云南省煤炭机电试验所云南昆明650000
摘要：我国煤矿资源相对更加丰富，对于煤矿的开采工艺的研究十分重要。本文主要对优化对于煤矿空区地面的物探方法进行研究探讨。充分研究分析踩空区的类型与地面物探方法的特点以及不同物探方法的适用性因素，实现采空区地面物探方法的优化升级。
关键词：煤矿采空区；综合物探；类型划分；适用条件；方法优化
引言
我国是一个煤矿大国，煤矿分布广泛，矿产资源丰富，且一些较早矿产的开采历史较长，已经存在一定的采空区，采空区存在一定的危险性。由于开采历史久，期间存在开采权的转换，气候变换造成的积水，地下水不清等问题，对于相邻矿区安全生产带来极大的安全隐患。近年来我国对于煤矿企业的安全开采与规范化开采越发重视，利用电磁学原理等，可以对地下矿洞状况得出较为准确的探测结果。通过对煤矿采空区进合理的类型划分，对多层次的煤矿采空区进行针对性的物理探测，为煤矿采空区的地面综合物探提供更加优化的方法。
1.煤矿采空区的划分与危害
由于我国的煤矿开采时间较长，一些开采时间较长的煤矿矿区，存在一些采空区。采空区指的是已经开采完毕，之后不再进行维护的矿洞。从长远角度上看，采空区对于附近的地质伤害较大，因此对于采空区的探测不仅仅包括了老煤矿、废弃的矿井、还应当对开采过程中受到影响的附近围岩，顶底板断裂带投入足够的重视。对于采空区的危害认识需要进行较为合理的分类，有多种划分方法：第一，按照开采的方式，可以分为长壁采空区和短壁采空区，短壁采空区的复杂程度更高，危害潜伏性更高；第二，按照最终的顶板处理方式，有顶板不拆除、完全拆除以及相对折中的部分部分顶板拆除；第三，开采时间长短，老区、现采空区以及未来规划采空区；第四，按照煤矿规模划分为大中小三型；第五，按照开采煤层的倾角划分，近水平采空区（倾角小于5°）、缓倾斜采空区（倾角5°-35°）、倾斜采空区（倾角35°-55°）和急倾斜采空区（倾角大于55°）。现今主要使用深度区分，进行物探。三条界限区分，50米、150米、400米，划分为四个层次。
无论是如何层次的采空区，对于煤矿的继续开采带来的危害是类似的，首先是积水问题，采空区不进行较好的处理会出现水害问题，在雨季可能出现对地表的渗透问题，而在积水较多的情况下，可能对附近开采矿井造成不良的影响，带来巨大的煤矿开采安全隐患。
2.煤矿采空区地面物探方法及其适用性
对于煤矿采空区的物探方法，本文主要介绍常见的五种物探方法：探地雷达法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法和音频大地电磁法、震动法、高密度电阻率法。
2.1探地雷达法
雷达是探测的一项基础方法，在对于采空区的探测中，雷达手段也是一项非常常用的手段，主要应用的是高频电磁波，通过较为宽的频带进行短脉冲回馈探测。电磁波在经过底层的介质之后，不同介质会对波长与强度产生一定的影响，采空区与正常的煤层反射的电磁波波形会有较大的差别，利用地表接收端接受的电磁波，根据电磁波的性质不同，对于采空区的地层地质有一个较为清晰的结果。电磁波的穿透能力有限，适用于适宜极浅采空区，可以实现无损探测，经济效益与探测效果都可以很好的满足需求。
2.2瞬变电磁法
这一种探测方法是对雷达探测的优化改进，利用不接地的回线或者磁偶极子线地下发射脉冲电磁波，在脉冲电磁波激发场源的磁场间歇期，对反馈的二次涡流场进行性质分析，主要分析空间分布特性与时间反馈特性，利用相应的对应函数建立地层或者采空区的几何与物性特征。瞬变电磁法是对电磁波信号的升级化的利用探测方法，体积效应小、抗地形干扰能力强，可以将探测深度拓展到600米以内的采空区，对于一些基岩暴露的高阻屏蔽区域已经地形变化极大的区域物探效果极佳，在采空区物探中得到广泛应用。
2.3可控源音频大地电磁法和音频大地电磁法
