采空区探测方法研究

2020年 4月下 世界有色金属139地质勘探Geological prospecting矿山地下开采面采空区地球物理探测技术方法的应用凌󰀁飞（新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第九地质大队，新疆　乌鲁木齐　８３００００）摘 要：各个省份在积极倡导绿色开采的同时，要切实保障开采人员的安全。此次笔者选取采空区物理探测技术作为研究对象，希望能为缓解和避免矿山事故的发生起到积极作用。首先可以使用声波探测法，对于被测矿山地下的开采面进行探测，判断是否存在采空区，其次使用高密度电法探测技术，来对地下采空区的范围进行探测，以保证开采的安全进行。最后通过实验分析来判别本文方法对比传统方法的优劣性。关键词：矿山；采空区；物理探测；试验对比中图分类号：Ｐ６３１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２０）０８－０１３９－２Application of Geophysical Detection Technology in Goaf of Underground Mining FaceLING󰀁Fei（Ｔｈｅ　ｎｉｎｔｈ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｂｒｉｇａｄｅ　ｏｆ　Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｕｙｇｕｒ　Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　Ｒｅｇｉｏｎ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｇｅｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｍｉｎｅｒａｌ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，Ｕｒｕｍｑｉ　８３００００，Ｃｈｉｎａ）Abstract:　Ｗｈｉｌｅ　ａｃｔｉｖｅｌｙ　ａｄｖｏｃａｔｉｎｇ　ｇｒｅｅｎ　ｍｉｎｉｎｇ，　ｖａｒｉｏｕｓ　ｐｒｏｖｉｎｃｅｓ　ｍｕｓｔ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｍｉｎｉｎｇ　ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ．　Ｔｈｉｓ　ｔｉｍｅ，　ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｔｈｅ　ｇｏａｆ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ，　ｈｏｐｉｎｇ　ｔｏ　ｐｌａｙ　ａ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ａｖｏｉｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｍｉｎｅ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ．　Ｆｉｒｓｔ，　ｔｈｅ　ｓｏｕｎｄ　ｗａｖｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｍｉｎｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｍｉｎｅ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｗｈｅｔｈｅｒ　ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ａ　ｇｏａｆ．　Ｓｅｃｏｎｄ，　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ－ｄｅｎｓｉｔｙ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｇｏａｆ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｍｉｎｉｎｇ　．　Ｆｉｎａｌｌｙ，　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ．Keywords: ｍｉｎｅ；　ｇｏａｆ；　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；　ｔｅｓｔ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ随着我国采矿业的不断发展，重注经济发展，忽略了可持续发展，导致很多区域形成了大量的采空区。这些采空区存在着巨大隐患，可能导致大面积的地表沉陷，造成地面建筑物、基础设施等损坏，以致于影响到矿区人民的稳定生活[1]。这个问题已经多次被警示，为了缓解和改善采空区现状，各地区开采前要及时的进行探测，有效避免可能引起灾害性的地质现象。本文研究的地球物理探测方法有着高效、低损耗的优势。根据各个区域的地质概况，地球物理探测技术的选择适宜性也各不相同。从各采空区的地质特征探析、对比，选择最合适的方法。声波探测法以及高密度电法进行探测，此两种方法使用都较为方便，且效率较高，并且在探测过程中，不会对被测岩体造成伤害。1 矿山地下开采面采空区的探测1.1 地球物理探测技术探测是否存在采空区对于矿山的地下开采面的采空区，可以使用地球物理探测技术的声波探测法进行探测，由于声波速度是反映当前地层构成岩土的物理力学性质的重要参数指标是，所以可以利用声波速度的差别来探查目前地下开采面是否存在着采空区[2]。