我国山西、河北、河南、内蒙古、安徽等地煤炭资源丰富，开采历史悠久。煤炭资源的大规模开发和利用，在带来巨大经济效益和社会效益的同时，也给矿山及周围生态环境带来了严重的破坏。特别是不少煤矿越界开采、附近小煤窑乱采滥挖、资源整合后煤矿以往的地质和采矿资料丢失严重等原因，形成了大量隐性采空区。采空区的形成使地球表面和岩石圈的自然平衡发生破坏和改变，若不及时处理，当这些采空区达到一定的规模就会产生大面积坍塌，这不仅会导致地下水枯竭、耕地破坏、生态环境恶化、房屋下沉裂损，道路变形开裂，还会给经过采空区的高速公路、铁路、机场等重大工程以及城市建筑的路基、地基稳定性带来极大威胁。目前，我国仅煤矿采空塌陷区面积已超过 7000 平方公里，采空区探测问题在煤矿开采中尤为重要。为减轻和预防由地下采空区所引发的地质灾害，矿山采空区调查及探测已列入矿山安全生产和区域规划的重要范畴。
1 煤矿采空区形成机理
地下煤层采空后形成具有一定几何规模的空间称为采空区。采空区的出现使得周围岩体原有应力平衡状态遭到破坏，上覆岩层失去支撑，产生移动变形，直到破坏塌落。随着煤层开采面积的扩大，上覆岩层自下向上直至地表逐次产生移动、变形、破裂等，由此引起采空区塌陷、回填及地面塌陷下沉。随着开采的终结及时间的变化，当应力重新分布并达到新的平衡时，岩层与地表移动终止。
1.1 采空区上覆岩体的移动
煤层开采后，顶板失去支撑，上覆岩层出现悬空弯曲，靠留设的煤柱或采空区边界支撑，在重力作用下产生弯曲变形，使得煤层上方岩层受到指向采空区的拉应力作用而产生下沉。靠近煤层的岩层下沉是由于煤层开采导致采空区内附加应力大于原始压应力造成的，远离煤层的岩层下沉是因自重压应力作用引起的。同时，采空区上覆岩层弯曲对煤柱上方岩体产生的拉应力也是使其移动的动力。在压应力及拉应力作用下顶板产生横向移动，下部岩层在水平方向上产生的移动就会对上面岩层产生附加作用力，促使受到影响的岩体在水平方向上发生移动。
1.2 采空区上覆岩体的变形
煤层采空区上部岩层出现坍落而形成冒落带，向上冒落岩块逐渐增大，似层状，但已脱离母体岩层；顶板冒落后，由于破碎使体积增大而产生碎胀，导致碎块间空隙增多，连通性增强，岩体的碎胀程度直接影响其高度。冒落带上方岩体因弯曲变形过大，在采空区上方产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力，上覆岩体受到冒落带破碎岩体的支承而产生垂直于层面方向的裂缝、离层和断裂，即形成裂隙带，岩石的整体性受到破坏，但仍保持原有的结构。裂隙带以上直到地面的弯曲下沉带岩层，在自重应力作用下只产生弯曲变形而不再破裂。“三带”的发育情况与煤层的赋存条件、开采深度和厚度、上覆岩层性质、开采方法及顶板管理方法等因素有关。
2 煤矿采空区探测
目前，采空区探测方法有现场调查、物探与钻探。钻探方法比较直观，但不适合大范围采空区和滥采乱挖形成的群采空区。由于采空区介质与围岩相比，都存在明显的物性差异，从而具备了地球物理勘探的前提，物探本身还具有快速和大面积普查的优势，因此在采空区探测中应用较广。在实际探测中，通常是先收集相关资料和进行现场调查，再利用各种物探方法进行探测，最后以钻探方法来验证、修正，使得物探资料解释更符合实际地质情况。由此可见，物探方法在采空区探测中具有举足轻重的作用。
3 采空区物性特征及探测方法
3.1 煤矿采空区物性特征
采空区的物性特征不仅与冒落带、裂隙带的范围、围岩岩性、充填物及含水程度等有关，还与时间、采深、上覆岩层稳定程度有关。对于正在进行开采的采空区而言，冒落带、裂隙带不发育，当采深比较大时，采空区引起的地球物理异常非常弱，探测的效果也较差。对于开采后废弃的采空区而言，其上覆岩层已达到新的应力平衡状态，冒落带、裂隙带均已发育成熟。冒落带由于塌陷作用，与完整地层相比，岩性变得疏松、密实度降低，增大了采空区的规模，扩大了异常范围，有利于采空区的探测。裂隙带与完整地层相比，虽然岩性没有发生明显的变化，但裂隙发育情况较为复杂，再加之内部有松散物或水充填，使得采空区上方的物性受多种因素的影响，变得更为复杂。
