīng)發(fā)射天線的發(fā)射器送入地下，電磁波在介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到存在電性差異的地下目標(biāo)體時(shí)，電磁波便在目標(biāo)體表面發(fā)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(jìn)行處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)接收到的雷達(dá)波形、振幅強(qiáng)度、雙程時(shí)間等參數(shù)推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而達(dá)到對地下隱蔽目標(biāo)物探測的目的。該方法具有無損、高效、快捷、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn);但是如果地下介質(zhì)充水或是周圍電磁干擾較大時(shí)，其探測精度和深度將受到嚴(yán)重影響。

4.1.5 甚低頻電磁法

甚低頻電磁法利用分散在全球各地?cái)?shù)十個(gè)頻率為15～25 kHz的長波電臺發(fā)射的電磁波作為場源。當(dāng)電磁波在傳播過程中遇到地質(zhì)體時(shí)，使其極化產(chǎn)生二次電流，從而引起感應(yīng)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(shù)的畸變發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常。該法無需發(fā)射設(shè)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(shí)踐也表明了用甚低頻電磁法勘查隱伏采空區(qū)是有效的［12］。

4.1.6 地震勘探

地震勘探方法多樣化，應(yīng)用于煤礦采空區(qū)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(shù)據(jù)處理與解釋技術(shù)方法先進(jìn)，反映地質(zhì)異常明顯等特點(diǎn)。

地震反射波法采用人工激發(fā)震源，使震源附近的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生震動，形成地震波在地下介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到兩種不同彈性介質(zhì)界面時(shí)，便產(chǎn)生反射，利用反射波的強(qiáng)度、頻譜、相位、波長、反射波的傳播時(shí)間和空間的關(guān)系來判斷不同的介質(zhì)，從而解決相關(guān)的地質(zhì)問題。煤層采空區(qū)引起的上覆巖層破壞對地震波有很強(qiáng)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(xiàn)為反射波波形變得不規(guī)則、紊亂甚至產(chǎn)生畸變，采空區(qū)下方巖層因相對完整而變化不明顯，是在地震時(shí)間剖面上識別煤層采空區(qū)的一個(gè)重要標(biāo)志。

地震映像法是基于反射波法中的追加偏移距技術(shù)發(fā)展起來的，這種方法可以利用多種地震波作為有效波來進(jìn)行探測，也可以根據(jù)探測目的要求僅采用一種特定的地震波作為有效波進(jìn)行探測。在測量中，激發(fā)后在接收點(diǎn)用單個(gè)檢波器接收，儀器記錄后，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)同時(shí)向前移動一定的距離(點(diǎn)距)，重復(fù)上述過程可獲得一條剖面上的地震映像時(shí)間剖面。該法具有數(shù)據(jù)采集速度快，勘探深度不受限制;無需進(jìn)行校正處理，不但節(jié)省了資料處理時(shí)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(zhǔn)確度［13］。

井間地震(也稱地震波層析成像技術(shù)，或鉆孔彈性波CT技術(shù))是將震源與檢波器都置入井中進(jìn)行地震波觀測的新型物探方法。在震源井的預(yù)定位置上設(shè)置震源點(diǎn)，在接收井中設(shè)置接收點(diǎn)，布置檢波器，目前多采用共炮點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、共接收點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、炮點(diǎn)接收點(diǎn)平行同步移動觀測等。通過井間水平距離、震源點(diǎn)與接收點(diǎn)的垂直距離、初至?xí)r間計(jì)算出地震波在震源點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的實(shí)際傳播速度，再用實(shí)際速度和理論速度的百分比來評價(jià)采空區(qū)上方地層的壓實(shí)程度，推測采空區(qū)范圍。

4.1.7 瞬態(tài)瑞雷波法

瞬態(tài)瑞雷波法是由地面一點(diǎn)激發(fā)出不同頻率的瞬態(tài)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(zhì)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(zhì)變化。該方法是利用瞬態(tài)瑞雷波在層狀介質(zhì)中傳播時(shí)，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(yīng)關(guān)系;瑞雷波與橫波、縱波相比能量強(qiáng)、波速較小，分辨率高，重復(fù)性好;瑞雷波相速度與層內(nèi)橫波速度有著明顯的相關(guān)性;瑞雷波的穿透深度與激發(fā)波長有關(guān)等特點(diǎn)來確定采空區(qū)、塌陷區(qū)的范圍及頂板埋深。

4.1.8 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(chǔ)上，利用地下地質(zhì)體質(zhì)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(zhì)體的分布、大小邊界等［14］。由于采空區(qū)形成質(zhì)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(dāng)?shù)馁Y料處理解釋方法，在面積上控制采空區(qū)范圍。

4.1.9 放射性測量

在采空區(qū)探測中常用的放射性方法是氡氣測量。當(dāng)有采空區(qū)存在時(shí)，放射性氡氣通過采空區(qū)的儲氣、集氣、通道三個(gè)作用，向采空區(qū)運(yùn)移、集聚，在地表形成一個(gè)與采空區(qū)形態(tài)相對應(yīng)的氡氣異常區(qū)，可以通過測量地表氡元素的濃度來準(zhǔn)確圈定煤礦采空區(qū)的位置和范圍［15］。由于該方法測試場地的適應(yīng)性較強(qiáng)，不受地電地磁影響，探測深度較大，在采空區(qū)探測中有良好的應(yīng)用效果?，F(xiàn)在常用的有活性碳吸附法、常規(guī)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［16］。

4.1.10 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(qū)的大小、位置進(jìn)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(guān)的大量三維數(shù)據(jù)信息，探測精確，直觀、分辨率高，通過三維模擬可建立采空區(qū)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(qiáng)度大，且容易受環(huán)境影響，探測深度有限，目前在金屬礦山采空區(qū)探測得以應(yīng)用［17－18］，將此法應(yīng)用于煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)探測的為數(shù)不多。

4.2 方法選擇原則

由于采空區(qū)形成原因的復(fù)雜性，其形態(tài)特征及空間分布都無規(guī)律可循。在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)和儀器設(shè)備條件下，科學(xué)合理地選擇功能強(qiáng)、技術(shù)可行、數(shù)據(jù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、適用性好、操作方便的探測方法是探明采空區(qū)，解除安全隱患的先決條件。因?qū)嶋H情況而異，但大體要遵循物性差異、儀器設(shè)備、工作效率及成本等原則。

(1)根據(jù)采空區(qū)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(shè)備應(yīng)盡量輕便、操作簡便、抗外界干擾能力強(qiáng)、分辨率高;在野外可實(shí)現(xiàn)快速化、自動化和智能化測量。

(3)測點(diǎn)測線布置以能夠控制探測目標(biāo)體為重，可適當(dāng)增加測點(diǎn)測線進(jìn)行對比驗(yàn)證。

(4)盡量選擇從地表直接進(jìn)行探測的技術(shù)方法，這樣既不受井下惡劣環(huán)境與工作條件的影響，又能極大地降低探測人員的勞動強(qiáng)度。

(5)采用地表探測方法既不破壞礦體的完整性和穩(wěn)固性，又能節(jié)省大量工程費(fèi)用，對礦山資源的回收有利，探測成本也較低。

5 結(jié)語

地球物理勘探在礦井地質(zhì)災(zāi)害防治工作中扮演重要角色，特別是煤礦采空區(qū)調(diào)查中，只要物性前提具備、工作方法選擇恰當(dāng)，可以較為準(zhǔn)確、快速地確定采空區(qū)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(xué)依據(jù)，為防止出水淹井、礦區(qū)地面下沉、房屋開裂倒塌等事故提供可靠的地質(zhì)資料。

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