关于声波探测法的流程如图1所示。图1󰀁󰀁声速测井原理图如图1所示，在声速仪中装有声波的发射装置以及声波接收装置，当声波在发生装置中发射后，将会首先通过耦合液并且射向孔壁，同时加载岩层形成透射波，而一部分将会反射回来，并且沿着临界角回射时将会形成滑行波。而接收装置接收的也是反射回的滑行波。而声波在与岩体中的传播速度具有一定的传播规律。其波动会随着不同方向进行传播，而声波在岩体中的传播，传播时会出现波的透射、折射与以及反射的情况出现。而声波的各种传播反映，往往与传播岩石的应力状态以及其结构存在关系，以此可以探测目前传播位置是否存在问题。表1 常见介质及岩石的纵波速度性质材料速度VP（m/s）无空隙固体白云岩7010石灰岩6400方解石6130硬石膏6100钢6100花岗岩6010石膏5790石英5760套管5350混凝土3660饱和原生水的孔隙岩石白云岩（孔隙度5%~20%）6100~4560石灰岩（孔隙度5%~20%）5640~3960页岩5180~2130砂岩（孔隙度5%~20%）4880~3510液体咸水1680~1590淡水1470泥浆1610而声波的传播同岩体的参数关系表现存在三种情况。首先是当前声波的传播速度与传播的岩体的弹性模型存在一定关系，可以依据声波传输时的纵波来对于该岩体的压缩以及拉伸形变进行分析。其次岩体的单轴压力也与声波的波速存在一定规则，岩石的应力越大，声波传输时的波速也就越大，但如果岩石受到的力过大导致岩体遭到破坏，声波的波收稿日期：２０２０－０４作者简介：凌飞，男，生于１９８５年，甘肃皋兰人，工程师，研究方向：地质找矿及物探。世界有色金属 2020年 4月下140地质勘探Geological prospecting速也会随之减少。最后单轴的抗压强度也与声波的波速存在一定的相关性，抗压强度高时波速也会变大。而如果要探测矿山的地下开采面的采空区，就要首先对于该被测地区的常见的介质的纵波速度有着一定的了解，关于常见介质和岩石中的声波的纵波速度如表1。转孔声波探测是通过探测声波在被测地层中的不同纵波速度，以此来判断地层中的岩石的物质成分、结构的不同，也可以来探测其岩石的密度、表面的破碎程度、裂隙等其它情况。而在测试中存在一些因素可能会影响探测效果，如源距以及间距中存在的影响。需要对于最小源距有着一定的运算，同时要将源距设置为最小源距稍大的源距即可满足要求。 （1）在（1）公式中，运算结果Lmin表示最小源距，S表示发射器与井壁之间的距离，V1代表泥浆的波速，V2则代表此岩层的波速。通过确认当前矿山地下的岩体情况，可以大致确定其采空区是否存在。1.2 地球物理探测技术对采空区范围探测使用高密度电法对于当前被测的矿山开采地区进行探测，而高密度电法的特点与传统的电阻法大概相同[3]。但弥补了常规电阻中的各种不足，同时因常规电阻法中存在着各种观测的限制，以及测量的数据较少等问题。在采用高密度电法在工作时，使用数十根电极一次布设，同时通过程控式的多路电极转换对于不同的电极方法以及不同的基于间隔以方便数据的快速收集。在对于其施加的外电场作用下的传导电路分布情况是对于目标的电性性质为基础的地球物理勘探技术，在求解时采用解析法。 （2）在对于目前的高密度电法的定边界条件来说，需要求出（2）式中的解，其中x0、y0、t0作为该布设点中的源点坐标，而x、y、t代表此次布设中的场点坐标。而当x≠x0、y≠y0、t≠t0的情况下，该公式将会变为： （3）通过解析的方法可以计算相关的地电模型，同时研究其分布情况时，则可以运用多种的模拟方法比如：积分方程法、有限单元法等。在采用高密度电法进行探测是，通过供电电源流入电流，如下所示。 （4） （5）（4）以及（5）式中，A与B分别为供电电极，而I代表供入的电流，测量电极为M、N。并根据其可以测量出电位差U∇并计算电阻率。UM以及UN分别代表地表的两个测量电极M、N的电位。ρ代表均匀大地电阻率。AM、BM、AN、BN各表示A、B和M、N之间的距离。并且可以根据上两式相减并得到M、N之间的电位差，电位差计算公式为： （6）根据（6）公式可以，确定该高密度电法探测中的电位差值。并且通过装置系数，可以探测该地区的电阻率，而所得到的电阻率为电气电场有限范围中地形的各种地质体电阻率。而野外的数据采集也是高密度电法工作中较为重要的工作，而对于矿山地下开采面的首先要分析和研究被探测的对象的物理性质，对于探测地层来说厚度以及其异常体的体积和埋深的比值要进行充分了解。并做好充足的准备。通过对于矿山开采面采空区的探测，来避免可能出现的灾害性地质情况。2 实验论证分析对于目前的矿山地下开采面的采空区的探测技术进行对比实验，使用本文方法与传统方法的氡气测量方法进行对比实验，模拟多种地质情况来进行多次实验尝试，并且对比两者在探测采空区情况的准确度进行对比。实验结果如下图所示。图2󰀁󰀁采空区探测方法对比图如图2所示，本文设计的采空区探测方法误差率更高，而传统方法在不同地质情况下有着局限性，在4号实验地区较为适用，但误差率仍高于本文方法，而其它地区适用性较低，导致误差率过高。通过实验证明本文设计的采空区探测方法对比传统方法适用性更高，且对于采空区的探测准确度更高。3 结语综上所述，对于矿山地下开采面采空区地球物理探测技术方法的应用，详细的介绍了两种地球物理探测技术在采空区探测工作中的应用。首先是使用声波探测法，来判断当前地下是否存在着矿山采空区，其次使用高密度电法来对于采空区的范围进行探测。经过实验论证分析，证明本文方法更加适用于各类地质，并且准确性更高。[1]󰀡焦小石.地球物理探测技术在采空区勘查中的应用[J].能源与节能,2018(11):182-183.[2]󰀡朱莹,张萍,王晓明,陈清莲.地球物理勘探技术在环境工程中的应用研究[J].绿色科技,2019(24):68-73+78.[3]󰀡朱瑞娟.浅析矿山地质保障中地球物理探测技术面临的挑战[J].世界有色金属,2019(22):209+211.