（1）电阻率特征
当煤层未被采动时，地层具有成层性和完整性，在小区域内，同一地层的电性差异相差不大。当煤层被采动后，短期内形成一定规模的充气空间且无填充，其电阻率较围岩高。经过一段时间后，采空区上覆岩层在重力作用下发生塌陷变形，致使岩层破碎并出现裂缝，若无地下水经裂隙向采空区汇集时，其电阻率较大；若地下水沿破碎岩层和裂缝向采空区汇集并溶解大量的电解质时，呈低电阻高极化特征。
（2）电磁波特征
电磁波会在地下介电常数和电导率发生变化的位置发生反射，引起二者变化的因素主要是介质电性的不同、相对密度的改变、介质含水量的变化等。独立存在的采空区中充满空气，介电常数较上覆岩层及围岩都大，电导率极小；当上覆岩层塌落下沉，采空区被充填，其介电常数较完整的煤层大，电导率增大，随着密实程度和含水量的增大，介电常数减小，电导率增大。
（3）地震波特征
煤层与围岩之间存在明显的波阻抗差异，当煤层具有足够厚度时，便可形成良好的煤层反射波。但煤层采空及其顶板遭受破坏后，地层变得疏松，介质密度降低，地层对地震波的吸收频散衰减作用增强，同时使传播的地震波速度下降，而它不论被何种介质所充填，在其边缘部位都存在一个明显的波阻抗反射界面，采空区内介质和围岩介质的波速存在明显的差异。
（4）面波特征
煤层采空区或塌陷区与完整地层相比，地层变得疏松、密实度降低，使传播于其中的瑞雷波速度下降。当采空区上覆岩层未发生塌陷并以空洞形式保存下来时，瑞雷波传播到断裂、破碎和空洞位置时会突然消失或发生散射，在频散曲线上反映为在采空区顶板处有明显的“之”字形拐点，且速度迅速下降；当采空区发生塌陷后，引起煤层上部地层结构疏松，使得传播于其中的瑞雷波速度降低，在频散曲线上反映受影响地段内瑞雷波速度显着降低。
（5）密度特征
煤层采掘后形成空区，致使煤系地层质量亏损，当煤矿采空区保存完整时形成低值剩余重力异常；在采空区塌陷而不充水时，质量亏损值不变，但负密度值减小，影响厚度增大；在采空区充水时，亏损质量得到一定补偿，比不充水的同样情况下，负密度值减小，均会产生局部剩余重力异常。
（6）放射性元素分布特征
煤层未采动之前，岩性均匀，地层稳定，地表土体一定深度内，氡气浓度相对稳定。
而在采煤过程中，地层将不断受到破坏，氡气的聚集与散溢环境将发生变化。当采空区未塌陷时，形成的采空区由于其致密性差，通气性能好，氡气不断聚集，形成放射性元素的富集，氡气沿地层不断向上运移，在垂向地面土壤层中形成高氡浓度正异常。当发生塌陷区且延伸至地面，由于采空区上覆岩层裂隙度增加，具有丰富的微小通道，对氡气运移极为有利，但由于塌陷裂隙已经延至地面，其保存条件受到破坏，氡浓度呈现较不稳定的正异常。
3.2 煤矿采空区探测方法
3.2.1 方法概述
从介质的物理特征参数出发，探测的物探方法很多，各种方法各有所长。瞬变电磁法、高密度电法、探地雷达、地震勘探、瞬态瑞雷波法、氡气测量等在采空区探测中都发挥着重要作用。
（1）瞬变电磁法
瞬变电磁法是一种时间域的人工源电磁感应探测方法。它利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，用线圈或接地电极观测地质体受激而引起的涡流所产生的随时间变化的感应二次场，低阻体感应二次场衰减速度较慢，二次场电压较大；高阻体感应二次场衰减速度较快，二次场电压较小。由此根据二次场衰减曲线特征可判断地下地质体的电性、规模和产状等。由于该方法观测的是纯二次场，不存在一次场的背景，所以抗干扰能力强；纵横分辨率高，勘探深度大，施工效率高；能适应各种不同的地面施工条件，受地形影响较小；发送磁脉冲不受地表高阻体的影响。目前在国内采空区探测领域被广泛应用。
（2）高密度电法
