国内外采空区勘察与探测方法综述

郑志龙， 车 琪， 宋书志

(1. 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072；2. 内蒙古北方时代设计研究院股份有限公司， 内蒙 赤峰 024000)

0 前 言

采空区[1]是指地下矿产被采出后留下的空洞区，按矿产被开采的时间，可分为老采区、现采区和未来采区。地下矿层大面积采空后，矿层上部失去支撑，原始地应力平衡被打破，采空区上方岩体随之发生变形，其总的过程是自下而上逐渐发展的漏斗状沉落，一般在采空区上方形成三个变形带，即“三带”：冒落带、裂隙带和弯曲带。随着离层裂缝的不断发生、发展与闭合，上覆岩体变形逐渐由下向上传递。当采空区足够大时，地表往往会形成一个比采空区面积大得多的下沉盆地。在开采沉陷过程中，受重力等地应力作用，上覆岩体变形破坏形式主要包括冒落、弯曲、断裂、层间错动、离层、剪胀、冒落岩块压密、岩石浸水软化等。在经过一系列变形破坏之后，采空区上方岩体通过不断的应力调整，最后达到新的应力平衡状态，处于暂时的稳定状态。受人类工程活动(如在采空区上方修建建筑物、矿产的进一步开采及地下强抽水等)及自然因素(强降雨、地震等)影响，采空区上方岩体新建立的应力平衡又被打破，采空区发生进一步的变形破坏，由此带来一系列环境岩土工程问题，如平地积水、道路裂缝、房屋倒塌、耕地减少等，对人们的生产、生活及人身安全造成重大影响和危害。因此在工程建设时，必须对采空区的位置、范围、边界等进行探测勘察，并对采空区的稳定性作出分析评价。

目前，国内外对于采空区的研究主要集中在采空区的探测技术、稳定性评价技术、治理技术及质量监控技术四个方面[1]。采空区探测技术作为采空区研究的重点课题之一，其仍旧处于不断发展的过程中，在传统探测技术的基础上挖掘新的探测方法及探索各类方法的综合应用十分必要。采空区探测技术的研究具有重要的理论意义与实践价值。

1 采空区勘察与探测方法

目前，国内外采空区的勘察与探测[1]主要是基于对采矿情况的调查及资料收集，采用地球物理勘探、工程钻探、变形观测及水文试验等手段进行。美国等发达国家主要采用物探方法。近年来我国物探技术发展较快，采空区探测也多采用物探方法，并加以钻探验证。

1.1 收集资料与调查访问

采空区勘察与探测首先建立在对开采资料的收集及采矿情况调查的基础上。若缺乏开采的相关资料，仅通过钻探和物探方法查明采空区的情况极为困难，且费用很高。调查访问可以了解开采期间地面变形破坏情况和井下开采情况。资料收集及调查访问是科学布置勘探工作量的依据，可以节省大量的勘察费用和缩短工期。因此，对于采空区场地，收集采矿相关资料极为重要。

1.2 工程物探

用于地下采空区探测的物探种类很多，主要包括电法、电磁法、地震波法、声波法、重力法等几类[2]。各种不同的物探方法都有各自的特点、一定的适用条件和应用范围。在采空区探测实际应用中，应根据不同的探测对象，合理选取信息量最大的、最可靠、最适用的物探方法以获得最好的探测效果及最高的探测精度。

1.3 钻 探

钻探是以“点”的方式有效揭露地层及地下开采情况的勘探方法。借助钻探能详细查明钻孔剖面上的岩性特点、岩心采取率、RQD值、冲洗液漏失情况及数量、掉钻卡钻现象、煤心采取率、冒落物特点等。根据这些资料能有效地了解“三带”分布、冒落物的密实程度、采空区充水性和连通性等。钻探过程中采取岩土试样进行室内试验，取得建筑物设计所需的物理力学性质指标。对于开采图件齐全且准确的场地，钻孔布置及深度可以不考虑采空因素，按正常地表土条件确定。

采空区的勘察必须根据工程的特殊技术要求、场地地质条件及物探方法的特点与适用条件，选择相应的物探方法及其组合，并以一定数量的钻探对物探的结果进行验证。通过对比钻探和物探资料，修正物探结果，以点带面，就能综合判断地下开采情况。

2 采空区探测主要的物探方法

2.1 微重力勘探

微重力勘探方法是利用地下地质体质量亏损或盈余，在地表观测它们引起的重力异常，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。在采空区塌陷且不充水时，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。因此，微重力法是采空区勘测的重要方法之一。在国内，王延涛[3]等采用微重力勘探方法对山西某煤矿采空区进行了探测，探测结果表明该方法能够基本查明采空区的边界，是采空区探测一种较方便、有效的勘探方法。唐沛[4]对微重力法在岩溶山岭隧道勘察中的应用进行了研究，研究结果表明微重力法比较适用于地形复杂山区溶洞的勘察。

2.2 电法与磁法勘探

2.2.1 双频激电法

双频激电法，即激发极化法(IPM)，是以岩矿石电化学性质为物理前提的一种物探方法。双频激电法的核心是把两种频率的方波电流叠加起来，形成双频组合电流(高、低两种频率)。双频激电法将叠加形成的双频组合电流同时供入地下，接受来自地下含有两个主频率的激电总场的电位差信息，经过仪器内部的放大、选频、检波等一系列步骤，一次性同时得到低频电位差和高频电位差。双频激电法的基本原理如图1所示。

图1 双频激电法原理示意

岩层与采空区之间存在的较大的电性差异是利用双频激电法探测采空区的物理前提。基于此，余传涛[5]等采用双频激电法对某已知煤矿采空区进行了探测试验，试验结果表明双频激电法用于探测煤矿采空区是可行的。

2.2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法 (TEM)其物性基础是地质体的电阻率差异。该方法是向地下发送一次脉冲磁场，地下地质体受激引起随时间变化的涡流感应二次场，二次场的变化特性与地质体的电性有关，高阻地质体感应二次场电压较小；二次场衰减速度较快；低阻地质体感应二次场电压较大，二次场衰减速度较慢。根据二次场衰变特征, 就可以判断地质体的性质、规模等。其原理如图2所示。

图2 瞬变电磁法原理示意

瞬变电磁法是一种极具发展前景的方法，可查明含水地质体，如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。王俊茹[6]等采用瞬变电磁法在某高速公路采空区进行了应用研究，结果表明该法能较好地查明采空区的分布位置和埋深。郭有刚[7]、赵广茂[8]等，对瞬变电磁法在采空区探测的应用进行了研究，均取得较好的效果。

2.2.3 高密度电阻率法

高密度电法探测采空区是基于矿体与采空区电阻率差异的物理特性来确定某一区域矿体内异常区域。当人工向地下A、B电极加载直流电场I时，通过测量预先布置M、N极间的点位差△V，求出此预先布置点间的视电阻率值，通过研究地下一定范围内大量丰富的空间电阻率变化，来查明和研究探测矿岩体的异常区域。高密度电法的核心是常规电法实现了野外测量数据的快速、自动和智能化采集。其工作原理如图3所示。

图3 高密度电阻率法工作原理

采空区与岩体电阻率差异明显，易于辨认，高密度电法用于采空区探测效果较好。辛思华[9]、石林珂[10]等，对高密度电法在采空区探测中的应用进行了研究，研究结果表明高密度电法用于采空区探测能获得较好的探测效果。

2.2.4 地质雷达(GPR)

地质雷达(GPR)是由发射部分和接收部分组成，是利用高频电磁波以宽频带脉冲形式在地面通过发射天线送入地下，电磁波在地下传播过程中，当遇到目标体如采空区等时，会产生反射并返回地面，被接收天线接收。其工作原理如图4所示。

图4 地质雷达探测原理示意

地质雷达在探测浅部地层介质时，具有比地震波更高的分辨率，其用于探测采空区更具优越性和准确性。程久龙[11]、龚术[12]、张远博[13]等，对地质雷达在采空区探测中的应用展开了研究，研究结果表明地质雷达能较为准确地探测出采空区的位置、规模等，探测效果较好。

2.2.5 可控源音频大地电磁法

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是电磁法的一种。采空区由于地下水的充填及地表水沿裂缝向采空区渗漏，其电阻率将明显发生变化，与围岩电性形成较明显的差异， 电阻率异常特征上表现为形成的视电阻率相对高低不同，为CSAMT法的勘探提供了前提条件。CSAMT是一种采用主动源的物探方法，其在采空区探测中得到了广泛应用。李金祥[14]、贾永梅[15]等，采用可控源音频大地电磁法对采空区进行探测均取得了较好的效果。

2.3 地震勘探

地震勘探是利用地层的弹性差异来探测地质构造的重要物探方法。在采空区探测中，浅层地震反射波法、瑞雷波法及弹性波CT法等方法也得到广泛的应用。

2.3.1 浅层地震反射波法

浅层地震反射波法是利用人工激发的地震波在弹性介质传播的规律，通过人工在地面激发弹性波，当点源激发的地震波入射到地下介质分界面时，由于不同介质间存在波阻抗差异，地震波会在地下不同介质界面处产生反射；沿测线的不同位置用检波器接收其反射波信号。地震波在介质中传播时，其路径、振动强度和波形将随介质的弹性性质及几何形态的不同而变化。对仪器接收到的地震波形资料，利用专门的地震资料处理软件进行全面分析、处理和计算，得到地震时间剖面。当地层连续时，地震时间剖面表现为反射波连续；当地震波遇到采空区、溶洞及破碎带等异常地质体时，地震时间剖面表现为反射波紊乱。其原理如图5所示。