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采空区勘查项目

勘 查 方 案

二〇一七年三月

- 2 - 目 录

一、工程概况 ........................................................... - 3 -

（一）自然地理 ......................................................... - 3 -

（二）区域地质概况 ..................................................... - 3 -

（三）矿产地质 ......................................................... - 4 -

（四）目的任务 ......................................................... - 4 -

二、勘查工作设计依据 ................................................... - 5 -

三、整体工作思路 ....................................................... - 5 -

四、工作方法 ........................................................... - 5 -

（一）瞬变电磁 ......................................................... - 6 -

（二）地震勘探 ......................................................... - 8 -

（三）高密度电法 ...................................................... - 12 -

应用于铁矿采空区探测的地球物理方法概述赵乐涛31,王永章1,韩良德1,刘晓东2,肖二莲3(1.太原钢铁有限公司袁家村铁矿项目经理部,山西太原030027;2.太原钢铁有限公司矿业管理部,山西太原030027;3.中海油能源发展特普地球物理分公司,广东湛江524057)摘　要:针对铁矿采空区的特点,合理选择物探方法、灵活运用物探方法是准确探测采空区的关键,简要介绍了太钢袁家村铁矿采空区的特性以及几种用于探测铁矿采空区的地球物理方法的原理及优缺点。关键词:铁矿采空区;瞬变电磁法;可控源音频大地电磁法;微重力法;高精度磁测中图分类号:P618.31　文献标识码:B　文章编号:1004—5716(2011)01—0112—03 铁矿是我国国民经济建设最重要的矿产资源之一。自20世纪末以来,我国矿业开采秩序较为混乱,非法无序的乱采滥挖在一些矿山及其周边留下了大量的采空区,这是影响目前矿山安全生产的主要危害源之一。采空区是由人为挖掘或者天然地质运动在地表下面产生的“空洞”。采空区的存在,会导致使矿山开采条件恶化,引起矿柱变形、相邻作业区采场和巷道维护困难、井下大面积冒落、岩移及地表塌陷等,更为严重的是采空区突然垮塌的高速气流和冲击波造成的人员伤亡和设备破坏,这些都给矿山安全生产构成严重威胁,并造成环境恶化、矿产资源严重浪费。因此,探明采空区的地理位置、埋深、现状情况是采空区治理的关键因素。1　工程概况袁家村铁矿位于山西省岚县梁家庄乡。设计为露天开采方式,台阶段高15m,设计规模年产矿石2200×104t,采剥总量为8500×104t,矿山服务年限为40年。袁家村铁矿建设前,区内共分布有36个民采小矿山,这些小矿山多为地下开采,致使在矿山设计的开采境界内存在有规模大小不等的采空区及废旧坑道,由于小矿山的无序开采,导致采空区的资料不详,这些采空区形态复杂,在空间位置上层层叠叠,高低不同,采掘竖井深度一般50～200m,个别达到400m深,且多数采空区已经充水,个别采空区已经坍塌,甚至有的采空区已经在地表局部塌陷,塌陷坑呈椭圆形,规模不等,采空区影响面积约36535.8m2。根据要求,用物探方法查明采空区的位置、埋深、大小及分布规模、形状,为综合治理提供依据。2　铁矿采空区地球物理特性从物性角度看,在采空区、冒落带及裂隙带中,不同的水文地质条件,其物性会发生不同的变化:(1)当地下采矿形成采空区后,采空区的电阻率会大幅度增加,形成高阻体,其视电阻率与围岩差别明显,应用电法寻找采空区具有良好的地球物理条件。采空区塌陷被水、泥质和矿石充填后,其电阻率会大幅度下降,与多金属矿体接近,则电法对塌陷充填后的采空区难以有效探测。