地球物理勘查技术在探测煤矿采空区中的运用

地球物理勘查技术在探测煤矿采空区中的运用

杜忠、薛建明、刘国强、祁永龙

内蒙古自治区地质调查研究院 内蒙古呼和浩特 010020

摘要：煤炭是社会经济发展过程中至关重要的能源，在我国能源结构体系中占据着重要地位。然而，在长时间地下煤炭资源开采后，各个矿区留下大量采空区。尤其是我国山西省等煤炭资源大省，不但煤炭资源分布十分广泛且埋深较浅，许多小型矿井乱开滥采，导致存在诸多采空区，为周边环境、居民日常生活埋下严重的安全隐患。因此，必须加强对各种物探方法的应用、分析和研究，实现对各个矿区地下采空区分布情况、位置和范围等的准确勘查，采取有效的应对方法，消除采空区安全隐患。

关键词：地球物理勘查技术；探测煤矿采空区；运用

1地球物理勘查技术在煤矿采空区探测中的作用分析

在煤矿运营的监管框架内，对采空区域的深入探究具有核心地位，其潜在影响不可小觑。鉴于采空区的复杂分布特性，对探测方法提出了高精度的需求。在众多的地质勘探技术中，地球物理勘探技术以其显著的经济效益和非破坏性特征脱颖而出，在煤矿采空区探测中占据主导地位。尽管地球物理技术存在局限性，但针对煤矿采空区的特定需求，这些局限性往往可以被忽略。其技术体系的多样性使得在实施过程中，需要根据实际情况灵活选用最适合的探测策略，以实现最佳的探测效果。值得注意的是，技术选择与应用可能间接影响周围的生态环境，因此在进行采空区探测时，不仅需要选择合理的技术方案，还要尽量避免在人类活动频繁的时间段进行操作，而地球物理技术恰好在这方面发挥着补充作用。尤其对于任务繁重、时间紧迫的勘查项目，地球物理勘探技术展现出了极高的适应性，确保了结果的精确性。综上所述，与其他勘探手段相比，地球物理勘探技术在煤矿采空区的运用具有明显的优势，它不仅提供了基础的地质信息，还为采空区的治理提供了关键的技术支持。

2地球物理勘查技术在煤矿采空区探测中的应用

2.1声波速度探测技术的应用

在地质勘查领域，声波速度检测技术作为不可或缺的组成部分，它在揭示煤矿采空区特性上展现出了显著效能。通过监测声波（主要是地震波）的速度，我们可以洞察地层岩土的物理特性及其关键参数，进而通过对比不同声波的传播特性，推断出采空区的存在状态和分布特征。在实际操作中，关键在于精确配置声波发射器和接收器，确保声波按预定路径从发射器发射，通过耦合介质导入孔壁。当声波穿透岩层时，部分会形成透射波，部分反射回来，特别是当透射波以临界角反射时，会产生滑行波现象。在岩体内部，声波的传播速度遵循特定规律，不同方向的波动会导致折射或透射现象。此外，声波的传播速度与岩层的应力状态紧密相连，这对于识别潜在的采空区具有决定性意义。这种联系主要表现在几个关键点：首先，声波速度与岩体的弹性模型有直接关系，通过对纵波传播的研究，可深入剖析岩体的压缩特性；其次，岩体单轴压力与声波速度的关联性明显，压力上升时，声波速度也随之增快，反之，岩体受损则导致声速下降；最后，单轴抗压强度与声波传播速度密切相关，抗压强度高，声速快。为了全面了解煤矿采空区，我们必须结合区域介质的声速特性，解析接收到的反射波，从而获取详尽的采空区信息。

2.2高密度电法探测技术的应用

高密度电位法的理论基础与传统电阻率技术虽有共通之处，但在实施策略上有所创新。其核心在于密集分布的测量节点设计，通过在实地设置电极网络，依次进行观察。得益于众多电极的运用以及灵活的组合方式，高密度电法赋予了勘探手段类似地震探测的全面覆盖能力。简而言之，高密度电位法在煤矿废弃区域的探测中，主要依赖于该技术对目标矿坑的精细探测。相较于传统电阻法，高密度电位法的应用展现了显著差异，能够弥补传统方法的不足。它要求同时设定多个电极，并通过精密的过程调控切换，配合多元电极策略，迅速累积海量数据。此外，高密度电位法与常规电阻法的多样排列形式和自动化资料处理紧密结合，提升了煤矿废弃区探测的整体效能，从而提高了工作效率。

