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[摘 要]采煤活动造成的地下采空区会引发地表沉陷等严重的地质灾害，影响人们正常的生产和生活活动。根据煤矿采空区表现出来的地球物理特征，能够利用高密度电阻率法、瞬变电磁法、地震勘探、测氡法等物探方法探测其位置和范围。选择两种或两种以上的方法组合，可以实现优势互补，提高物探解译精度。
[关键词] 物探技术 地表探测 煤矿 采空区
中图分类号：P62 文献标识码：B 文章编号：
煤炭资源是我国主要能源之一，煤炭资源的大规模开发和利用，在带来巨大的经济效益和社会效益的同时，也给矿山周围生态环境带来了严重的破坏，制约了矿产区经济的发展，给国民经济建设和人民的生命财产带来巨大的损失，鉴于煤矿开采后采空区难于用井工方法确定，因此在地表探测停产矿井、生产矿井无法用井工揭露的采空区为地质勘探工作提出了新任务。实践证明，综合物探在地表探测煤矿采空区中有较好的效果。
一、国内外现状
国内外学者对煤矿地下采空区及采煤沉陷理论的研究有一个发展的过程，目
前研究的较为广泛，无论煤矿规范开采还是不规范开采，都做了大量的研究。有
地面勘探、有实际调查，多层次，多方位进行了分析和研究，获得了好的效果。
1、煤矿采空影响区
国内外大量的理论研究现己取得下列理论方面的进展：空间分带论（冒落带、
裂隙带和沉降带）；地表变形规律方面，空间形态论；岩体变形影响方面，岩体
和地表变形的地层结构论；岩体抗变形的质量评价方面，岩体和地表变形的地层
质量评价。
原苏联斯列萨列夫曾提出在开采煤层中所应用的等效跨距计算方法来计算
采空区的塌陷范围。利用计算和相似材料模拟的方法，研究矿房开采后的房间矿
柱的应力和承载能力。也有从经典力学中的连续介质力学分析着手对水平煤层
开采地表沉陷空间进行理论分析。
地表沉陷控制这一难题尚未取得重大突破，还须从岩层运动控制着手研究地
表沉陷科学动态预测。制设计和效果判断的三位一体计算机决策系统，把采空
区塌陷控制决策推进到科学定量的阶段。
我国因采煤引起的地表塌陷相当严重，而采煤引起的塌陷就占到总塌陷面积一半以上，对复杂地质条件与水文条件，尤其是煤矿资源开采造成的问题尤为突出，因此有必要对采煤引起的地表沉降问题进行更深一步的理论与技术研究。正确地认识和掌握各地质因素与开采因素的影响，对沉降规律及其机理进行研究，合理有效地预测沉降范围与沉降量，划定采煤在地表形成的采空影响。
2、探测现状
探测煤矿采空区的物探方法很多，目前主要有：高密度电法、氛气测量法、活性炭测氧法、重力法、电磁法、地震勘探法探地雷达探测技术和瑞雷波探测技术等，并且各种方法在实际中广泛应用。己往有针对煤矿地下采空区的复杂特点，提出了运用探地雷达探测技术和瑞雷波探测技术相结合的研究方法，也有应用综合物探方法基本查明了群采空区的层位、分布、范围和贯通关系。随着煤炭资源的大规模开采，地下形成了大面积的采空区。地下采空区的形成引起了应力的重新分布，从而形成了以采空区为中心的采空影响区。目前国内外主要是对煤矿采空区边界的探测，对采空影响区的探测尤其是应用综合物探方法探测采空影响区在国内还尚未使用。
二、综合物探技术在煤矿采空区的应用
1、高密度电法原理及方法
（1）高密度电阻率探测方法的基本原理
