魯 輝 薛云峰 胡偉華

采空區(qū)的特征與探測(cè)技術(shù)研究

魯 輝 薛云峰 胡偉華

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司工程物探研究院 河南鄭州 450003）

本文介紹了采空區(qū)探測(cè)的現(xiàn)狀，分析了采空區(qū)的地質(zhì)和地球物理特征，列舉了常用的地球物理探測(cè)方法和一些實(shí)例，最后提出了采空區(qū)探測(cè)目前存在的問(wèn)題和研究方向。

采空區(qū) 探測(cè) 特征 建模

1 采空區(qū)探測(cè)的意義和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1探測(cè)的意義

礦產(chǎn)作為一種重要的資源，其開采形成的采空由于歷史的原因，大多未進(jìn)行有效地治理，而處于廢棄狀態(tài)，有的采空區(qū)出現(xiàn)了大面積的地面沉陷，有的出現(xiàn)了地面裂隙，有的尚未造成明顯的地面破壞。采空作為人類活動(dòng)產(chǎn)生的潛在地質(zhì)災(zāi)害之一，給礦山的安全生產(chǎn)、工程建設(shè)和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅。特別是在水利工程建設(shè)中，如果庫(kù)壩區(qū)有采空區(qū)存在，很有可能影響邊坡的穩(wěn)定、造成水庫(kù)滲漏，并影響臨近礦區(qū)的安全生產(chǎn)。例如已經(jīng)竣工投入運(yùn)行的黃河小浪底水利樞紐、四川紫坪鋪水利樞紐、正在建設(shè)中的南水北調(diào)中線工程、包西鐵路和即將啟動(dòng)勘測(cè)的黃河流域某水利樞紐都存在采空區(qū)的評(píng)價(jià)及治理問(wèn)題，采空區(qū)空間分布情況不查明，評(píng)價(jià)及治理就無(wú)的放矢。因此，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)非常必要。

1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，采空區(qū)的探測(cè)主要是以采礦情況調(diào)查、工程鉆探、地球物理勘探為主，輔以變形觀測(cè)、水文試驗(yàn)等。其中，美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家以物探方法為主，而我國(guó)目前以鉆探為主，物探為輔。在美國(guó)，采空區(qū)等地下空洞探測(cè)技術(shù)全面，電法、電磁法、微重力法、地震勘探等都有很高的水平。其中，高密度電法、高分辨率地震勘探技術(shù)尤為突出，且近年來(lái)在地震CT技術(shù)方面也發(fā)展迅速。日本的工程物探技術(shù)在國(guó)外同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位，應(yīng)用最廣泛的是地震波法。此外，電法、電磁法及地球物理測(cè)井等方法也應(yīng)用得比較多，特別是日本80年代開發(fā)研制的“GR-810”型佐藤式全自動(dòng)地下勘察機(jī)，在采空區(qū)、巖溶等空洞探測(cè)中效果良好，且后續(xù)推出的一系列產(chǎn)品都處于國(guó)際領(lǐng)先水平。歐洲等國(guó)家采空區(qū)探測(cè)技術(shù)也比較全面，俄羅斯多采用電法、瞬變電磁法、淺層地震反射法、井間電磁波透射、放射性測(cè)量等，英、法等國(guó)家以探地雷達(dá)方法應(yīng)用較好，微重力法、淺層地震反射法也有使用。

近年來(lái)，采空區(qū)探測(cè)成了行業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，引起了國(guó)內(nèi)地球物理工作者的濃厚興趣，紛紛結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)投入了各種各樣的方法技術(shù)，進(jìn)行了很多有益的嘗試。在各種地球物理方法中，根據(jù)其所研究地球物理場(chǎng)的不同，通?？煞譃橐韵聨状箢?

（1）以地下介質(zhì)密度差異為基礎(chǔ)，研究重力場(chǎng)變化的方法稱為微重力法；

（2）以介質(zhì)磁性差異為基礎(chǔ)，研究地磁場(chǎng)變化規(guī)律的方法稱為磁法勘探；

（3）以介質(zhì)電性差異為基礎(chǔ)，研究天然或人工電場(chǎng)（或電磁場(chǎng)）的變化規(guī)律之方法稱為電法勘探(或電磁法勘探)；

（4）以介質(zhì)彈性差異為基礎(chǔ)，研究波場(chǎng)變化規(guī)律的稱為地震勘探；

（5）以介質(zhì)放射性差異為基礎(chǔ)，研究輻射場(chǎng)變化特征的稱為放射性測(cè)量。

主要探測(cè)方法分類見圖1：

圖1 地球物理探測(cè)方法的分類

2 采空區(qū)的特征

2.1礦層的特征

由于采空是由采礦中形成的，所以要想科學(xué)而準(zhǔn)確地識(shí)別采空區(qū)，首先應(yīng)能準(zhǔn)確地識(shí)別礦層，這就需要對(duì)常見礦產(chǎn)的成礦規(guī)律及其物性特征有所了解。按礦產(chǎn)類型劃分，常見采空區(qū)分為煤礦采空區(qū)、金屬礦采空區(qū)和非金屬礦采空區(qū)三類。成礦規(guī)律方面，煤層一般較厚，層位穩(wěn)定，因此煤礦采空區(qū)一般規(guī)模較大。而金屬礦則不一定，如豫西鋁土礦礦層形態(tài)受下覆奧陶系地層控制，有些區(qū)域呈現(xiàn)出不連續(xù)的窩狀；物性特征方面，同一種礦產(chǎn)成分比重不同其物性也會(huì)有很大差異。比如無(wú)煙煤是良導(dǎo)體，表現(xiàn)為相對(duì)低阻，而煙煤是不良導(dǎo)體，表現(xiàn)為相對(duì)高阻。掌握了這些和采空區(qū)探測(cè)密切相關(guān)的輔助知識(shí)，必然會(huì)對(duì)地球物理方法的選擇提供很大幫助。

2.2采空區(qū)的地質(zhì)與地球物理特征

2.2.1 采空區(qū)上下巖層的地質(zhì)特征

礦產(chǎn)被采出后，礦層中形成空洞，原本平衡的地下應(yīng)力系統(tǒng)遭到破壞，局部應(yīng)力集中。上覆地層在應(yīng)力作用下經(jīng)過(guò)變形、斷裂、位移和冒落，重新達(dá)到應(yīng)力平衡。在這一過(guò)程中，共出現(xiàn)了以下特征：

（1）地表。當(dāng)采空區(qū)塌陷時(shí)，其地表周圍出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象。

（2）采空區(qū)上覆巖層形成了“3帶”，即冒落帶、裂隙帶及彎曲帶。

①冒落帶。在礦層開采過(guò)程中，頂板巖層在自重應(yīng)力的作用下，發(fā)生法向彎曲，當(dāng)巖層內(nèi)部的拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂板巖層開始產(chǎn)生斷裂、破碎，繼而垮落，這部分垮落的巖層稱為采空區(qū)的冒落帶。冒落巖體具有一定的碎脹性與壓縮性，其巖塊間空隙較大，連通性好，冒落巖體的體積大于冒落前的原巖體積。隨著冒落巖體穩(wěn)定時(shí)間的加長(zhǎng)，其壓實(shí)性越好，但不可能恢復(fù)至原巖體的體積。碎脹性是冒落自行停止的根本原因。

冒落帶發(fā)育高度與上覆巖性及采厚有很大的關(guān)系，對(duì)于中硬性上覆巖層(陜北地區(qū))其計(jì)算公式為：

式中：H為冒落帶高度：m為礦層采厚。

當(dāng)累計(jì)采厚達(dá)4m時(shí)，其冒落范圍為8.3～13m?？梢姡繕?biāo)體雖然僅有4m，但其冒落帶可達(dá)近13m。冒落帶改變了上覆圍巖的物性，相對(duì)增大了采深比，擴(kuò)大了異常范圍，有利于采空區(qū)的探測(cè)。