在有煤矿地区的工程建设中，许多煤矿采空区的勘测采用浅层地震反射波法，应用该法能较好地解决和圈定出煤矿采空区[16]。

2.3.2 瑞雷波法

瑞雷波(R波)法是一种面波勘探方法，按照激振方式的不同，瑞雷波法又分为稳态法和瞬态法两种。目前，经常使用的瑞雷波法是瞬态法。瞬态瑞雷波法是通过锤击、落重乃至炸药震源，产生一定频率范围的瑞雷波，再通过振幅谱分析和相位谱分析，把记录中不同频率的瑞雷波分离出来，从而得到频散曲线。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。其原理如图6所示。

图6 瞬态瑞雷波法原理示意

国内采用瑞雷波探测采空区的实践中表明该法的探测效果较好，如：王万顺[17]等采用大能量瑞雷波法对某采空区进行了探测，结果表明该法可以十分有效地圈定采空区的赋存状态。苏晓强[18]等对瑞雷波法在采空区探测中的应用进行了研究，研究结果表明瑞雷波法是探测采空区的有效方法。

2.3.3 弹性波CT法

弹性波CT技术，即：地震波层析成像技术，是近年发展起来的物探方法。这种技术通过边界对弹性波信号的差异反应，获取地下岩土体物性参数的分布信息。弹性波信号一般指波在地下介质中的传播速度，由速度的差异进一步解译其他所需信息。具体实现过程是根据地质条件、测试条件和探测精度要求，将两钻孔之间的区域离散成若干个规则的网格单元，并将两钻孔处的网格节点分别作为弹性波测试时的发射点和接收点。实际工作时根据目标体的大概分布规律合理布设钻孔和观测系统，采用一发多收的扇形透射，即在任一节点发射时，所有接收点都能接收到该发射点产生的信号。逐点激发将在被测区域形成致密的射线交叉网络。正常状态时，每条射线弹性波旅行时间将被唯一确定，而射线通过异常体时，将产生时间旅行差，当多条致密交叉射线通过异常体时，就会对异常体的空位置进行唯一确定，然后再根据射线的疏密程度及成像精度的要求在施测范围内划分若干规则的成像单元。通过对诸多成像单元波速的数学物理反演计算，可获得异常体的空间展布形态，如图7所示。

采空洞穴相对围岩而言，波速较低。地震波穿透这些低速介质时，则旅行时间增加。采用相互交叉的致密射线构成的网络，可对洞穴及其内部充填物等低速介质在空间上的位置进行确定。在地震波CT剖面中，一般主要解释低速异常区的位置和大小来识别采空洞穴[19]。

图7 层析成像原理示意

2.4 氡气勘探

在采空区探测中常用的放射性方法是氡气(Rn)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。

刘敦旺[20]、牛永效[21]、张吉振[22]等，对测氡法才采空区探测中的应用进行了研究，结果表明测氡法是一种有效的采空区勘察与探测技术。

2.5 综合物探法

随着勘探工作的不断深入，对勘探精度的要求不断提高，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[23]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，应用各种方法相互验证，使采空区等异常体的确定更加准确、可靠。

闫长斌[23]等采用综合物探技术对某复杂群采空区进行了探测，探测结果表明，综合物探方法提高了采空区探测的准确度和精度，基本查明了群采空区的层位、分布、范围和贯通关系。张杨文[24]、刘海涛[25]等对综合物探方法在采空区探测中的应用进行了研究，结果均表明综合物探方法相比单一的物探方法，更能够提高采空区探测的准确度及精度。

3 结 语

(1)在采空区地段进行工程建设，准确探测出采空区的位置、范围、边界等十分关键，探测的精确程度直接影响着采空区的设计施工等后续工作，对采空区危害性的评价及处治技术等工作的进行至关重要。

(2)目前国内外采空区勘察与探测方法主要为采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探等。不同的采空区探测方法具有不同的使用条件和适用范围，在具体的采空区探测实践中必须根据空区的实际情况和空区探测的具体要求，包括矿区地质条件、岩性、空区基本类型、大体埋深等资料，选择技术条件符合要求、使用安全、操作方便、经济可靠的空区探测方法。

(3)随着对探测精度要求的提高及采空区复杂程度的加大，单一的勘察与探测方法往往不能取得较好的探测结果，需要采用多种勘探方法相结合的综合勘探方法。在实际采空区探测工作中，应根据具体情况，选择两种或两种以上的复合互补型的采空区勘察与探测方法。在具体放线布点时，既要考虑矿区地面地形情况，也要考虑矿区已有的探测钻孔的分布情况，必要时还必须新增少量探测钻孔，便于将不同方法得到的结果进行对比分析，相互验证，以提高探测结果的精度及可信度。

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