高密度电法将常规电剖面法和电测深法的特点集于一体，不仅可提供地下一定深度范围内横向的电性变化情况，而且还可提供垂向电性的变化特征。它将数根电极以某一固定极距一次性布设完毕，通过供电电极向地下介质供直流（或超低频流）电流，由测量电极测量电位差，求得该记录点的视电阻率。通过程控式多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距间隔，自动改变供电电极与测量电极的距离和位置，进行叠加观测，以便测量不同深度的电位差值，完成数据的快速采集。该法具有观测简单，工作效率高，采集信息量丰富，物理解释直观，探测能力强，精度高等特点，并且在很大程度上减小了因人为改变电极而引起的故障和干扰，实现了野外数据采集的自动化。
（3）可控源音频大地电磁法
可控源音频大地电磁法是以有限反接地导线为场源，在距偶极中心一定距离处同时观测电场和磁场参数的一种电磁测深方法。根据电磁波的趋肤效应理论，当地表电阻率一定时，电磁波的传播深度（或探测深度）与频率成反比，由此可以通过改变发射频率获得不同探测深度的卡尼亚电阻率，达到频率测深的目的。可控源音频大地电磁法轻便快捷，一次发射可完成多个点的频率测深，一次布极可完成几十平方公里的面积测量，工作效率高，抗干扰能力强，受地形影响小，高阻屏蔽作用小，勘探深度大，分辨率高。
（4）探地雷达
探地雷达主要是利用 106~109Hz 波段的高频电磁波，通过特定仪器以宽频带短脉冲形式经发射天线的发射器送入地下，电磁波在介质中传播，当遇到存在电性差异的地下目标体时，电磁波便在目标体表面发生反射，反射回的电磁波回到地面并由接收天线所接收。在对接收天线接收到的电磁波进行处理和分析的基础上，根据接收到的雷达波形、振幅强度、双程时间等参数推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标物探测的目的。该方法具有无损、高效、快捷、准确等优点；但是如果地下介质充水或是周围电磁干扰较大时，其探测精度和深度将受到严重影响。
（5）甚低频电磁法
甚低频电磁法利用分散在全球各地数十个频率为15~25kHz的长波电台发射的电磁波作为场源。当电磁波在传播过程中遇到地质体时，使其极化产生二次电流，从而引起感应二次场，一般情况下二次场和一次场合成后的总场与一次场的振幅方向、相位均不相同，即引起了一次场的畸变，通过测量某些参数的畸变发现地质异常。该法无需发射设备，装备极其轻便，工作效率高、成本低，在好多国家得到推广利用，实践也表明了用甚低频电磁法勘查隐伏采空区是有效的。
（6）地震勘探
地震勘探方法多样化，应用于煤矿采空区的地震勘探主要包括地震反射波法、地震映像法、井间地震。地震勘探具有精度高、分辨率高、探测深度大，数据处理与解释技术方法先进，反映地质异常明显等特点。地震反射波法采用人工激发震源，使震源附近的质点产生震动，形成地震波在地下介质中传播，当遇到两种不同弹性介质界面时，便产生反射，利用反射波的强度、频谱、相位、波长、反射波的传播时间和空间的关系来判断不同的介质，从而解决相关的地质问题。煤层采空区引起的上覆岩层破坏对地震波有很强的吸收频散衰减作用，使反射波频率降低，破碎围岩及裂隙对地震波衰减还表现为反射波波形变得不规则、紊乱甚至产生畸变，采空区下方岩层因相对完整而变化不明显，是在地震时间剖面上识别煤层采空区的一个重要标志。
地震映像法是基于反射波法中的追加偏移距技术发展起来的，这种方法可以利用多种地震波作为有效波来进行探测，也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的地震波作为有效波进行探测。在测量中，激发后在接收点用单个检波器接收，仪器记录后，激发点和接收点同时向前移动一定的距离（点距），重复上述过程可获得一条剖面上的地震映像时间剖面。该法具有数据采集速度快，勘探深度不受限制；无需进行校正处理，不但节省了资料处理时间，也避免了动校正对浅层反射波拉伸、畸变的影响；多种地震波信息的利用极大提高了解释的准确度。
井间地震（也称地震波层析成像技术，或钻孔弹性波 CT 技术）是将震源与检波器都置入井中进行地震波观测的新型物探方法。在震源井的预定位置上设置震源点，在接收井中设置接收点，布置检波器，目前多采用共炮点数据采集、共接收点数据采集、炮点接收点平行同步移动观测等。通过井间水平距离、震源点与接收点的垂直距离、初至时间计算出地震波在震源点和接收点之间的实际传播速度，再用实际速度和理论速度的百分比来评价采空区上方地层的压实程度，推测采空区范围。
（7）瞬态瑞雷波法
瞬态瑞雷波法是由地面一点激发出不同频率的瞬态瑞雷波，波沿地面表层传播，同一频率的传播特性反映了介质在水平方向的变化情况，不同频率的传播特性反映了不同深度的介质变化。该方法是利用瞬态瑞雷波在层状介质中传播时，相速度随频率变化而变化，有明显的频散特性，频散特性与地层瑞雷波相速度及空间分布有唯一的对应关系；瑞雷波与横波、纵波相比能量强、波速较小，分辨率高，重复性好；瑞雷波相速度与层内横波速度有着明显的相关性；瑞雷波的穿透深度与激发波长有关等特点来确定采空区、塌陷区的范围及顶板埋深。
（8）重力勘探
重力勘探方法是在万有引力定律和重力加速度基础上，利用地下地质体质量亏损或盈余，在地表观测他们引起的重力异常，从而确定地下地质体的分布、大小边界等。由于采空区形成质量亏损，密度较围岩变小，从而形成低重力异常。使用高密度、高精度微重力测量和适当的资料处理解释方法，在面积上控制采空区范围。
（9）放射性测量
在采空区探测中常用的放射性方法是氡气测量。当有采空区存在时，放射性氡气通过采空区的储气、集气、通道三个作用，向采空区运移、集聚，在地表形成一个与采空区形态相对应的氡气异常区，可以通过测量地表氡元素的浓度来准确圈定煤矿采空区的位置和范围。由于该方法测试场地的适应性较强，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。现在常用的有活性碳吸附法、常规氧气测量、α 径迹蚀刻测量、α杯测量、Po 测量、α 聚集器测量和热释光测量等等。
（10）激光三维扫描法
激光三维扫描法是利用激光的高精确度对地下采空区的大小、位置进行三维探测的新型方法。激光三维扫描仪能迅速记录与所观测对象有关的大量三维数据信息，探测精确，直观、分辨率高，通过三维模拟可建立采空区的空间立体模型；但是由于需要钻孔，所以探测周期较长，劳动强度大，且容易受环境影响，探测深度有限，目前在金属矿山采空区探测得以应用，将此法应用于煤矿采空区及塌陷区探测的为数不多。
3.2.2 方法选择原则
由于采空区形成原因的复杂性，其形态特征及空间分布都无规律可循。在现有的科学技术和仪器设备条件下，科学合理地选择功能强、技术可行、数据可靠、经济合理、适用性好、操作方便的探测方法是探明采空区，解除安全隐患的先决条件。因实际情况而异，但大体要遵循物性差异、仪器设备、工作效率及成本等原则。
（1）根据采空区与围岩的电、重、震、放射性等物性差异选择探测效果明显、能清晰反映异常特征的勘探方法。
（2）所选仪器设备应尽量轻便、操作简便、抗外界干扰能力强、分辨率高；在野外可实现快速化、自动化和智能化测量。
（3）测点测线布置以能够控制探测目标体为重，可适当增加测点测线进行对比验证。
（4）尽量选择从地表直接进行探测的技术方法，这样既不受井下恶劣环境与工作条件的影响，又能极大地降低探测人员的劳动强度。
（5）采用地表探测方法既不破坏矿体的完整性和稳固性，又能节省大量工程费用，对矿山资源的回收有利，探测成本也较低。
4 结论
地球物理勘探在矿井地质灾害防治工作中扮演重要角色，特别是煤矿采空区调查中，只要物性前提具备、工作方法选择恰当，可以较为准确、快速的确定采空区的位置、分布范围及富水情况，从而为矿井工作面布置、开采方式选择等提供科学依据，为防止出水淹井、矿区地面下沉、房屋开裂倒塌等事故提供可靠的地质资料。
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