1 研究背景煤矿作为一种重要的资源, 其开采形成的采空由于历史的原因, 大多未进行有效地治理, 而处于废弃状态, 有的采空区出现了大面积的地面沉陷, 有的采空出现了地面裂隙, 有的尚未出现明显的反映, 采空作为人类活动产生的潜在地质灾害之一, 给矿山的平安生产、工程建设和人民的生命财产造成了严重的威胁。由于老窑采空区形态的不确定性, 要对采空区治理, 对采空区的地理位置、埋深、现状情况进行了解是关键, 只有对采空区的空间分布状态有了充分的了解, 治理才能有的放矢。因此,为减轻和预防由地下采空区所引发的地质灾害,建立地质灾害预警系统,探索用综合物探方法探测采空区的分布, 为评价和治理提供依据是十分迫切和有意义的。目前,采空区的探测已经成为一项重要的研究课题,但是仍处于开展阶段。国外研究现状采空区的探测, 目前, 国内外主要是以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主, 辅以变形观测、水文试验等。其中, 美国等西方兴旺国家以物探方法为主, 而我国目前以钻探为主, 物探为辅。在美国, 采空区等地下空洞探测技术全面, 电法、电磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平。其中, 高密度电阻率法、高分辨率地震勘探技术尤为突出, 且近年来在地震CT技 术方面也开展迅速。日本的工程物探技术在国外同行业中处于领先地位, 应用最广泛的是地震波法, 此外, 电法、电磁法及地球物理测井等方法也应用得比拟多, 特别是日本VIC公司80年代开发研制的“GR-810型佐藤式全自动地下勘察机, 在采空区、岩溶等空洞探测中效果良好, 且后续推出的一系列产品都处于国际领先水平。欧洲等国家工程物探技术也较全面, 在采空区的探测上, 俄罗斯多采用电法、瞬变电磁法、地震反射波法、井间电磁波透射、射气测量技术等, 英、法等国家以地质雷达方法应用较好, 微重力法、浅层地震法也有使用。国内研究现状国内近年来在利用地球物理勘探技术查明地下采空区方面作了大量的工作, 包括小巷道突水治理, 老窑采空区富水情况探测等, 采空区的探测成了工程地球物理的热点和难点问题, 引起了地球物理学者的广泛关注, 投入了各种各样的方法和技术, 在各种物探方法中,根据其所研究地球物理场的不同,通常可分为以下几大类:以地下介质密度差异为根底,研究重力场变化的方法称为重力勘探；以介质磁性差异为根底,研究地磁场变化规律的方法称为磁法勘探；以介质电性差异为根底,研究天然或人工电场 (或电磁场)的变化规律的方法称为电法勘探(或电磁法勘探)；以介质弹性差异为根底,研究波场变化规律的方法称为地震勘探； 以介质放射性差异为根底,研究辐射场变化特征的方法称为放射性勘探；以地下热能分布和介质导热性为根底,研究地温场变化的方法称为地热测量等。主要探测方法分类如上图。1.4.1研究内容重力勘探方法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。采空区因开采形成质量亏损,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；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。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。采用数字地形多剖分体高精度地改方法及三维解释方法,以到达提高解释精确性。1.4.1.2电磁方法(1)高密度电阻率层析成像法在现场测量时,将全部电极设置在一定间隔的测线上,然后用多芯电缆将其连接到程控式多路电极转换器上,使电极布设一次完成。为了准确、快速地采集大量数据,测量时通过程序控制实现电极排列方式、极距和测点的快速转换。并利用与系统配套的电法处理软件,对采集的数据进行各种处理,结果进行图示,使解释工作更加方便、直观。李清林等利用某电厂采空区和电阻率层析成像测量的结果,探讨了电阻率层析成像测量在煤矿采空区和斜风井巷道中的应用, 结果说明,电阻率层析成像二维测量方法在煤矿采空区和斜风井巷道的探测和定位是准确和可行的；煤矿采空区和斜风井巷道内假设没有水体存在,电阻率层析成像二维测量成果图中一般都是高阻异常封闭圈,如有水体存在那么表现为低阻异常封闭圈。(2)瞬变电磁法瞬变电磁法是向地下发送一次脉冲磁场的间歇期间,观测由地下地质体受激引起的涡流产生的随时间变化的感应二次场,二次场的大小与地下地质体的电性有关:低阻地质体感应二次场衰减速度较慢,二次场电压较大；高阻地质体感应二次场衰减速度较快,二次场电压较小。根据二次场衰减曲线的特征,就可以判断地下地质体的电性、性质、规模和产状等,由于瞬变电磁仪接收的信号是二次涡流场的电动势,对二次电位进行归一化处理后,根据归一化二次电位值的变化,间接解决如陷落柱、采空区、断层等地质问题。该方法具有分辨能力强、工作效率高、受地形影响小、能穿透高阻覆盖层等优势,迅速开展成为高效、快捷的物探方法。将瞬变电磁法应用于采空区探测,不仅推断出地下采空区的范围,而且判断采空区的积水情况。(3)甚低频电磁法甚低频电磁法一般用频率为1525 kHz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,使其极化而产生二次电流,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。使用专门的仪器通过测量某些参数的畸变,可发现采空区的存在。