这两种物探方法是频率域电磁法中的代表，可控源音频大地电磁法（CSAMT）要求对所有频域使用人工场源，收发距要达到较大的程度，一般要达到5-10km，测点的分布要严格保证平行于电极方向，而相对而言音频大地电磁法仅仅在高频段利用人工场源，收发距相对短许多、布置也较为灵活，但是存在需要频繁移动信号发射端的问题，工作效率相对较低。通过实践分析，这二类物探方法适用于中深采空区，但是受到探测环境较大影响，地面导体与高压线等都会影响最终的探测结果。
2.4震动法
震动法是利用地震波在不同介质中的波阻抗不同的原理进行物探，介质的波阻差别越大，出现的反射波越强，反之则越弱。正常的煤层与顶底板之间的阻抗差异很大，反射波的强度也很大，而采空区的煤层相对较少，因此在进行震动法探测时，反射波形会出现波形缺失，为后期分析采空区情况提高素材。震动法的探测范围较为广泛，面对不同深度不同地形的采空区可以采用的地震波类型不同，主要有浅层二维地震和三维地震。通过实践，发现震动法在采空区地表无松散层的情况下，探测效果较好，近年来已经发展出四维地震勘探技术。
2.5高密度电阻率法
为了在地面导体与高压线路分布较多的采空区更好的进行物探。在常规电阻率法的基础上开发出了高密度电阻率法，这一方法基于岩石的电性差异进行物理性质勘探，通过合理布置电极，进行高效的野外信号采集以及通过多电极排列进行高效的扫描测量。它的成本较低，效率高，并且还可以拓展探测信息的种类，帮助更好完成探测任务，这较好解决了对于采空区积水情况的判断，不含水的采空区呈现高阻状态，而含水时有明显的低电阻特征，基于此可以较好的对平缓浅层采空区进行勘探，并且可以为采空区较好区分出积水区。近年来更进一步发展出了矩阵排列的三维高密度电阻率成像探测技术。
3.对煤矿采空区地面综合物探方法的优化改进
针对不同的深度采空区，针对性提出一定的改进意见，希望能够为广大同仁提供一定的参考意义。
3.1极浅采空区
根据上文介绍的性质，采用探地雷达法与高密度电阻率法组合完成物探任务，有探地雷达法确定采空区的边界范围，在地形平坦区域可以高效的完成连续测量；其后利用高密度电阻率法分析采空区的积水情况。其中的线矩不超过10米，点矩不大于2米。
3.2浅层采空区
使用浅层震动法、瞬变电磁法与高密度电阻率法。浅层震动法利用人工震源，如锤击等机械震动方法，探测出采空区的边界。之后利用瞬变电磁法与高密度电阻率法分析采空区的积水情况。
3.3中深采空区
在利用震动法与瞬变电磁法的基础上加入可控源音频大地电磁法和音频大地电磁法对中深采空区进行探测富水性探测。而震动法的震源应当采用炸药震源或者其他强度较大的可控震源，并且需要采用二维地震法。
3.4深层采空区
与中深层采空区不同，需要利用更加完善的三维地震法，完成采空区边界范围的确定，震源应当采用炸药震源或者其他强度较大的可控震源，而探测采空区及其富水性的线距不大于60m，点距不大于30m。
3.5结语
作为一个具备多年煤矿开采历史的煤矿产业大国，我国的许多富产煤矿矿区已经有了多年的开采历史，多年开采不可避免的出现了一些采空区，由于煤矿开采业之前的规范化不足，采空区存在许多为探测之处，潜伏着许多安全隐患。对于煤矿采空区地面综合物探方法的优化研究可以很好地解决采空区的边界、积水等情况探测，为采空区的合理处理做好准备，也为煤矿开采的安全增加一份保障，具有极大的现实意义，需要广大煤矿开采企业的重视。
参考文献：
[1]李文.煤矿采空区地面综合物探方法优化研究[J].煤炭科学技术，2017，45（1）：194-199.
[2]张沛，尹楠楠.综合物探方法在煤矿采空区勘察中的应用[J].城市建设理论研究：电子版，2016（6）.
[3]牛兴国，党月辉.综合物探方法在探测煤矿采空区的应用[J].城市建设理论研究：电子版，2016（10）.