相比于常规电法，高密度电位法的优势显著：首先，一次性完成电极布局，减少了电极设置导致的干扰和测量偏差；其次，能实现多种排列方式的精确测量，揭示出地电结构的详尽地质信息；第三，数据采集和整理全由自动化系统执行，速度快捷且避免了人为操作可能产生的误差；最后，它支持现场和离线数据分析，极大地提升了智能化水平。在江西省萍乡市陶瓷产业集群区的实地应用中，高密度电位法的成效卓著。

2.3多道瞬态面波法探测技术应用

多道瞬态面波技术作为地球物理学研究的关键策略，其在煤矿采空区探查中展现出独特的效能。主要聚焦于瑞利面波的解析，通过波动力学原理的应用，不同频率的多道瞬态面波扫描能够精准揭示矿井内部不同深度的采空区域特性。通常，面波数据呈现出连续且详尽的特征，但在穿越采空区时，其频散曲线的演变会显著地在低速度区间发生转折，同时也会导致采空区的振动周期延长。在实际操作中，巧妙融合多道瞬态面波法与声波速度测量技术，能够提升对采空区的精细剖析和识别能力。而与高密度电法协同使用，则能有效地揭示采空区的含水状况，这无疑为深入理解采空区及其潜在的积水问题提供了宝贵的线索。因此，这两种方法的结合应用，对于全面掌握煤矿开采后的地质状况至关重要。

3地球物理勘探技术在煤矿采空区探测中应用的发展趋势

3.1多传感器融合

在未来矿产资源开采中，探测手段将革新为多源传感融合策略，以增强精确度和信赖度，深度洞察采空区的全貌。首先，这种技术将超越传统的地震、电磁、地电、地磁及重力测量，扩展至多元化的感知设备，如高清影像、三维激光扫描、水下声纳和环境监测器。这些新型传感器的引入，使得对采空区的理解更加立体和详尽。其次，数据集成与模型构建将迈向新的高度。通过整合多传感器产生的海量数据，将发展出更为高效的集成技术，消除数据间的缝隙，构建出更为精细的地下空间模型。这将有助于深入解析地质构造变迁和采空区动态演变的过程。再者，实时监控与预警系统将得到显著提升。得益于多源传感的融合，能够实时监控并即时预警潜在风险，如地下活动异常、水源涌动或地质结构变化等，从而提前采取应对措施，确保采空区的安全管理。

3.2高分辨率成像技术

煤炭开采后的废弃区域探测领域，高清晰度映像技术正展现出强大的发展潜力，并将在未来几年内持续革新。首先，地震成像技术的革新焦点在于提升解析度。未来的策略将聚焦于采用频率更高的地震震源和更为精密的感应设备，从而精确揭示地下的结构秘密。同时，前沿的逆向分析技术和数值模拟技术的进步，将进一步提升我们重构地下构造的精确度。其次，电磁成像技术同样在进步的道路上。它依赖于电磁场的变动来揭示地下物质的分布，而未来的突破在于引进尖端的设备和传感器，如高频电磁场发射器和高度敏感的接收器，从而显著提高图像的清晰度。针对复杂地质环境的精细电磁模型构建和逆向解析技术也将得到重大改进。最后，多元模式成像技术的融合将是未来的趋势。通过整合多种成像技术，如地震成像与电磁成像，可以获取更为详尽的地质信息。例如，将这两种技术相结合，不仅能揭示地下速度分布，还能同时揭示电导率特性，从而为深入理解地下结构和评估煤矿采空区状况提供关键数据。

结论

各种采空区物探技术方法各有优缺点,都不能完美地解决所有的地质问题。随着勘探工作的不断深入,安全高效生产对勘探的精度要求不断提高,待解决问题的复杂性和难度加大,单一物探方法已不能完全满足新形势的要求,多种物探方法相结合的方式能大大提高探测的准确性。

参考文献：

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