鄭志龍， 車 琪， 宋書志

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072；2. 內(nèi)蒙古北方時(shí)代設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 內(nèi)蒙 赤峰 024000)

0 前 言

采空區(qū)[1]是指地下礦產(chǎn)被采出后留下的空洞區(qū)，按礦產(chǎn)被開采的時(shí)間，可分為老采區(qū)、現(xiàn)采區(qū)和未來(lái)采區(qū)。地下礦層大面積采空后，礦層上部失去支撐，原始地應(yīng)力平衡被打破，采空區(qū)上方巖體隨之發(fā)生變形，其總的過(guò)程是自下而上逐漸發(fā)展的漏斗狀沉落，一般在采空區(qū)上方形成三個(gè)變形帶，即“三帶”：冒落帶、裂隙帶和彎曲帶。隨著離層裂縫的不斷發(fā)生、發(fā)展與閉合，上覆巖體變形逐漸由下向上傳遞。當(dāng)采空區(qū)足夠大時(shí)，地表往往會(huì)形成一個(gè)比采空區(qū)面積大得多的下沉盆地。在開采沉陷過(guò)程中，受重力等地應(yīng)力作用，上覆巖體變形破壞形式主要包括冒落、彎曲、斷裂、層間錯(cuò)動(dòng)、離層、剪脹、冒落巖塊壓密、巖石浸水軟化等。在經(jīng)過(guò)一系列變形破壞之后，采空區(qū)上方巖體通過(guò)不斷的應(yīng)力調(diào)整，最后達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)，處于暫時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)。受人類工程活動(dòng)(如在采空區(qū)上方修建建筑物、礦產(chǎn)的進(jìn)一步開采及地下強(qiáng)抽水等)及自然因素(強(qiáng)降雨、地震等)影響，采空區(qū)上方巖體新建立的應(yīng)力平衡又被打破，采空區(qū)發(fā)生進(jìn)一步的變形破壞，由此帶來(lái)一系列環(huán)境巖土工程問題，如平地積水、道路裂縫、房屋倒塌、耕地減少等，對(duì)人們的生產(chǎn)、生活及人身安全造成重大影響和危害。因此在工程建設(shè)時(shí)，必須對(duì)采空區(qū)的位置、范圍、邊界等進(jìn)行探測(cè)勘察，并對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性作出分析評(píng)價(jià)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于采空區(qū)的研究主要集中在采空區(qū)的探測(cè)技術(shù)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)技術(shù)、治理技術(shù)及質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)四個(gè)方面[1]。采空區(qū)探測(cè)技術(shù)作為采空區(qū)研究的重點(diǎn)課題之一，其仍舊處于不斷發(fā)展的過(guò)程中，在傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上挖掘新的探測(cè)方法及探索各類方法的綜合應(yīng)用十分必要。采空區(qū)探測(cè)技術(shù)的研究具有重要的理論意義與實(shí)踐價(jià)值。

1 采空區(qū)勘察與探測(cè)方法

目前，國(guó)內(nèi)外采空區(qū)的勘察與探測(cè)[1]主要是基于對(duì)采礦情況的調(diào)查及資料收集，采用地球物理勘探、工程鉆探、變形觀測(cè)及水文試驗(yàn)等手段進(jìn)行。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家主要采用物探方法。近年來(lái)我國(guó)物探技術(shù)發(fā)展較快，采空區(qū)探測(cè)也多采用物探方法，并加以鉆探驗(yàn)證。

1.1 收集資料與調(diào)查訪問

采空區(qū)勘察與探測(cè)首先建立在對(duì)開采資料的收集及采礦情況調(diào)查的基礎(chǔ)上。若缺乏開采的相關(guān)資料，僅通過(guò)鉆探和物探方法查明采空區(qū)的情況極為困難，且費(fèi)用很高。調(diào)查訪問可以了解開采期間地面變形破壞情況和井下開采情況。資料收集及調(diào)查訪問是科學(xué)布置勘探工作量的依據(jù)，可以節(jié)省大量的勘察費(fèi)用和縮短工期。因此，對(duì)于采空區(qū)場(chǎng)地，收集采礦相關(guān)資料極為重要。

1.2 工程物探

用于地下采空區(qū)探測(cè)的物探種類很多，主要包括電法、電磁法、地震波法、聲波法、重力法等幾類[2]。各種不同的物探方法都有各自的特點(diǎn)、一定的適用條件和應(yīng)用范圍。在采空區(qū)探測(cè)實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同的探測(cè)對(duì)象，合理選取信息量最大的、最可靠、最適用的物探方法以獲得最好的探測(cè)效果及最高的探測(cè)精度。

1.3 鉆 探

鉆探是以“點(diǎn)”的方式有效揭露地層及地下開采情況的勘探方法。借助鉆探能詳細(xì)查明鉆孔剖面上的巖性特點(diǎn)、巖心采取率、RQD值、沖洗液漏失情況及數(shù)量、掉鉆卡鉆現(xiàn)象、煤心采取率、冒落物特點(diǎn)等。根據(jù)這些資料能有效地了解“三帶”分布、冒落物的密實(shí)程度、采空區(qū)充水性和連通性等。鉆探過(guò)程中采取巖土試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，取得建筑物設(shè)計(jì)所需的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。對(duì)于開采圖件齊全且準(zhǔn)確的場(chǎng)地，鉆孔布置及深度可以不考慮采空因素，按正常地表土條件確定。

采空區(qū)的勘察必須根據(jù)工程的特殊技術(shù)要求、場(chǎng)地地質(zhì)條件及物探方法的特點(diǎn)與適用條件，選擇相應(yīng)的物探方法及其組合，并以一定數(shù)量的鉆探對(duì)物探的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)比鉆探和物探資料，修正物探結(jié)果，以點(diǎn)帶面，就能綜合判斷地下開采情況。

2 采空區(qū)探測(cè)主要的物探方法

2.1 微重力勘探

微重力勘探方法是利用地下地質(zhì)體質(zhì)量虧損或盈余，在地表觀測(cè)它們引起的重力異常，從而確定地下地質(zhì)體的分布、大小、邊界等。采空區(qū)因開采質(zhì)量虧損，從而形成低重力異常。在煤礦采空區(qū)保存完整時(shí)，形成低值剩余重力異常。在采空區(qū)塌陷且不充水時(shí)，質(zhì)量虧損值不變，但負(fù)密度值減小而影響厚度增大；充水時(shí)，虧損質(zhì)量得到一定補(bǔ)償，比在不充水的同樣情況下，負(fù)密度值減小。無(wú)論在采空區(qū)實(shí)際存在哪種情況，按一般規(guī)律都可測(cè)出局部剩余重力異常。因此，微重力法是采空區(qū)勘測(cè)的重要方法之一。在國(guó)內(nèi)，王延濤[3]等采用微重力勘探方法對(duì)山西某煤礦采空區(qū)進(jìn)行了探測(cè)，探測(cè)結(jié)果表明該方法能夠基本查明采空區(qū)的邊界，是采空區(qū)探測(cè)一種較方便、有效的勘探方法。唐沛[4]對(duì)微重力法在巖溶山嶺隧道勘察中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明微重力法比較適用于地形復(fù)雜山區(qū)溶洞的勘察。

2.2 電法與磁法勘探

2.2.1 雙頻激電法

雙頻激電法，即激發(fā)極化法(IPM)，是以巖礦石電化學(xué)性質(zhì)為物理前提的一種物探方法。雙頻激電法的核心是把兩種頻率的方波電流疊加起來(lái)，形成雙頻組合電流(高、低兩種頻率)。雙頻激電法將疊加形成的雙頻組合電流同時(shí)供入地下，接受來(lái)自地下含有兩個(gè)主頻率的激電總場(chǎng)的電位差信息，經(jīng)過(guò)儀器內(nèi)部的放大、選頻、檢波等一系列步驟，一次性同時(shí)得到低頻電位差和高頻電位差。雙頻激電法的基本原理如圖1所示。

圖1 雙頻激電法原理示意

巖層與采空區(qū)之間存在的較大的電性差異是利用雙頻激電法探測(cè)采空區(qū)的物理前提?；诖?，余傳濤[5]等采用雙頻激電法對(duì)某已知煤礦采空區(qū)進(jìn)行了探測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明雙頻激電法用于探測(cè)煤礦采空區(qū)是可行的。

2.2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法 (TEM)其物性基礎(chǔ)是地質(zhì)體的電阻率差異。該方法是向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，地下地質(zhì)體受激引起隨時(shí)間變化的渦流感應(yīng)二次場(chǎng)，二次場(chǎng)的變化特性與地質(zhì)體的電性有關(guān)，高阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)電壓較小；二次場(chǎng)衰減速度較快；低阻地質(zhì)體感應(yīng)二次場(chǎng)電壓較大，二次場(chǎng)衰減速度較慢。根據(jù)二次場(chǎng)衰變特征, 就可以判斷地質(zhì)體的性質(zhì)、規(guī)模等。其原理如圖2所示。

圖2 瞬變電磁法原理示意

瞬變電磁法是一種極具發(fā)展前景的方法，可查明含水地質(zhì)體，如巖溶洞穴與通道、煤礦采空區(qū)、深部不規(guī)則水體等。王俊茹[6]等采用瞬變電磁法在某高速公路采空區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用研究，結(jié)果表明該法能較好地查明采空區(qū)的分布位置和埋深。郭有剛[7]、趙廣茂[8]等，對(duì)瞬變電磁法在采空區(qū)探測(cè)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，均取得較好的效果。

2.2.3 高密度電阻率法

高密度電法探測(cè)采空區(qū)是基于礦體與采空區(qū)電阻率差異的物理特性來(lái)確定某一區(qū)域礦體內(nèi)異常區(qū)域。當(dāng)人工向地下A、B電極加載直流電場(chǎng)I時(shí)，通過(guò)測(cè)量預(yù)先布置M、N極間的點(diǎn)位差△V，求出此預(yù)先布置點(diǎn)間的視電阻率值，通過(guò)研究地下一定范圍內(nèi)大量豐富的空間電阻率變化，來(lái)查明和研究探測(cè)礦巖體的異常區(qū)域。高密度電法的核心是常規(guī)電法實(shí)現(xiàn)了野外測(cè)量數(shù)據(jù)的快速、自動(dòng)和智能化采集。其工作原理如圖3所示。

圖3 高密度電阻率法工作原理

采空區(qū)與巖體電阻率差異明顯，易于辨認(rèn)，高密度電法用于采空區(qū)探測(cè)效果較好。辛思華[9]、石林珂[10]等，對(duì)高密度電法在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明高密度電法用于采空區(qū)探測(cè)能獲得較好的探測(cè)效果。

2.2.4 地質(zhì)雷達(dá)(GPR)

地質(zhì)雷達(dá)(GPR)是由發(fā)射部分和接收部分組成，是利用高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式在地面通過(guò)發(fā)射天線送入地下，電磁波在地下傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到目標(biāo)體如采空區(qū)等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射并返回地面，被接收天線接收。其工作原理如圖4所示。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意

地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)淺部地層介質(zhì)時(shí)，具有比地震波更高的分辨率，其用于探測(cè)采空區(qū)更具優(yōu)越性和準(zhǔn)確性。程久龍[11]、龔術(shù)[12]、張遠(yuǎn)博[13]等，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用展開了研究，研究結(jié)果表明地質(zhì)雷達(dá)能較為準(zhǔn)確地探測(cè)出采空區(qū)的位置、規(guī)模等，探測(cè)效果較好。

2.2.5 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是電磁法的一種。采空區(qū)由于地下水的充填及地表水沿裂縫向采空區(qū)滲漏，其電阻率將明顯發(fā)生變化，與圍巖電性形成較明顯的差異， 電阻率異常特征上表現(xiàn)為形成的視電阻率相對(duì)高低不同，為CSAMT法的勘探提供了前提條件。CSAMT是一種采用主動(dòng)源的物探方法，其在采空區(qū)探測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。李金祥[14]、賈永梅[15]等，采用可控源音頻大地電磁法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)均取得了較好的效果。

2.3 地震勘探

地震勘探是利用地層的彈性差異來(lái)探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造的重要物探方法。在采空區(qū)探測(cè)中，淺層地震反射波法、瑞雷波法及彈性波CT法等方法也得到廣泛的應(yīng)用。

2.3.1 淺層地震反射波法

淺層地震反射波法是利用人工激發(fā)的地震波在彈性介質(zhì)傳播的規(guī)律，通過(guò)人工在地面激發(fā)彈性波，當(dāng)點(diǎn)源激發(fā)的地震波入射到地下介質(zhì)分界面時(shí)，由于不同介質(zhì)間存在波阻抗差異，地震波會(huì)在地下不同介質(zhì)界面處產(chǎn)生反射；沿測(cè)線的不同位置用檢波器接收其反射波信號(hào)。地震波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、振動(dòng)強(qiáng)度和波形將隨介質(zhì)的彈性性質(zhì)及幾何形態(tài)的不同而變化。對(duì)儀器接收到的地震波形資料，利用專門的地震資料處理軟件進(jìn)行全面分析、處理和計(jì)算，得到地震時(shí)間剖面。當(dāng)?shù)貙舆B續(xù)時(shí)，地震時(shí)間剖面表現(xiàn)為反射波連續(xù)；當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅讲煽諈^(qū)、溶洞及破碎帶等異常地質(zhì)體時(shí)，地震時(shí)間剖面表現(xiàn)為反射波紊亂。其原理如圖5所示。

在有煤礦地區(qū)的工程建設(shè)中，許多煤礦采空區(qū)的勘測(cè)采用淺層地震反射波法，應(yīng)用該法能較好地解決和圈定出煤礦采空區(qū)[16]。

2.3.2 瑞雷波法

瑞雷波(R波)法是一種面波勘探方法，按照激振方式的不同，瑞雷波法又分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩種。目前，經(jīng)常使用的瑞雷波法是瞬態(tài)法。瞬態(tài)瑞雷波法是通過(guò)錘擊、落重乃至炸藥震源，產(chǎn)生一定頻率范圍的瑞雷波，再通過(guò)振幅譜分析和相位譜分析，把記錄中不同頻率的瑞雷波分離出來(lái)，從而得到頻散曲線。當(dāng)采空區(qū)未發(fā)生塌陷時(shí)，瑞雷波傳播到這些位置時(shí)將突然消失或散射，頻散曲線在采空區(qū)頂板處表現(xiàn)為“之”字形拐點(diǎn)，而且速度迅速下降，從而可以在縱向上確定未塌采空區(qū)的范圍；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，瑞雷波速度降低，在頻散曲線上，受影響地段瑞雷波速度顯著降低，據(jù)此可以在橫向上確定出塌陷區(qū)的范圍，在縱向上確定出塌陷影響范圍。其原理如圖6所示。

圖6 瞬態(tài)瑞雷波法原理示意

國(guó)內(nèi)采用瑞雷波探測(cè)采空區(qū)的實(shí)踐中表明該法的探測(cè)效果較好，如：王萬(wàn)順[17]等采用大能量瑞雷波法對(duì)某采空區(qū)進(jìn)行了探測(cè)，結(jié)果表明該法可以十分有效地圈定采空區(qū)的賦存狀態(tài)。蘇曉強(qiáng)[18]等對(duì)瑞雷波法在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明瑞雷波法是探測(cè)采空區(qū)的有效方法。

2.3.3 彈性波CT法

彈性波CT技術(shù)，即：地震波層析成像技術(shù)，是近年發(fā)展起來(lái)的物探方法。這種技術(shù)通過(guò)邊界對(duì)彈性波信號(hào)的差異反應(yīng)，獲取地下巖土體物性參數(shù)的分布信息。彈性波信號(hào)一般指波在地下介質(zhì)中的傳播速度，由速度的差異進(jìn)一步解譯其他所需信息。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是根據(jù)地質(zhì)條件、測(cè)試條件和探測(cè)精度要求，將兩鉆孔之間的區(qū)域離散成若干個(gè)規(guī)則的網(wǎng)格單元，并將兩鉆孔處的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分別作為彈性波測(cè)試時(shí)的發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)。實(shí)際工作時(shí)根據(jù)目標(biāo)體的大概分布規(guī)律合理布設(shè)鉆孔和觀測(cè)系統(tǒng)，采用一發(fā)多收的扇形透射，即在任一節(jié)點(diǎn)發(fā)射時(shí)，所有接收點(diǎn)都能接收到該發(fā)射點(diǎn)產(chǎn)生的信號(hào)。逐點(diǎn)激發(fā)將在被測(cè)區(qū)域形成致密的射線交叉網(wǎng)絡(luò)。正常狀態(tài)時(shí)，每條射線彈性波旅行時(shí)間將被唯一確定，而射線通過(guò)異常體時(shí)，將產(chǎn)生時(shí)間旅行差，當(dāng)多條致密交叉射線通過(guò)異常體時(shí)，就會(huì)對(duì)異常體的空位置進(jìn)行唯一確定，然后再根據(jù)射線的疏密程度及成像精度的要求在施測(cè)范圍內(nèi)劃分若干規(guī)則的成像單元。通過(guò)對(duì)諸多成像單元波速的數(shù)學(xué)物理反演計(jì)算，可獲得異常體的空間展布形態(tài)，如圖7所示。

采空洞穴相對(duì)圍巖而言，波速較低。地震波穿透這些低速介質(zhì)時(shí)，則旅行時(shí)間增加。采用相互交叉的致密射線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，可對(duì)洞穴及其內(nèi)部充填物等低速介質(zhì)在空間上的位置進(jìn)行確定。在地震波CT剖面中，一般主要解釋低速異常區(qū)的位置和大小來(lái)識(shí)別采空洞穴[19]。