高密度电阻率断面探测法是基于以上垂向直流电测深与电测断面法两个基本原理的基础上，通过高密度电法测量系统中的软件，控制着在同一条多芯电缆上布置连结的多个（60一120）电极，使其自动组成多个垂向测深点或多个不同深度的探测断面，根据控制系统中选择的探测装置类型，对电极进行相应的排列组合，按照测深点位置的排列顺序或探测断面的深度顺序，逐点或逐层探测，实现供电和测量电极的自动布点、自动跑极、自动供电、自动观测、自动记录、自动计算、自动存储，通过数据传输软件把探测系统中存储的探测数据调入计算机中，经软件对数据处理后，可自动生成各测深点曲线及各断面层或整体地电断面的图像。
（2）三电位电极系
三电位电极系是将温纳四极（AMNB）、施伦贝尔（AMATB）、偶极（ABMN）、微分（AMBN）及温施（AMNB）装置按一定方式组合所构成的一种统一测量系统。该系统在实际测量时只须利用电极转换开关，便可将每四个相邻电极进行一次组合，从而在一个测点便可获得多种电极排列的测量参数
（3）资料处理
统计处理方法由以下步骤组成：
a、用滑动平均值计算视电阻率的有效值
b、计算整个区域和断面的统计参数均值
c、计算相对电阻率值
d、对视参数进行分级
在高密度电法资料处理中还可以根据需要对数据进行滤波处理。通过滤波能有效的消除电位视电阻率曲线中的振荡成分，从而可以简化异常变态，增加推断解释的准确性。
2、地震反射波法
浅层地震是本次勘查的辅助物探方法，控制探测深度 150～200 米，目的在
于对比验证中深部瞬变电磁解释结果，利用波速参数计算岩土层视密度参数。在进行浅层地震勘察时可以使用WZG-24A 工程地震仪，因为这款仪器在野外施工期间性能稳定，各项技术指标达到《浅层地震勘探技术规程》要求，施工前进行道的一致性测试，所用检波器均达到一致性要求。采用 24 道 6 次覆盖人工反射波法观测系统实施观测，通过现场实验获取最佳野外数据采集参数。
浅层地震数据处理采用 VISTA 2D/3D 5.50 地震数据处理软件进行，处理过
程主要包括：①频带滤波；②反褶积；③F-K 滤波；④叠前去噪；⑤速度分析；
⑥动校正；⑦水平叠加；⑧时深转换。
3、瞬变电磁法
瞬变电磁法采用中心回线装置进行施测，其目的在于查明地下煤層经开采后
形成的隐伏采空区及其影响范围。通过现场试验确定最佳工作参数，控制勘探深
度 300～400m。各参数如下：
①仪器：GDP-32Ⅱ型电法工作站
②装置：TEM 磁源瞬变电磁测深系统
③发射框电阻：5 欧姆
④发射导线截面积：60000m2
⑤供电电流：8～13 安培
⑥外接最大供电电压：60 伏
⑦接收天线磁矩：10000 A.m2
⑧关断延迟时间：260us；叠加次数：512 次
⑨发射线框：150×400 米
⑩频率：32Hz
在煤层被采空后，破坏了的岩石的完整性、连续性，煤层原有状态与特征发生变化，采空区附近围岩发生塌落、破碎，从而会导致其地球物理特征发生变化。这些物性差异是采用高密度电法、瞬变电磁法和地震反射波法探测采空区的物性基础。煤矿采空区勘查较有效的方法组合为瞬变电磁法加高密度电法同线布设相互补充，人工浅震主要用于对高密度电法和瞬变电磁法探测结果进行验证。通过工程实例证明了综合物探技术能有效地探测煤矿采空区，取得了较为满意的探测结果。
煤炭资源大规模的开发和利用，在带来巨大的经济效益和社会效益的同时，也给矿山周围生态环境带来了严重的破坏。煤矿地下开采形成的采空区改变与破坏了地球表面和岩石圈的自然平衡，并产生采空区塌陷等地质灾害。塌陷区不仅会导致地下水枯竭，耕地破坏，生态环境恶化，还会使当地房屋受损，道路地裂变形。高速公路、铁路、机场等重大工程以及城市建筑会因处理煤矿采空区塌陷而增加建设难度和费用，并影响区域内经济可持续发展和社会稳定。因此，探明煤矿开采造成的采空区的位置及其范围，对及时采取措施进行治理、消除安全隐患具有重要意义。