②裂隙帶。采空區(qū)上覆地層中產(chǎn)生了裂縫、離層及斷裂現(xiàn)象，但仍保持層狀結(jié)構(gòu)的那部分巖層稱為裂隙帶，位于冒落帶之上，兩者之間沒有明顯的分界線，均屬破壞性影響區(qū)，破壞程度隨離采空區(qū)距離的加大而逐漸減小。裂隙帶內(nèi)的巖層不僅發(fā)生垂直于層面的裂縫和斷裂，而且常常產(chǎn)生順層面的離層裂縫。一般下部巖層大多斷開，但仍保持其原有層次；上部巖層裂縫不斷開，連通性較差。

裂隙帶發(fā)育的范圍與采空區(qū)面積有關(guān)，且有正相關(guān)關(guān)系（見圖2a），與初次開采厚度成正比關(guān)系（見圖2b），與累計(jì)開采厚度成正相關(guān)（見圖2c），與開采后時(shí)間的變化也有關(guān)系（見圖2d）?？梢姡严稁У陌l(fā)育情況較為復(fù)雜，采空區(qū)上覆地層的物性因受多種因素的影響，也變得復(fù)雜了。

對(duì)于中硬性覆巖(陜北地區(qū))其發(fā)育高度可用下列公式計(jì)算：

如，總采厚4 m，裂隙帶高度可達(dá)90m，其影響范圍達(dá)100多米。

③彎曲帶。彎曲帶位于裂縫帶之上，直至地表。彎曲帶內(nèi)巖層在自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生層面法向彎曲，水平方向處于雙向受壓狀態(tài)。巖層主要發(fā)生移動(dòng)現(xiàn)象，移動(dòng)過(guò)程具有連續(xù)性，并保持其整體性和層狀結(jié)構(gòu)，不存在或極少存在離層裂縫。在地表往往可見到垂直層面、上大下小的楔形地裂縫，向下延伸較短，到一定深度自行閉合。

圖2 裂隙發(fā)育高度與影響因素關(guān)系圖

采空如埋藏較深，礦層較薄，且上覆巖層堅(jiān)硬，“3帶”可能不甚發(fā)育，但如果地表建造高層建筑將誘發(fā)“3帶”的發(fā)展。

（3）采空區(qū)下覆巖層。在礦層開采過(guò)程中，由于受到人為擾動(dòng)較小，其下覆巖層基本穩(wěn)定，與原始地層相比變化不大。

2.2.2 采空區(qū)的物性特征

隨著采空的形成和時(shí)間的推移，采空部位及其圍巖將會(huì)表現(xiàn)出一些明顯的物性變化，這就給地球物理方法探測(cè)采空區(qū)提供了前提條件。

礦產(chǎn)被采出后質(zhì)量虧損已經(jīng)形成，給微重力法提供了前提條件。在不同的水文地質(zhì)條件下，采空區(qū)會(huì)表現(xiàn)出不同的電性特征，采空區(qū)內(nèi)泥水充填時(shí)表現(xiàn)為相對(duì)低阻特征，空氣充填時(shí)表現(xiàn)為相對(duì)高阻特征。而且采空區(qū)與圍巖交界處常常會(huì)形成較強(qiáng)的介電常數(shù)和波阻抗界面。這就給電法（電磁法）勘探和地震勘探提供了前提條件。隨著時(shí)間的推移，采空區(qū)上覆地層“3帶”逐漸發(fā)育，“3帶”和影響范圍外原狀地層相比層狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，巖體變得疏松，導(dǎo)致其波速降低，電阻率升高，采空區(qū)內(nèi)富集的放射性射氣也會(huì)透過(guò)“3帶”向地表游離?！?帶”的存在不但放大了采空的影響范圍，也為放射性測(cè)量提供了前提條件。

2.2.3 采空區(qū)的識(shí)別

根據(jù)采空區(qū)及其圍巖的物性變化特征，下面介紹幾種常用地球物理方法物性剖面圖上采空區(qū)的表現(xiàn)特征。

（1）電法（電磁法）。正常沉積地層結(jié)構(gòu)在電阻率等值剖面圖中呈大致平行的層狀分布，當(dāng)?shù)V產(chǎn)被采出后，礦層出現(xiàn)缺失或中斷，采空部位的電阻率等值線發(fā)生畸變扭曲。如果采空體積較大，隨著時(shí)間的推移采空上覆地層形成“3帶”，上覆地層層狀巖體結(jié)構(gòu)被破壞，“3帶”的電阻率等值線會(huì)變得比較雜亂，離采空越近分層效果越差。而采空區(qū)底板巖體一般受到擾動(dòng)較小，電阻率等值線形狀相對(duì)平緩，層狀特征仍然很明顯。

（2）地震勘探法。礦產(chǎn)被采出及其頂板遭受破壞后，在地震時(shí)間剖面上采空部位出現(xiàn)同相軸中斷或消失，同時(shí)由于采空區(qū)上覆地層“3帶”的形成，地層層狀結(jié)構(gòu)被破壞，巖體變得疏松，對(duì)地震波產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收頻散衰減作用，使反射波頻率降低，同相軸變得不規(guī)則、紊亂甚至產(chǎn)生畸變。采空區(qū)底板巖體則由于擾動(dòng)小而變化不明顯，同相軸清晰可辨，成為在地震時(shí)間剖面上識(shí)別采空區(qū)的一個(gè)重要標(biāo)志。

3 探測(cè)方法及實(shí)例

3.1電法

3.1.1 高密度電法

高密度電法是在常規(guī)電法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它是先將全部電極一次性布設(shè)好，測(cè)量時(shí)通過(guò)控制程控式多路電極轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電極排列方式、極距和測(cè)點(diǎn)的快速轉(zhuǎn)換，短時(shí)間內(nèi)可采集到大量的數(shù)據(jù)。再利用配套的處理軟件,對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，成果直觀可靠。該方法具有工作效率高、精度高等優(yōu)勢(shì)，但對(duì)接地條件有要求，很難穿透高阻層，探測(cè)深度亦有限。

3.1.2 實(shí)例

（1）工程和地質(zhì)概況。豫西某鋁土礦即將正式開采，但由于前期民間的無(wú)序開采使得礦區(qū)內(nèi)存在為數(shù)眾多且分布不明的采空區(qū)，這些采空區(qū)有的只有巷道大小。工區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，薄層較多，地層尖滅現(xiàn)象也很普遍。主要地層有，第四系（Q），河床堆積礫石層、亞沙土和黃土；第三系（N），石英砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖；二疊系下統(tǒng)山西組（P1s），砂巖、黏土頁(yè)巖、煤層及炭質(zhì)頁(yè)巖；二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x），石英砂巖、灰色粉砂巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、黏土巖夾薄層煤。據(jù)調(diào)查，測(cè)區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，采空區(qū)內(nèi)有的泥水充填，有的空氣充填。

（2）高密度電法建模分析。模型根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況而建立。模型的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，其中在模型的第3層中設(shè)計(jì)了厚度為7.5m、寬度為40m的地質(zhì)異常體，通過(guò)改變異常體的電阻率來(lái)模擬采空區(qū)的充填情況。正演均是采用電極距為5m的溫納裝置進(jìn)行的。正演結(jié)果顯示，采空區(qū)是高阻時(shí)其造成的異常與下覆基巖分界不清，只能根據(jù)電阻率的起伏狀況來(lái)進(jìn)行確定。而當(dāng)采空區(qū)是低阻時(shí)，即使與圍巖相比電阻率差異不大，采空區(qū)異常也非常明顯。這就說(shuō)明用高密度電法探測(cè)空氣充填的采空區(qū)沒有泥水充填的采空區(qū)效果好。

表1 高密度電法正演模型的基本參數(shù)

（3）典型成果。圖3為199#礦井附近d1測(cè)線高密度電法視電阻率擬斷面圖。由圖3可以看出，在水平距離95.0m、高程475.0m處有一高阻團(tuán)，結(jié)合地質(zhì)和調(diào)查資料推測(cè)該處為采空區(qū)，且空氣充填。采空部位上方電阻率曲線發(fā)生變形，說(shuō)明上覆地層有一定坍塌。2009年業(yè)主對(duì)物探成果進(jìn)行了打鉆驗(yàn)證，在該測(cè)線距離95.0m、高程483.0m處發(fā)生掉鉆現(xiàn)象，說(shuō)明該采空區(qū)確實(shí)有一定坍塌。

圖3 d1測(cè)線高密度電法視電阻率擬斷面圖

3.2電磁法

3.2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法是向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)的間歇期間，觀測(cè)由地下地質(zhì)體受激引起的渦流產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的感應(yīng)二次場(chǎng)，二次場(chǎng)的大小與地下地質(zhì)體的電性有關(guān)。低阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較慢,二次場(chǎng)電壓較大；高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)衰減速度較快，二次場(chǎng)電壓較小。根據(jù)二次場(chǎng)衰減曲線的特征，就可以判斷地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等。由于瞬變電磁儀接收的信號(hào)是二次渦流場(chǎng)的電動(dòng)勢(shì)，對(duì)二次電位進(jìn)行歸一化處理后，根據(jù)歸一化二次電位值的變化，間接解決如陷落柱、采空區(qū)、斷層等地質(zhì)問(wèn)題。該方法具有分辨能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、不受接地條件限制、受地形影響小、能穿透高阻覆蓋層等優(yōu)勢(shì)，但測(cè)區(qū)植被茂盛時(shí)施工較困難。

3.2.2 實(shí)例1

（1）工程和地質(zhì)概況。四川某水利樞紐工程，壩址區(qū)施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)多處以往煤礦生產(chǎn)形成的采空區(qū)，需要查明處理。工程區(qū)屬于高傾角地層，地質(zhì)條件復(fù)雜，基巖主要為三迭系的一套湖沼相含煤砂頁(yè)巖地層，表層為第四系松散堆積層。測(cè)區(qū)內(nèi)地形起伏變化較大，據(jù)調(diào)查采空區(qū)內(nèi)一般空氣充填。

（2）試驗(yàn)效果和典型成果。根據(jù)已知FMD8煤洞上方的試驗(yàn)測(cè)線的實(shí)測(cè)瞬變電磁法視電阻率擬斷面，煤洞實(shí)際位置位于9號(hào)測(cè)點(diǎn)下方，且空氣充填。在9號(hào)測(cè)點(diǎn)半衰時(shí)4.0ms深度有一個(gè)明顯的高阻異常，應(yīng)為采空區(qū)的反應(yīng)，說(shuō)明瞬變電磁法探測(cè)本測(cè)區(qū)采空區(qū)有效可靠。

3.2.3 實(shí)例2

圖4為G3測(cè)線瞬變電磁法采空區(qū)探測(cè)成果圖，從圖4可以看出在測(cè)線樁號(hào)50～60m、時(shí)間深度8.5～10.5ms處有一明顯橢圓狀高阻體（橢圓圈圈出部位），綜合地質(zhì)和調(diào)查資料推斷此處為采空區(qū)，其上覆地層分層尚可，說(shuō)明采空區(qū)沒有發(fā)生明顯塌陷。

3.3可控源法

3.3.1 CSAMT法

CSAMT法（可控源音頻大地電磁法）是采用大功率人工場(chǎng)源，沿一定方向布置接地導(dǎo)線AB，長(zhǎng)度一般為1～3km，向地下供入頻率為f的交變電流，形成交變電場(chǎng)。一般在接地導(dǎo)線的一側(cè)或兩側(cè)600張角的扇形區(qū)域內(nèi)，平行接地導(dǎo)線布置測(cè)線進(jìn)行測(cè)量（見圖5）。在每一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，逐次改變供電頻率，觀測(cè)沿測(cè)線方向相應(yīng)頻率的電場(chǎng)分量Ex和與之正交的磁場(chǎng)分量Hy，便可以計(jì)算出隨頻率變化的視電阻率和阻抗相位，以達(dá)到頻率測(cè)深的目的。該方法具有信噪比高、探測(cè)深度大、工作效率高等優(yōu)勢(shì)，但對(duì)接地條件有要求，有時(shí)人工場(chǎng)源的場(chǎng)地條件不易滿足，設(shè)備也比較笨重。

圖4 G3測(cè)線瞬變電磁法采空區(qū)探測(cè)成果圖

圖5 CSAMT法野外工作布置示意圖

3.3.2 實(shí)例

（1）工程和地質(zhì)概況。南水北調(diào)中線一期工程是國(guó)家重點(diǎn)工程，工程總干渠某段經(jīng)過(guò)一個(gè)煤田，該礦區(qū)地下存在大量分布不明的采空區(qū)，對(duì)總干渠線路的選址造成很大的困擾。工區(qū)覆蓋層主要為中更新統(tǒng)（Q2）和上更新統(tǒng)（Q3）粉質(zhì)壤土，其次是上第三系的黏土巖，第三系的黏土巖的下部是（粉）砂巖、泥巖夾薄層砂質(zhì)、泥質(zhì)頁(yè)巖或頁(yè)巖等巖層，煤層夾雜在薄層之間，最下面為奧陶、寒武、震旦紀(jì)地層。

（2）典型成果。圖6為南水北調(diào)中線一期工程某段Ⅲ測(cè)線CSAMT法視電阻率擬斷面圖。由圖6可以看出，在測(cè)線距離80～500m、埋深100～450m范圍有一明顯低阻區(qū)域，該區(qū)域電性分層不清晰，雜亂無(wú)章，說(shuō)明該區(qū)域巖體層狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了改變，泥水充填，判為采空區(qū)。結(jié)合地質(zhì)資料和異常厚度推斷該采空區(qū)已大面積塌陷。在埋深480m以下，電性分層清晰，電阻率較高，推斷深度480m左右為采空區(qū)底板。2011年該段開工，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行鉆探注漿處理，本測(cè)線探測(cè)成果得到了驗(yàn)證。

3.3.3 EH-4大地電磁法

EH-4大地電磁法屬于可控源與天然源相結(jié)合的一種大地電磁測(cè)深系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)天然背景場(chǎng)源獲得深部構(gòu)造的信息，通過(guò)一個(gè)便攜式低功率發(fā)射器發(fā)射1～100kHz人工電磁訊號(hào)來(lái)獲得淺部構(gòu)造的信息，以此來(lái)補(bǔ)償天然訊號(hào)的不足?？稍诘孛嬗^測(cè)相互正交的電磁場(chǎng)分量Ex、Hy和Ey、Hx，通過(guò)計(jì)算確定介質(zhì)的電阻率值。連續(xù)的測(cè)深點(diǎn)陣可以組成地下二維電阻率剖面，從而獲得高分辨率的電阻率色譜圖。該方法設(shè)備輕便簡(jiǎn)單，受地形影響小，可穿透高阻層，但易受電磁干擾，且工作效率不高。

圖6 Ⅲ測(cè)線CSAMT法視電阻率擬斷面圖

3.3.4 實(shí)例

（1）工程和地質(zhì)概況參見3.1.2實(shí)例，為同一測(cè)區(qū)。

（2）大地電磁法建模分析。本模型由測(cè)區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況簡(jiǎn)化而來(lái)。在背景電阻率值為1000 Ω.m的均勻半空間內(nèi)，有一埋深為200m的200m ×160m的低阻體,其電阻率值為100Ω.m。我們采用50m×40m的網(wǎng)格對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,取頻率范圍為10～100kHz,對(duì)該模型進(jìn)行正演模擬。在對(duì)該模型的正演結(jié)果進(jìn)行二維RRI反演時(shí),選擇初始模型電阻率值為1000Ω.m,設(shè)置其橫向網(wǎng)格大小與正演模型相同,縱向網(wǎng)格前三層為10m,隨后以1.1倍增加。對(duì)該模型分別進(jìn)行TM模式反演、TE模式反演和TE模式與TM模式聯(lián)合反演,就會(huì)得到如圖7（b）～（d）所示的反演結(jié)果。

對(duì)于圖7（b）所示的TM模式的反演結(jié)果,很明顯,由于淺部低阻異常的影響,導(dǎo)致TM數(shù)據(jù)在縱向上有一個(gè)低阻條帶畸變,這明顯是由靜態(tài)效應(yīng)引起的。對(duì)于圖7（c）所示的TE模式的反演結(jié)果，很好地圈定了低阻異常體的位置和大小。對(duì)比TM模式反演結(jié)果和TE模式反演結(jié)果可知，對(duì)于同一剖面，TM模式的數(shù)據(jù)受靜態(tài)效應(yīng)的影響程度一般要大于TE模式的數(shù)據(jù)。對(duì)于圖7（d）)所示的TE模式與TM模式聯(lián)合反演的結(jié)果，也很好地圈定了低阻異常的位置和大小，并且其背景值更接近真實(shí)情況。

圖7 不同模式的反演結(jié)果

（3）典型成果。圖8為326#礦井附近b1測(cè)線EH-4大地電磁法視電阻率擬斷面圖。由圖8可以看出，在埋深40.0～70.0m范圍內(nèi)有一透鏡狀地層，結(jié)合地質(zhì)和調(diào)查資料判斷其為鋁土礦層。在鋁土礦層中，距離0～15.0m段，埋深45.0～60.0m范圍內(nèi)有一明顯相對(duì)低阻團(tuán)，推斷為采空區(qū)，且為泥水充填，采空區(qū)上覆地層分層較好，說(shuō)明采空區(qū)沒有明顯坍塌。2009年業(yè)主對(duì)物探成果進(jìn)行了打鉆驗(yàn)證，該測(cè)線樁號(hào)8.0m、埋深45.0m處打到了采空區(qū)。

圖8 b1測(cè)線EH-4大地電磁法視電阻率擬斷面圖

3.4淺層地震反射波法

地震反射波法是利用地震波在彈性介質(zhì)傳播的理論，通過(guò)人工激發(fā)的地震波向地下深部傳播，遇到波阻抗界面產(chǎn)生反射，用檢波器接收反射波信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻特征和振幅特征分析，用以推斷界面深度、構(gòu)造形態(tài)及其物性參數(shù)。該方法具有數(shù)據(jù)處理技術(shù)成熟、地球物理特征明顯等優(yōu)勢(shì)，但易受震動(dòng)干擾，探測(cè)深度大時(shí)震源問(wèn)題不易解決。

3.4.1 實(shí)例

（1）工程和地質(zhì)概況。太原至中衛(wèi)（銀川）鐵路工程是國(guó)家重點(diǎn)投資的新建鐵路工程，線路經(jīng)過(guò)的某段，小煤窯較多，采空區(qū)分布復(fù)雜，有待查明。測(cè)區(qū)地層有新生界第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)，第三系上新統(tǒng)，古生界三疊系、二疊系上統(tǒng)、下統(tǒng)，石炭系中統(tǒng)、上統(tǒng)，奧陶系中統(tǒng)、下統(tǒng)，寒武系中統(tǒng)、上統(tǒng)，元古界長(zhǎng)城系，以及太古界地層。

（2）淺層地震反射法建模分析。地震地質(zhì)模型是根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況建立的。采空區(qū)設(shè)計(jì)在中心埋深50m處，采空區(qū)的規(guī)模為20m× 20m，具體的參數(shù)設(shè)置詳見表2、表3。根據(jù)地質(zhì)模型和正反演結(jié)果，從模型（a）的正演結(jié)果來(lái)看，在采空區(qū)的位置出現(xiàn)了反射同相軸的中斷，并有繞射伴生，模型（b）也是在采空區(qū)的位置出現(xiàn)了反射同相軸的中斷，在下方以后延續(xù)的反射波出現(xiàn)。這個(gè)特征可能對(duì)判斷采空區(qū)的充填情況有幫助。

（3）典型成果。圖9為太中銀線柳林段VV-VV’測(cè)線淺層地震反射法地震時(shí)間剖面圖。如圖9所示，圖中近似水平的同相軸（黑粗線條）表示波速差異較大的巖性分界面，如果同相軸連續(xù)說(shuō)明巖體完整，如果發(fā)生中斷則可能是斷層或采空區(qū)。從圖中可以看出在時(shí)間深度0.20s，樁號(hào)204～231m范圍內(nèi)（方框圈出的部位）上下幾個(gè)同相軸出現(xiàn)中斷、不連續(xù)、層位雜亂，綜合地質(zhì)和調(diào)查資料推斷此處為采空區(qū)，且有坍塌。據(jù)業(yè)主反饋，該測(cè)線探測(cè)成果和他們掌握的情況基本一致。

表2 地震地質(zhì)模型（a）設(shè)置參數(shù)表

表3 地震地質(zhì)模型（b）設(shè)置參數(shù)表

圖9 VV-VV’測(cè)線淺層地震反射法地震時(shí)間剖面圖

4 存在問(wèn)題及研究方向

4.1存在問(wèn)題

首先，人們對(duì)采空區(qū)的定量解釋精度提出越來(lái)越高的期望，如豫西某采空區(qū)探測(cè)項(xiàng)目業(yè)主要求明確采空區(qū)的頂?shù)装逡约俺涮钗?，以便指?dǎo)生產(chǎn)。又如南水北調(diào)中線一期工程某段采空區(qū)探測(cè)項(xiàng)目業(yè)主要求繪制出采空區(qū)形態(tài)圖，以便估算灌漿量等。其次，大埋深、小規(guī)模的未充水采空區(qū)的探測(cè)效果仍不理想。再則，目前采空區(qū)探測(cè)缺乏一套實(shí)用的系統(tǒng)理論。

4.2研究方向

（1）細(xì)化建模分析技術(shù)，再結(jié)合采空區(qū)激光掃描系統(tǒng)，提高定量解釋精度；

（2）研究提高淺層地震反射分辨率的途徑，對(duì)大埋深、小規(guī)模的未充水采空區(qū)進(jìn)行有益的嘗試；

（3）建立一套包含常見礦產(chǎn)成礦規(guī)律及其物理性質(zhì)、采空區(qū)的破壞規(guī)律、復(fù)雜地質(zhì)條件下無(wú)序分布采空區(qū)的綜合物探解決方案、采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的系統(tǒng)理論。

1 孫宗第. 高等級(jí)公路下伏空洞勘探、危害程度評(píng)價(jià)及處治研究報(bào)告集[R]. 北京：科學(xué)出版社, 2000.

2 地礦部物化探研究所情報(bào)室. 日本工程物探技術(shù)譯文集[M]. 北京：地礦部物化探研究所情報(bào)室, 1984.

3 賈東新, 王自強(qiáng), 徐慶魁. 淺層地震法在煤層采空區(qū)探測(cè)中應(yīng)用[J]. 河北煤炭，1999.

4 靳聚盛. 地震勘探方法圈定老窯采空區(qū)[J]. 中國(guó)煤田地質(zhì). 1998.

5 湯井田, 肖曉等. RRI方法在EH-4數(shù)據(jù)解釋中的應(yīng)用[J].地質(zhì)與勘探，2008.

6 楊建軍, 吳漢寧等. 煤礦采空區(qū)探測(cè)效果研究[J]. 煤田地質(zhì)與勘探, 2006.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.009

TV221.2

B

1672-2469（2014）02-0027-07

魯輝（1980年- ），男，工程師。