(2)露天矿铁矿物具有很好的导电性,所以对于露天坑底岩石,采用可控源音频大地电磁法、高密度电法进行测试时,较完整的岩体导电性良好,节理裂隙发育的破碎岩体导电性较差,而充斥空气的采空区导电性最差。(3)采空区采掘后形成质量亏损。在采空区塌陷而不充水时,质量亏损值不变,但负密度值减小而影响厚度增大;在采空区充水时,亏损质量得到一定补偿。具有投入微重力法进行采空区探测的地球物理前提。(4)铁矿采空区的存在破坏了地下岩层原有的结构和物理性质,当地下铁矿体存在时,磁测ΔZ值表现为高值异常,具有异常规则、规律性强等特征。在铁矿体开采后,因磁铁矿的不复存在而使磁异常消失,如有残留矿体则是磁异常降低,且异常不规则、规律性差。这种铁矿开采前后地球物理场的变化具备了采用高精度磁测的地球物理前提。3　物探方法的原理及优缺点3.1　高密度电法211 西部探矿工程 2011年第1期

第２６卷第６期　江　西　科　学　２００８年１　２月　ＪＩＡＮＧＸＩ　ＳＣＩＥＮＣＥ　Ｖｏ１．２６　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２００８　

文章编号：１００１—３６７９（２００８）０６—０９６９—０４　

高密度电阻率法探测煤矿　

采空区灾害的可行性研究　

杨　妮　妮　

（辽宁石油化工大学，辽宁抚顺１１３００１）　

摘要：针对煤矿开采后遗留下大量未做处理的地下采空区可能引起地质灾害这个问题，本文首先介绍了高密　度电阻率法的工作原理及电阻率三维有限元正演模拟的方法，通过建立采空区模型，进行正演模拟进一步说　明了利用高密度电阻率法对煤矿地下采空区探测是行之有效的方法。　关键词：煤矿采空区；高密度电阻率法；正演　中图分类号：Ｐ３１５．６１　文献标识码：Ａ　

Ｔｈｅ　Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｄｅｎｓｉｔｙ　Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　

Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｎ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　Ｇｏｂ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　

ＹＡＮＧ　Ｎｉ—ｎｉ　

（Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｓｈｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｆｕｓｈｕｎ　１１３００１　ＰＲＣ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｌｏｔｓ　ｏｆ　ｕｎｔｒｅａｔｅｄ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｇｏｂｓ　ｌｅｆｔ　ｂｙ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｉｎｇ　ｍａｙ　ｃａｕｓｅ　ｇｅ・　

ｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｉｓａｓｔｅｒｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　

ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　３　Ｄ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　ｆｉｎｉｔｅ—ｅｌｅｍｅｎｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ．Ｂｙ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ａ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｇｏｂｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｃｏｎ—　ｄｕｃｔｉｎｇ　ａ　３　Ｄ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｉｔ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｎｏｔｅｓ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｈｅ