采空区

2001年10月24日，山西省左云县店湾镇范家寺村的煤矿地下采空区发生地面塌陷，造成几十间房屋沉入地下。2007年8月29日，陕西省神木县孙家岔镇边不拉煤矿矿井采空区发生塌陷，引发3.3级地震。
地下采空区可能带来的危害主要有：一次性整体或大面积垮塌的顶板冲击地压、局部冒落、冒落冲击气流伤害。
1.3本文的研究内容
金属矿采空区特点是空区充填性不好，多为充水或部分冒落，岩层多为高角度产状，这些因素非常适合采用地震Sy波勘探法，该方法在采空区上的成功运用有着极其重要的意义。一方面克服了矿山强电场的干扰限制，另一方面从弹性波角度可以查清金属矿山周边的采空区及自身的地质隐患，还可为金属矿山提供采空区下较深中段面的地质信息，为矿区预防地质灾害起到先导作用，为金属矿的安全生产提供详细可靠的地质依据，以减少金属矿在生产过程中遭受不必要的经济损失，给金属矿山高产增效提供保障。
自20世纪80年代以来的一段时期，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。如广西大厂矿区、甘肃厂坝铅锌矿、铜陵狮子山铜矿、河南栾川钼矿、云南兰坪铅锌矿、广东大宝山矿、湖南柿竹园矿等许多矿山都存在大量的采空区，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，更为严重的是空区突然垮塌的高速气浪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。
新型分布式高密度电法仪工作示意图
Fig. 1Operational sketch map of new high-density resistivity method
2.2.3探地雷达法
探地雷达( Ground penet rating radar ,简称GPR)法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术.探地雷达利用一个天线发射高频宽带电磁波,另一个天线接收来自地下介质界面的反射波.电磁波在介质中传播时其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化.因此,根据接收波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料,可推断介质的结构.探地雷达的地质解释是在数据处理后所得的探地雷达图像剖面中,根据反射波组的波形与强度特征,通过同相轴的追踪,确定反射波组的地质含义.当岩层中有空区时,岩层与空区的界面两侧电性差异较大,容易形成强烈的反射波,同时,这一界面也是岩性的特变点,常常产生绕射波,而绕射波在时间剖面上为双曲线反映.因此通过时间剖面上的特征图像就能确定空区的位置及深度[ 6-8] .其探测原理如图所示.该方法具有无损、高效、快捷、准确等优点.
第一章绪论
1.1采空区的概念
在矿产资源的开采过程中必然要形成大小不同、形状各异的采空区。采空区是指地下矿产资源被采出后残留下来的空洞，按照矿产资源被开采的时间先后可将采空区划分为老采区、现采区和未来采区。从广义上说，井下所有空置的空间如采场、空区、井巷、硐室等都是由“空区”所组成的。地下开采的一切生产活动也都离不开这些空置的空间。
3D激光扫描技术的主要特点是大范围的扫描幅度和高精度的小角度扫描间隔。系统通过内置伺服驱动马达系统精密控制激光扫描头的转动，使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。如图1所示，通过数据采集获得测距观测值5，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值！和纵向扫描角度观测值0。激光扫描三维探测一般使用仪器内部坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直轴，Z轴与横向扫描面垂直，由此可得到三维激光脚点坐标的计算公式：
地震SV波(横波垂直分量)勘探法是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的方法。这种方法可以利用多种地震波作为有效波来进行探测，也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的地震波作为有效波。其主要特点是数据采集速度比较快，显示较为直观，适用范围广，同时受场地限制小。该方法已被成功地用于地下采空区和地质异常体的探测，显示了较好的
应用价值（王俊茹．张龙起．浅层地震勘探在采空区勘测中的应用【J】．物探与化探。2002。(1)）。
地震SV波勘探原理及方法ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
不同岩性的地层和目标体都有各自的地球物理特征，存在着密度差异，不同的传播速度、固有频率等。这些差异使地震波传播到不同地层时在不同地层的分界面产生反射、绕射、折射、直达波。其工作方法是在地表附近某一点人工激发地震波，而在其他若干点上用地震检波器记录从震源直接来的直达波，或从地下不同弹性的岩层分界面来的反射波，分析地震记录上这些有用信息的特点(波的传播时间、波形及振幅等)，求得弹性分界面的空间位置及其性质，从而完成地震勘探任务。
基于3D激光扫描原理开发的专用于地下矿山的空区监测系统ＣＭＳ目前已经有１６０多套在全球应用。
2.2.2高密度电阻率法
高密度电阻率法的基本原理与常规电法完全相同.它是以常规直流电阻率法为基础,在探测剖面上同时布置多个电极,由人工向地下发送电流,使地下形成稳定的电流场,通过自动控制转换装置对所布设的剖面进行自动观测和记录的一种物探方法.可用于探测地下构造、岩溶、洞穴、埋设物、采空区、渗漏带等.该方法相对于常规电法,具有测点密度大、信息量大、成本低、工作效率高等特点,野外的数据采集和收录实现了自动化、智能化,可以方便的测量到大量的数据,避免了人工操作带来的误差.目前应用高密度电阻率法探测采空区的技术已经比较成熟,工程应用实例很多.下图为新型分布式高密度智能化电法仪工作示意图。
第三章采空区安全性评价
按照《矿山安全规程》，存在采空区的地下开采矿山，必须定期对采空区的稳定性进行安全评价，或者实施采空区处理。即使进行了采空区处理，也必须对处理效果开展验收评价。因此，采空区安全评价，包括采空区处理前的安全评价和采空区处理后的验收评价两种。
采空区安全评价的目的，既是要论证是否可能发生上述危害。通常实施采空区安全评价的方法是定性评价或监测估计。没有完整的定量计算评价的措施。定性评价的准确、可靠度低，监测估计经历的周期长。
国内在常规勘察手段的研究上也取得了丰硕的成果，发展并推广了多种探测技术。物探技术研究领域主要集中在如何提高探测精度、确定空洞空间形态方面，随着技术的革新和信息运算能力的提高，探测所得信息量增加的同时探测精度也得到了很大提高，先后开展了采空区定位与范围探测、钻探技术与激光测量技术结合、钻探与彩色钻孔地势系统结合等技术，大大丰富和发展了采空区探测技术，使采空区探测分析由宏观定性逐步向理论分析和定最评价方向发展。
2.2.1三维激光探测技术
三维激光扫描技术是最近20多年发展起来的新兴技术之一，具有非常广阔的应用前景，有望给测绘科学带来一场新的技术革命。
3D激光扫描技术是对确定目标的整体或局部进行完整的三维坐标数据探测，在三维空间进行从左到右，从上到下的全自动高精度步进扫描，进而得到完整的、全面的、连续的、关联的全景点坐标数据—— “点云”，从而真实地描述出目标的整体结构及形态特性［］。通过扫描探测点云编织出的“外皮”来逼近目标的完整原形及矢量化数据结构，可进行目标的三维重建。然后由全面的后处理可获取复杂的几何内容，如长度、距离、体积、面积、目标结构形变、结构位移及变化关系等。
在采空区的探测方面，国外主要以地球物理勘探为主；国内主要以钻探为主，物探在相当长一段时间只作为一种辅助探测形式。由于钻探技术具有勘察持续时间长和工程费用高的缺点，使用范围受到了很大影响，对开采不规范、位置不详细、开采工作面随意性大的民间采矿区进行探测时，钻探技术的的局限性显得尤为明显。
国外在地下空洞探测技术研究方面成果累累，主要方法有：电法、电磁法、地震波法、地质雷达等。随着很多新型学科的诞生和发展，探测技术的研究也渗入到了各个学科领域，新的探测技术层出不穷，发展逐渐成熟。20世纪80年代，日本就已经开始对能自动完成探测任务的仪器和技术展开研究，自主研发了“GR-810”型佐藤式全自动地下勘察仪，使采空区探测变的更加方便快捷。
目前，对大于十米的地下空洞，探测准确率可达95%以上；虽然对几米甚至一到两米地下空洞的探测有一定难度，但其准确率也仍可达80%以上，对于一米以下的地下空洞，探测相对困难，准确率较低。
采空区的探测方法虽然很多，但目前的探测手段往往只能提供定性的资料，而采空区问题是三维空间问题，其空间范围的准确确定直接关系到采空区稳定性预测、治理工程的设计计算等问题。因此，有必要从理论上和实践上来优选最佳的探测技术组合，提高勘测精度。
图3D激光扫描原理
扫描仪内置反光镜可将激光束水平偏转，以实现激光水平方向的扫描功能。扫描仪主体周向自旋转功能可以实现纵向的扫描，每当水平扫描一个周期后，步进一次，以进行第二次水平扫描，如此同步下去，最终实现对整个空间的扫描过程。
三维激光扫描仪是一种非接触式主动测量系统，可进行大面积高密度空间三维数据的采集。与传统的探测和测量方法相比，具有点位测量精度高，采集空间点的密度大、速度快，不需要控制点就可以建立DSM模型和目标体模型等特点。
探地雷发基本工作原理
Working principle of GPR
黄仁东、刘敦文[ 5 ]等人用探地雷达法对厂坝铅锌矿的采空区进行了探测与试验,文献[ 6 ]也是采用探地雷达法对矿山隧道和废弃的采场进行勘探的例子.
采空区探测\综合物探方法及其在复杂群采空区探测中的应用_闫长斌.pdf
2.2.4地震SV波勘探法
2.2常用采空区探测方法及简介
矿山废弃的采空区一般隐蔽在地下且采后难以进入，在缺少资料的情况下，对采空区的位置、大小、数量等需要进行精确探测。理想的探测手段与方法应该满足：劳动强度低、效率高、成本低、现场实施安全便捷、目标显示直观、精确度高等特点。目前常用的地下采空区物理探测技术有：激光3D法、高密度电阻率法、探地雷达法等。
地震SV波勘探，就是使用纵波震源激发，其产生的下行纵波，遇到界面后转换为横波，然后以上行横波传到地面，并被横波检波器接收，如图1所示。在自然地层条件下，地震波的传播速度基本规律是密度越高，地震波的传播速度也越高，密度低则地震波的传播速度也低。纵波传播速度的特点是随着深度的增加而成抛物线性增加，而横波波速随深度的增加，波速变化较稳定。同一种岩性中纵波波速的范围在200～3000 m／s，表层变化更大。而横波波速在表层到800 s深的范围内，其波速变化在80～400 m／s左右。地震波的分辨率与波长有关，最高分辨率为波长的一半。即波长越小分辨率越高。波长的大小是由速度决定的，速度越高波长也越大。因此，横波地震的分辨率要比纵波高。采空区勘探采用此方法，在研究具有一定深度的多个弹性分界面深度及构造形态方面效果显著且较为经济。
1.2采空区危害
资源开采给社会带来巨大财富的同时也给人们的生产和生活带来了巨大的安全隐患。关于采空区造成的人员伤亡和财产损失国内外报道甚多。采空区已成为影响现在矿山安全生产的主要危害源之一。这些采空区使矿山开采条件恶化，造成矿柱变形破坏，相邻作业区采场和巷道维护困难；大面积冒落和岩移，引起地表塌陷，危及地面农田及建筑；空区突然垮塌的高速气浪和冲击波造成井下连通作业场所人员伤亡和设备破坏；采空区老窿积水形成突水隐患等等，给矿山生产和安全带来严重影响，并造成环境恶化、矿产资源严重浪费。
第二章采空区探测
2.1采空区探测技术研究现状
采空区作为影响目前矿山安全生产的主要危害源之一，要解决采空区问题的关键是要科学的探明井下空区的即时状态和空间相对关系，为采空的的安全性评价和安全治理、资源回采提供准确的资料。因此，科学的揭示井下空区的空间形态、几何特性及变化关系等，对矿山的生产和安全有着非常积极的作用。
因此，对采空区进行稳定性评价，采取合理的工程技术措施，是实际工作中必须解决的现实问题。但是由于地质条件的复杂性、开采方式的多样性以及勘察过程中搜集资料的局限性等因素的存在，采空区稳定性的评价与工程实际往往存在很大差异。
3.1综合指数法
为了对采空区失稳进行危险性评价，在分析影响采空区失稳危险状态的自然地质条件因素与指数W1和开采技术条件因素与指数W2的基础上，采用综合指数法对采空区危险源进行分级研究，确定采空区失稳危险状态等级评定的综合指数W。将房采采空区失稳危险源分为4级，即I级危险源(特大危险性，W I>0．8)；II级危险源(重大危险性，0．6≤W<0．8)；，Ⅲ级危险源(较大危险性，0．3≤W<0．6)和Ⅳ级危险源(一般危险性，W<0．3)。