地球物理勘探在礦井地質災害防治工作中扮演重要角色，以下是小編蒐集的一篇探究礦山採空區調查的論文範文，歡迎閱讀檢視。
我國山西、河北、河南、內蒙古、安徽等地煤炭資源豐富，開採歷史悠久。煤炭資源的大規模開發和利用，在帶來巨大經濟效益和社會效益的同時，也給礦山及周圍生態環境帶來了嚴重的破壞。特別是不少煤礦越界開採、附近小煤窯亂採濫挖、資源整合後煤礦以往的地質和採礦資料丟失嚴重等原因，形成了大量隱性採空區。採空區的形成使地球表面和岩石圈的自然平衡發生破壞和改變，若不及時處理，當這些採空區達到一定的規模就會產生大面積坍塌，這不僅會導致地下水枯竭、耕地破壞、生態環境惡化、房屋下沉裂損，道路變形開裂，還會給經過採空區的高速公路、鐵路、機場等重大工程以及城市建築的路基、地基穩定性帶來極大威脅。目前，我國僅煤礦採空塌陷區面積已超過7000平方公里，採空區探測問題在煤礦開採中尤為重要。為減輕和預防由地下采空區所引發的地質災害，礦山採空區調查及探測已列入礦山安全生產和區域規劃的重要範疇。
1煤礦採空區形成機理
地下煤層採空後形成具有一定幾何規模的空間稱為採空區。採空區的出現使得周圍巖體原有應力平衡狀態遭到破壞，上覆岩層失去支撐，產生移動變形，直到破壞塌落。隨著煤層開採面積的擴大，上覆岩層自下向上直至地表逐次產生移動、變形、破裂等，由此引起採空區塌陷、回填及地面塌陷下沉。隨著開採的終結及時間的變化，當應力重新分佈並達到新的平衡時，岩層與地表移動終止。
1.1採空區上覆巖體的移動
煤層開採後，頂板失去支撐，上覆岩層出現懸空彎曲，靠留設的煤柱或採空區邊界支撐，在重力作用下產生彎曲變形，使得煤層上方岩層受到指向採空區的拉應力作用而產生下沉。靠近煤層的岩層下沉是由於煤層開採導致採空區內附加應力大於原始壓應力造成的，遠離煤層的岩層下沉是因自重壓應力作用引起的。同時，採空區上覆岩層彎曲對煤柱上方巖體產生的拉應力也是使其移動的動力。在壓應力及拉應力作用下頂板產生橫向移動，下部岩層在水平方向上產生的移動就會對上面岩層產生附加作用力，促使受到影響的巖體在水平方向上發生移動。
1.2採空區上覆巖體的變形
煤層採空區上部岩層出現坍落而形成冒落帶，向上冒落巖塊逐漸增大，似層狀，但已脫離母體岩層;頂板冒落後，由於破碎使體積增大而產生碎脹，導致碎塊間空隙增多，連通性增強，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，在採空區上方產生較大的拉應力，兩側受到較大的剪應力，上覆巖體受到冒落帶破碎巖體的支承而產生垂直於層面方向的裂縫、離層和斷裂，即形成裂隙帶，岩石的整體性受到破壞，但仍保持原有的結構。裂隙帶以上直到地面的彎曲下沉帶岩層，在自重應力作用下只產生彎曲變形而不再破裂。“三帶”的發育情況與煤層的賦存條件、開採深度和厚度、上覆岩層性質、開採方法及頂板管理方法等因素有關。
2煤礦採空區探測
目前，採空區探測方法有現場調查、物探與鑽探。鑽探方法比較直觀，但不適合大範圍採空區和濫採亂挖形成的群採空區。由於採空區介質與圍巖相比，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勢，因此在採空區探測中應用較廣。在實際探測中，通常是先收集相關資料和進行現場調查，再利用各種物探方法進行探測，最後以鑽探方法來驗證、修正，使得物探資料解釋更符合實際地質情況。由此可見，物探方法在採空區探測中具有舉足輕重的作用。
3採空區物性特徵及探測方法
3.1煤礦採空區物性特徵
採空區的物性特徵不僅與冒落帶、裂隙帶的範圍、圍巖巖性、充填物及含水程度等有關，還與時間、採深、上覆岩層穩定程度有關。對於正在進行開採的採空區而言，冒落帶、裂隙帶不發育，當採深比較大時，採空區引起的地球物理異常非常弱，探測的效果也較差。對於開採後廢棄的採空區而言，其上覆岩層已達到新的應力平衡狀態，冒落帶、裂隙帶均已發育成熟。冒落帶由於塌陷作用，與完整地層相比，巖性變得疏鬆、密實度降低，增大了採空區的規模，擴大了異常範圍，有利於採空區的探測。裂隙帶與完整地層相比，雖然巖性沒有發生明顯的變化，但裂隙發育情況較為複雜，再加之內部有鬆散物或水充填，使得采空區上方的物性受多種因素的影響，變得更為複雜。