甚低频电磁法工作方法通常又分倾角法和波阻抗法两种, 在探测高阻体时,一般选用波阻抗法进行甚低频电磁法测量,测线方向尽量与发射台方向一致或与该方向夹角最小。(4)探地雷达探地雷达是利用高频电磁波以宽频带短脉冲, 从地面通过天线T送入地下,经反射体反射后返回地面,通过天线R接收。在介质中传播时,其电磁波强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。所以,根据接收到波的双程走时、幅度与波形资料,可推断介质的结构。探地雷达适用于探测深度较浅的目标体,由于可以更换不同频率的天线,适用面较广,且探测分辨率高,在工程中的应用已经得到认同。探地雷达数据可采用专用软件进行处理,着重进行振幅恢复、滤波、F-K滤波、反褶积处理,获得信噪比拟高的时间剖面,提高了有用信号的识别,雷达时间剖面比拟真实全面地反映了地下介质的变化情况,保证了资料质量,并利用地下介质的电性差异来进行分层及查明地下异常地质体。该方法具有快捷、精确的特点,尤其是对地下采空区、人防工程洞室、地下溶洞等的探测更具有优越性。(5)MT、AMT、HMT和CSAMT法大地电磁法MT、音频大地电磁法 AMT和高频大地电磁法HMT本质上都属于采集天然场信号的被动源频率域电磁方法, 差异在于采集信号的频率不同, 相应的探测深度和分辨率不同。高频大地电磁法HMT采集的信号频率较高, 最高可达100KHz, 研究的深度较浅, 从地下的十几米至上千米。这个深度范围内恰是人类矿山开采、地下工程 建设、地下水资源开发等生产活动最活泼的深度。因此, 高频大地电磁法在短短的十多年来无论在理论研究, 还是仪器实现方面都获得了极大的开展, 已成为中深度采空区探测的主要方法。该方法不需要人工场源, 本钱低廉, 具有较大的勘探深度, 不受高阻层屏蔽的影响, 对低阻层有较高的分辨能力。可控源音频大地电磁法CSAMT是利用两端接地的有限长导线作为发射源, 使用人工源激发交变电磁场, 在地表观测电磁响应并计算波阻抗以及视电阻率进行勘探的一种方法。由于可控源电磁法具有高分辨率的特点, 能够在电性上分辨地质异常, 成为采空区探测的方法之一。该方法的最大的特点是采用人工场源, 大大增加了电磁信号的强度, 弥补了天然场源信号微弱, 不易观测等缺点。但是该方法由于场源的存在, 也有着其固有的缺乏, 如场源附加效应, 近区效应, 场源阴影效应, 过渡带效应及设备笨重等, 在一定程度上影响了该方法的应用。1.4.1.3 地震勘探地震勘探是利用地层和岩石的弹性差异来探测地质构造、寻找有用矿产资源的重要地球物理勘测方法。波在传播过程中,当遇到弹性分界面将产生反射、折射和透射,接受其中不同的波,就构成了不同的地震勘探方法。在采空区探测中,地震方法也得到广泛的应用。1.4.1.4 放射性测量自然界中存在的天然放射性同位素广泛存在于岩石、土壤和水体中, 不同岩性和不同类型的土壤放射性元素含量不同。在采空区探测中常用的放射性方法是氡气测量。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、土壤中氡浓度的上下。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。山西煤田水文地质队屡次将氡气测量法应用于地下采空区的探测,为了查明山西万家寨引黄工程北干线1号隧洞附近煤矿采空区及对引水隧洞的影响,对采空区进行综合地质勘查时使用了氡气测量法,收到了很好的应用效果。1.4.2技术路线1资料收集及分析评价全面系统收集国内外有关采空区探测的方法、资料, 分析采空区探测研究方法、采空区勘探开发的理论和技术。对野外采集的数据进行处理、分析、解释, 精确的划分出异常, 从而判断采空区的分布情况、范围。2编写研究报告, 进行工程验收。2 具体研究内容平朔矿区位于宁武煤田的北端, 属于山西高原平朔台地之低山丘陵, 全区多为黄土覆盖, 形成梁垣卯等黄土高原地貌景观。沟谷发育。多呈“V字型, 切割深度40-70m见图2-1。矿区内地形根本呈北、图2-1 勘探内的黄土冲沟地貌西高, 东、南低之趋势。马关河在本区东部从北向南通过。马关河发源于木爪界、上梨园等地, 流经本区北东部, 至赵家口、担水沟汇入桑干河, 全长27km, 为泉水聚集而成, 汇水面积151km2, 终年皆有系数不大之迳流, /s, 雨季时流量增大。本区属于海河流域, 永定河水系。2.1.1地层概况平朔矿区位于宁武煤田北端, 宁武煤田的基底为一套古老的变质岩系, 地层沉积总厚达26003500m以上, 沉积中心位于煤田中南部宁武静乐一带, 地层厚度在3500m以上, 而北部井坪朔县一带仅几百米, 中心出露最新地层为中生界侏罗系, 向周围依次为中生界三叠系、古生界二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系, 太古界五台群, 新生界第三系、第四系在南部静乐盆地及北部朔县平原厚度达200m以上, 详见表2-1。 平朔矿区区域地层表 表2-1界系统组简 述新生界第四系全新统自下更新统(Q1)到全新统(Q4)均有沉积,厚0-210m。更新统第三系上新统静乐组上新统N2, 俗称静乐红土, 厚0-120m。中生界侏罗系中统天池河组沉积下统大同组、永定庄组, 中统云岗组和天池河组, 厚500m以上。云岗组下统大同组永定庄组三叠系中统铜川组有下统刘家沟组和和尚沟组, 中统二马营组和铜川组。厚500m以上。二马营组下统和尚沟组刘家沟组古 生界二叠系上统石千峰组以紫红色、砖红色富含钙质、铁质的砂、泥岩为主厚133-184m。上石