圖7 層析成像原理示意

2.4 氡氣勘探

在采空區(qū)探測(cè)中常用的放射性方法是氡氣(Rn)測(cè)量。由于該方法測(cè)試場(chǎng)地的適應(yīng)性較強(qiáng)，而且不受地電、地磁影響，探測(cè)深度較大，在采空區(qū)探測(cè)中有良好的應(yīng)用效果。氡是天然放射性鈾系氣體元素，直接母體是鐳，鈾又是鐳的母體，母體元素的含量水平在一定程度上決定了巖石、土壤中氡濃度的高低。由于團(tuán)族遷移、接力傳遞、擴(kuò)散、對(duì)流、抽吸等作用，其表現(xiàn)出很強(qiáng)的遷移作用，容易從深部向上擴(kuò)散并進(jìn)入土壤中。因此，在鈾鐳富集地段、地質(zhì)構(gòu)造破碎帶上方、采空區(qū)上方都可形成氡的富集，而在其附近地段氡含量明顯減少。這是尋找鈾礦體、構(gòu)造破碎帶、采空區(qū)、陷落柱及地下水資源等的重要依據(jù)。

劉敦旺[20]、牛永效[21]、張吉振[22]等，對(duì)測(cè)氡法才采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明測(cè)氡法是一種有效的采空區(qū)勘察與探測(cè)技術(shù)。

2.5 綜合物探法

隨著勘探工作的不斷深入，對(duì)勘探精度的要求不斷提高，待解決問題的復(fù)雜性和難度加大，單一物探方法已不能滿足新形勢(shì)的要求。雖然有的方法優(yōu)點(diǎn)明顯，但是單一方法往往對(duì)地質(zhì)異常體很難定性，因此綜合物探方法得到了廣泛應(yīng)用。綜合物探方法[23]根據(jù)地質(zhì)體的密度、電性、彈性等多種物性對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，應(yīng)用各種方法相互驗(yàn)證，使采空區(qū)等異常體的確定更加準(zhǔn)確、可靠。

閆長(zhǎng)斌[23]等采用綜合物探技術(shù)對(duì)某復(fù)雜群采空區(qū)進(jìn)行了探測(cè)，探測(cè)結(jié)果表明，綜合物探方法提高了采空區(qū)探測(cè)的準(zhǔn)確度和精度，基本查明了群采空區(qū)的層位、分布、范圍和貫通關(guān)系。張楊文[24]、劉海濤[25]等對(duì)綜合物探方法在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果均表明綜合物探方法相比單一的物探方法，更能夠提高采空區(qū)探測(cè)的準(zhǔn)確度及精度。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)在采空區(qū)地段進(jìn)行工程建設(shè)，準(zhǔn)確探測(cè)出采空區(qū)的位置、范圍、邊界等十分關(guān)鍵，探測(cè)的精確程度直接影響著采空區(qū)的設(shè)計(jì)施工等后續(xù)工作，對(duì)采空區(qū)危害性的評(píng)價(jià)及處治技術(shù)等工作的進(jìn)行至關(guān)重要。

(2)目前國(guó)內(nèi)外采空區(qū)勘察與探測(cè)方法主要為采礦情況調(diào)查、工程鉆探、地球物理勘探等。不同的采空區(qū)探測(cè)方法具有不同的使用條件和適用范圍，在具體的采空區(qū)探測(cè)實(shí)踐中必須根據(jù)空區(qū)的實(shí)際情況和空區(qū)探測(cè)的具體要求，包括礦區(qū)地質(zhì)條件、巖性、空區(qū)基本類型、大體埋深等資料，選擇技術(shù)條件符合要求、使用安全、操作方便、經(jīng)濟(jì)可靠的空區(qū)探測(cè)方法。

(3)隨著對(duì)探測(cè)精度要求的提高及采空區(qū)復(fù)雜程度的加大，單一的勘察與探測(cè)方法往往不能取得較好的探測(cè)結(jié)果，需要采用多種勘探方法相結(jié)合的綜合勘探方法。在實(shí)際采空區(qū)探測(cè)工作中，應(yīng)根據(jù)具體情況，選擇兩種或兩種以上的復(fù)合互補(bǔ)型的采空區(qū)勘察與探測(cè)方法。在具體放線布點(diǎn)時(shí)，既要考慮礦區(qū)地面地形情況，也要考慮礦區(qū)已有的探測(cè)鉆孔的分布情況，必要時(shí)還必須新增少量探測(cè)鉆孔，便于將不同方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，相互驗(yàn)證，以提高探測(cè)結(jié)果的精度及可信度。

參考文獻(xiàn)：

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