(1)電阻率特徵
當煤層未被採動時，地層具有成層性和完整性，在小區域內，同一地層的電性差異相差不大。當煤層被採動後，短期內形成一定規模的充氣空間且無填充，其電阻率較圍巖高。經過一段時間後，採空區上覆岩層在重力作用下發生塌陷變形，致使岩層破碎並出現裂縫，若無地下水經裂隙向採空區彙集時，其電阻率較大;若地下水沿破碎岩層和裂縫向採空區彙集並溶解大量的電解質時，呈低電阻高極化特徵。
(2)電磁波特徵
電磁波會在地下介電常數和電導率發生變化的位置發生反射，引起二者變化的因素主要是介質電性的不同、相對密度的改變、介質含水量的變化等。獨立存在的採空區中充滿空氣，介電常數較上覆岩層及圍巖都大，電導率極小;當上覆岩層塌落下沉，採空區被充填，其介電常數較完整的煤層大，電導率增大，隨著密實程度和含水量的增大，介電常數減小，電導率增大。
(3)地震波特徵
煤層與圍巖之間存在明顯的波阻抗差異，當煤層具有足夠厚度時，便可形成良好的煤層反射波。但煤層採空及其頂板遭受破壞後，地層變得疏鬆，介質密度降低，地層對地震波的吸收頻散衰減作用增強，同時使傳播的地震波速度下降，而它不論被何種介質所充填，在其邊緣部位都存在一個明顯的波阻抗反射介面，採空區內介質和圍巖介質的波速存在明顯的差異。
(4)面波特徵
煤層採空區或塌陷區與完整地層相比，地層變得疏鬆、密實度降低，使傳播於其中的瑞雷波速度下降。當採空區上覆岩層未發生塌陷並以空洞形式儲存下來時，瑞雷波傳播到斷裂、破碎和空洞位置時會突然消失或發生散射，在頻散曲線上反映為在採空區頂板處有明顯的“之”字形拐點，且速度迅速下降;當採空區發生塌陷後，引起煤層上部地層結構疏鬆，使得傳播於其中的瑞雷波速度降低，在頻散曲線上反映受影響地段內瑞雷波速度顯著降低。
(5)密度特徵
煤層採掘後形成空區，致使煤系地層質量虧損，當煤礦採空區儲存完整時形成低值剩餘重力異常;在採空區塌陷而不充水時，質量虧損值不變，但負密度值減小，影響厚度增大;在採空區充水時，虧損質量得到一定補償，比不充水的同樣情況下，負密度值減小，均會產生區域性剩餘重力異常。
(6)放射性元素分佈特徵
煤層未採動之前，巖性均勻，地層穩定，地表土體一定深度內，氡氣濃度相對穩定。
而在採煤過程中，地層將不斷受到破壞，氡氣的聚集與散溢環境將發生變化。當採空區未塌陷時，形成的採空區由於其緻密性差，通氣效能好，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移，在垂向地面土壤層中形成高氡濃度正異常。當發生塌陷區且延伸至地面，由於採空區上覆岩層裂隙度增加，具有豐富的微小通道，對氡氣運移極為有利，但由於塌陷裂隙已經延至地面，其儲存條件受到破壞，氡濃度呈現較不穩定的正異常。
3.2煤礦採空區探測方法
3.2.1方法概述
從介質的物理特徵引數出發，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、地震勘探、瞬態瑞雷波法、氡氣測量等在採空區探測中都發揮著重要作用。
(1)瞬變電磁法
瞬變電磁法是一種時間域的人工源電磁感應探測方法。它利用不接地回線或接地電極向地下發送脈衝式一次電磁場，在一次脈衝磁場的間歇期間，用線圈或接地電極觀測地質體受激而引起的渦流所產生的隨時間變化的感應二次場，低阻體感應二次場衰減速度較慢，二次場電壓較大;高阻體感應二次場衰減速度較快，二次場電壓較小。由此根據二次場衰減曲線特徵可判斷地下地質體的電性、規模和產狀等。由於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;縱橫解析度高，勘探深度大，施工效率高;能適應各種不同的地面施工條件，受地形影響較小;傳送磁脈衝不受地表高阻體的影響。目前在國內採空區探測領域被廣泛應用。
(2)高密度電法
高密度電法將常規電剖面法和電測深法的特點集於一體，不僅可提供地下一定深度範圍內橫向的電性變化情況，而且還可提供垂向電性的變化特徵。它將數根電極以某一固定極距一次性佈設完畢，通過供電電極向地下介質供直流(或超低頻流)電流，由測量電極測量電位差，求得該記錄點的視電阻率。通過程控式多路電極轉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，進行疊加觀測，以便測量不同深度的電位差值，完成資料的快速採集。該法具有觀測簡單，工作效率高，採集資訊量豐富，物理解釋直觀，探測能力強，精度高等特點，並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，實現了野外資料採集的自動化。
(3)可控源音訊大地電磁法
可控源音訊大地電磁法是以有限反接地導線為場源，在距偶極中心一定距離處同時觀測電場和磁場引數的一種電磁測深方法。根據電磁波的趨膚效應理論，當地表電阻率一定時，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射頻率獲得不同探測深度的卡尼亞電阻率，達到頻率測深的目的。可控源音訊大地電磁法輕便快捷，一次發射可完成多個點的頻率測深，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，受地形影響小，高阻遮蔽作用小，勘探深度大，解析度高。
(4)探地雷達
探地雷達主要是利用106~109Hz波段的高頻電磁波，通過特定儀器以寬頻帶短脈衝形式經發射天線的發射器送入地下，電磁波在介質中傳播，當遇到存在電性差異的地下目標體時，電磁波便在目標體表面發生反射，反射回的電磁波回到地面並由接收天線所接收。在對接收天線接收到的電磁波進行處理和分析的基礎上，根據接收到的雷達波形、振幅強度、雙程時間等引數推斷地下目標體的空間位置、結構、電性及幾何形態，從而達到對地下隱蔽目標物探測的目的。該方法具有無損、高效、快捷、準確等優點;但是如果地下介質充水或是周圍電磁干擾較大時，其探測精度和深度將受到嚴重影響。
(5)甚低頻電磁法
甚低頻電磁法利用分散在全球各地數十個頻率為15~25kHz的長波電臺發射的電磁波作為場源。當電磁波在傳播過程中遇到地質體時，使其極化產生二次電流，從而引起感應二次場，一般情況下二次場和一次場合成後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，通過測量某些引數的畸變發現地質異常。該法無需發射裝置，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，實踐也表明了用甚低頻電磁法勘查隱伏採空區是有效的。
(6)地震勘探
地震勘探方法多樣化，應用於煤礦採空區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、解析度高、探測深度大，資料處理與解釋技術方法先進，反映地質異常明顯等特點。地震反射波法採用人工激發震源，使震源附近的質點產生震動，形成地震波在地下介質中傳播，當遇到兩種不同彈性介質介面時，便產生反射，利用反射波的強度、頻譜、相位、波長、反射波的傳播時間和空間的關係來判斷不同的介質，從而解決相關的地質問題。煤層採空區引起的上覆岩層破壞對地震波有很強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為反射波波形變得不規則、紊亂甚至產生畸變，採空區下方岩層因相對完整而變化不明顯，是在地震時間剖面上識別煤層採空區的一個重要標誌。
地震映像法是基於反射波法中的追加偏移距技術發展起來的，這種方法可以利用多種地震波作為有效波來進行探測，也可以根據探測目的要求僅採用一種特定的地震波作為有效波進行探測。在測量中，激發後在接收點用單個檢波器接收，儀器記錄後，激發點和接收點同時向前移動一定的距離(點距)，重複上述過程可獲得一條剖面上的地震映像時間剖面。該法具有資料採集速度快，勘探深度不受限制;無需進行校正處理，不但節省了資料處理時間，也避免了動校正對淺層反射波拉伸、畸變的影響;多種地震波資訊的利用極大提高了解釋的準確度。
井間地震(也稱地震波層析成像技術，或鑽孔彈性波CT技術)是將震源與檢波器都置入井中進行地震波觀測的新型物探方法。在震源井的預定位置上設定震源點，在接收井中設定接收點，佈置檢波器，目前多采用共炮點資料採集、共接收點資料採集、炮點接收點平行同步移動觀測等。通過井間水平距離、震源點與接收點的垂直距離、初至時間計算出地震波在震源點和接收點之間的實際傳播速度，再用實際速度和理論速度的百分比來評價採空區上方地層的壓實程度，推測採空區範圍。
(7)瞬態瑞雷波法
瞬態瑞雷波法是由地面一點激發出不同頻率的瞬態瑞雷波，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變化。該方法是利用瞬態瑞雷波在層狀介質中傳播時，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佈有唯一的對應關係;瑞雷波與橫波、縱波相比能量強、波速較小，解析度高，重複性好;瑞雷波相速度與層內橫波速度有著明顯的相關性;瑞雷波的穿透深度與激發波長有關等特點來確定採空區、塌陷區的範圍及頂板埋深。
(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上，利用地下地質體質量虧損或盈餘，在地表觀測他們引起的重力異常，從而確定地下地質體的分佈、大小邊界等。由於採空區形成質量虧損，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的資料處理解釋方法，在面積上控制採空區範圍。
(9)放射性測量
在採空區探測中常用的放射性方法是氡氣測量。當有采空區存在時，放射性氡氣通過採空區的儲氣、集氣、通道三個作用，向採空區運移、集聚，在地表形成一個與採空區形態相對應的氡氣異常區，可以通過測量地表氡元素的濃度來準確圈定煤礦採空區的位置和範圍。由於該方法測試場地的適應性較強，不受地電地磁影響，探測深度較大，在採空區探測中有良好的應用效果。現在常用的有活性碳吸附法、常規氧氣測量、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。
(10)鐳射三維掃描法
鐳射三維掃描法是利用鐳射的高精確度對地下采空區的大小、位置進行三維探測的新型方法。鐳射三維掃描器能迅速記錄與所觀測物件有關的大量三維資料資訊，探測精確，直觀、解析度高，通過三維模擬可建立採空區的空間立體模型;但是由於需要鑽孔，所以探測週期較長，勞動強度大，且容易受環境影響，探測深度有限，目前在金屬礦山採空區探測得以應用，將此法應用於煤礦採空區及塌陷區探測的為數不多。
3.2.2方法選擇原則
由於採空區形成原因的複雜性，其形態特徵及空間分佈都無規律可循。在現有的科學技術和儀器裝置條件下，科學合理地選擇功能強、技術可行、資料可靠、經濟合理、適用性好、操作方便的探測方法是探明採空區，解除安全隱患的先決條件。因實際情況而異，但大體要遵循物性差異、儀器裝置、工作效率及成本等原則。
(1)根據採空區與圍巖的電、重、震、放射性等物性差異選擇探測效果明顯、能清晰反映異常特徵的勘探方法。
(2)所選儀器裝置應儘量輕便、操作簡便、抗外界干擾能力強、解析度高;在野外可實現快速化、自動化和智慧化測量。
(3)測點測線佈置以能夠控制探測目標體為重，可適當增加測點測線進行對比驗證。
(4)儘量選擇從地表直接進行探測的技術方法，這樣既不受井下惡劣環境與工作條件的影響，又能極大地降低探測人員的勞動強度。
(5)採用地表探測方法既不破壞礦體的完整性和穩固性，又能節省大量工程費用，對礦山資源的回收有利，探測成本也較低。
4結論
地球物理勘探在礦井地質災害防治工作中扮演重要角色，特別是煤礦採空區調查中，只要物性前提具備、工作方法選擇恰當，可以較為準確、快速的確定採空區的位置、分佈範圍及富水情況，從而為礦井工作面佈置、開採方式選擇等提供科學依據，為防止出水淹井、礦區地面下沉、房屋開裂倒塌等事故提供可靠的地質資料。
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