[关键词] 物探技术 地表探测 煤矿 采空区
中图分类号：P62 文献标识码：B 文章编号：
煤炭资源是我国主要能源之一，煤炭资源的大规模开发和利用，在带来巨大的经济效益和社会效益的同时，也给矿山周围生态环境带来了严重的破坏，制约了矿产区经济的发展，给国民经济建设和人民的生命财产带来巨大的损失，鉴于煤矿开采后采空区难于用井工方法确定，因此在地表探测停产矿井、生产矿井无法用井工揭露的采空区为地质勘探工作提出了新任务。实践证明，综合物探在地表探测煤矿采空区中有较好的效果。
一、国内外现状
国内外学者对煤矿地下采空区及采煤沉陷理论的研究有一个发展的过程，目
前研究的较为广泛，无论煤矿规范开采还是不规范开采，都做了大量的研究。有
地面勘探、有实际调查，多层次，多方位进行了分析和研究，获得了好的效果。
1、煤矿采空影响区
国内外大量的理论研究现己取得下列理论方面的进展：空间分带论（冒落带、
裂隙带和沉降带）；地表变形规律方面，空间形态论；岩体变形影响方面，岩体
和地表变形的地层结构论；岩体抗变形的质量评价方面，岩体和地表变形的地层
质量评价。
原苏联斯列萨列夫曾提出在开采煤层中所应用的等效跨距计算方法来计算
采空区的塌陷范围。利用计算和相似材料模拟的方法，研究矿房开采后的房间矿
柱的应力和承载能力。也有从经典力学中的连续介质力学分析着手对水平煤层
开采地表沉陷空间进行理论分析。
地表沉陷控制这一难题尚未取得重大突破，还须从岩层运动控制着手研究地
表沉陷科学动态预测。制设计和效果判断的三位一体计算机决策系统，把采空
区塌陷控制决策推进到科学定量的阶段。
我国因采煤引起的地表塌陷相当严重，而采煤引起的塌陷就占到总塌陷面积一半以上，对复杂地质条件与水文条件，尤其是煤矿资源开采造成的问题尤为突出，因此有必要对采煤引起的地表沉降问题进行更深一步的理论与技术研究。正确地认识和掌握各地质因素与开采因素的影响，对沉降规律及其机理进行研究，合理有效地预测沉降范围与沉降量，划定采煤在地表形成的采空影响。
2、探测现状
探测煤矿采空区的物探方法很多，目前主要有：高密度电法、氛气测量法、活性炭测氧法、重力法、电磁法、地震勘探法探地雷达探测技术和瑞雷波探测技术等，并且各种方法在实际中广泛应用。己往有针对煤矿地下采空区的复杂特点，提出了运用探地雷达探测技术和瑞雷波探测技术相结合的研究方法，也有应用综合物探方法基本查明了群采空区的层位、分布、范围和贯通关系。随着煤炭资源的大规模开采，地下形成了大面积的采空区。地下采空区的形成引起了应力的重新分布，从而形成了以采空区为中心的采空影响区。目前国内外主要是对煤矿采空区边界的探测，对采空影响区的探测尤其是应用综合物探方法探测采空影响区在国内还尚未使用。
二、综合物探技术在煤矿采空区的应用
1、高密度电法原理及方法
（1）高密度电阻率探测方法的基本原理
高密度电阻率断面探测法是基于以上垂向直流电测深与电测断面法两个基本原理的基础上，通过高密度电法测量系统中的软件，控制着在同一条多芯电缆上布置连结的多个（60一120）电极，使其自动组成多个垂向测深点或多个不同深度的探测断面，根据控制系统中选择的探测装置类型，对电极进行相应的排列组合，按照测深点位置的排列顺序或探测断面的深度顺序，逐点或逐层探测，实现供电和测量电极的自动布点、自动跑极、自动供电、自动观测、自动记录、自动计算、自动存储，通过数据传输软件把探测系统中存储的探测数据调入计算机中，经软件对数据处理后，可自动生成各测深点曲线及各断面层或整体地电断面的图像。
（2）三电位电极系
三电位电极系是将温纳四极（AMNB）、施伦贝尔（AMATB）、偶极（ABMN）、微分（AMBN）及温施（AMNB）装置按一定方式组合所构成的一种统一测量系统。该系统在实际测量时只须利用电极转换开关，便可将每四个相邻电极进行一次组合，从而在一个测点便可获得多种电极排列的测量参数
（3）资料处理
统计处理方法由以下步骤组成：
a、用滑动平均值计算视电阻率的有效值
b、计算整个区域和断面的统计参数均值
c、计算相对电阻率值
d、对视参数进行分级
在高密度电法资料处理中还可以根据需要对数据进行滤波处理。通过滤波能有效的消除电位视电阻率曲线中的振荡成分，从而可以简化异常变态，增加推断解释的准确性。
2、地震反射波法
浅层地震是本次勘查的辅助物探方法，控制探测深度 150～200 米，目的在
于对比验证中深部瞬变电磁解释结果，利用波速参数计算岩土层视密度参数。在进行浅层地震勘察时可以使用WZG-24A 工程地震仪，因为这款仪器在野外施工期间性能稳定，各项技术指标达到《浅层地震勘探技术规程》要求，施工前进行道的一致性测试，所用检波器均达到一致性要求。采用 24 道 6 次覆盖人工反射波法观测系统实施观测，通过现场实验获取最佳野外数据采集参数。
浅层地震数据处理采用 VISTA 2D/3D 5.50 地震数据处理软件进行，处理过
程主要包括：①频带滤波；②反褶积；③F-K 滤波；④叠前去噪；⑤速度分析；
⑥动校正；⑦水平叠加；⑧时深转换。
3、瞬变电磁法
瞬变电磁法采用中心回线装置进行施测，其目的在于查明地下煤層经开采后
形成的隐伏采空区及其影响范围。通过现场试验确定最佳工作参数，控制勘探深
度 300～400m。各参数如下：
①仪器：GDP-32Ⅱ型电法工作站
②装置：TEM 磁源瞬变电磁测深系统
③发射框电阻：5 欧姆
④发射导线截面积：60000m2
⑤供电电流：8～13 安培
⑥外接最大供电电压：60 伏
⑦接收天线磁矩：10000 A.m2
⑧关断延迟时间：260us；叠加次数：512 次
⑨发射线框：150×400 米
⑩频率：32Hz
在煤层被采空后，破坏了的岩石的完整性、连续性，煤层原有状态与特征发生变化，采空区附近围岩发生塌落、破碎，从而会导致其地球物理特征发生变化。这些物性差异是采用高密度电法、瞬变电磁法和地震反射波法探测采空区的物性基础。煤矿采空区勘查较有效的方法组合为瞬变电磁法加高密度电法同线布设相互补充，人工浅震主要用于对高密度电法和瞬变电磁法探测结果进行验证。通过工程实例证明了综合物探技术能有效地探测煤矿采空区，取得了较为满意的探测结果。
煤炭资源大规模的开发和利用，在带来巨大的经济效益和社会效益的同时，也给矿山周围生态环境带来了严重的破坏。煤矿地下开采形成的采空区改变与破坏了地球表面和岩石圈的自然平衡，并产生采空区塌陷等地质灾害。塌陷区不仅会导致地下水枯竭，耕地破坏，生态环境恶化，还会使当地房屋受损，道路地裂变形。高速公路、铁路、机场等重大工程以及城市建筑会因处理煤矿采空区塌陷而增加建设难度和费用，并影响区域内经济可持续发展和社会稳定。因此，探明煤矿开采造成的采空区的位置及其范围，对及时采取措施进行治理、消除安全隐患具有重要意义。