矿山形成的采空区

矿山采空区的影响，采空区的探测及处理任伟中南大学资源与安全工程学院采岩0801班摘要：自20世纪末以来，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，这是影响目前矿山安全生产的主要危害源之一。

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，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。

解决上述问题的前提条件就是要科学地探查井下空区的即时状态和空间形状，具体的探测方法有：高密度电阻率法，地震影像法，探测雷达发以及激光3D，采空区的处理方法具体有：垮落法、充填法、支撑法、缓慢下沉法。

Abstract:Since the late 20th century, China mining exploitation is chaotic, order of illegal disorder measures in some mining and its surrounding left a lot of mined-out area, it is currently the main harm of safe production in mines one source.Lots of mined-out area, causing the mining condition worsens, cause the tiberium spikes deformation, adjacent areas, maintenance stope and roadway at large underground strata movement, and the surface subsidence etc caused casualties and equipment, these are for safe production in mines, and pose a serious threat caused by environmental degradation, serious waste of mineral resources.The precondition of solving these problems is to scientifically exploration of underground space and instantaneous state empty, Specific detection methods are:The high-density resistivity method，Seismic imaging method, LeiDaFa detection and laser 3D,The treatment method with:Collapse method, filling method, support method, slowly sinking method.一、采空区的危害：目前，地下空区已经成为制约矿山发展的一个重要难题，随着矿山向深部开采，地压增大，地下空区在强大的地压下，容易发生坍塌事故，尤其对地下转露天开采的矿山影响很大；地下开采残留大量的采场、硐室、巷道没有进行及时处理，对露天开采带来了严重的隐患，同时给矿山工作人员和设备带来严重的威胁。

由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，因此，如何对地下采空区的分布范围、空间形态特征和采空区的冒落状况等进行量化评判，一直是困扰工程技术人员进行采空区潜在危害性评价及合理确定采空区处治对策的关键技术难题。

如河南栾川钼矿、广西大厂矿区、甘肃厂坝铅锌矿、铜陵狮子山铜矿、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流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。

地下采空区对工程的危害是极为明显的，主要体现在两个方面：一是采空顶板冒顶，造成地表沉陷和开裂，破坏地面的环境和露天作业；另一个就是矿山开采过程中，采空区围岩受爆破震动影响导致岩体裂隙发育，甚至贯通地表和连通老窿积水，发生突水事故，从而淹没坑道和工作面，造成损失，如2001年7月广西南丹发生的特大透水事故就是因为民窿留下大连的采空区积水，相互贯通而造成的。

由此，国内外很多学者在此方面做了卓有成效的贡献，主要包括对地下采空区进行精确探测技术的研究，对采空区的治理提出了一些行之有效的方法，同时还对采空区顶板稳定性进行了一系列安全评判研究，确定其最小安全厚度等。

二.采空区的探测目前世界上先进的采空区整体解决方案是利用高密度电法，地探雷达法，地震影像法，激光三D法，瞬态瑞雷波法等地球物理方法探测到采空区的大概位置，再使用C-ALS等激光扫描设备对采空区进行数字化和可视化，达到科学探测采空区的目的。

美国等西方发达国家以物探方法为主，而我国目前以钻探为主，物探为辅；1 采空区探测方法：1.1高密度电法高密度电法指的是直流高密度电阻率法，但由于从中发展出直流激发极化法，所以统称高密度电法。

高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法，是把很多电极同时排列在测线上，通过对电极自动转换器的控制，实现电阻率法中各种不同装置、不同极距的自动组合，从而一次布极可测得多种装置、多种极距情况下多种视电阻率参数的方法。

对取得的多种参数经相应程序的处理和自动反演成像，可快速、准确地给出所测地电断面的地质解释图件，从而提高了电阻率方法的效果和工作效率。

在条件适当时，此方法对工程物探以及探测煤矿的老硐，探测古墓墓穴等有较好的效果。

高密度电阻率法使用的仪器称为高密度电阻率仪或高密度电法测量系统。

高密度电法实际上是集中了电剖面法和电测深法。

其原理与普通电阻率法相同．所不同的是在观测中设置了高密度的观测点。

是一种阵列勘探方法。

关于阵列电法勘探的思想源于2O世纪7O年代末期．英国人设计的电测深偏置系统就是高密度电法的最初模式，2O世纪8O年代中期13本借助电极转换板实现了野外高密度电法的数据采集。

我国是从2O世纪末期开始研究高密度电法及其应用技术，从理论方法和实际应用的角度进行了探讨并完善，现有中国地质大学、原长春地质学院、重庆的有关仪器厂家研制成了几种类型的仪器。

高密度电法野外测量时将全部电极(几十至上根)置于剖面上．利_Lfj程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现剖面中不同电极距、不同电极排列方式的数据快速自动采集。

与常规电阻率法相比．高密度电法具有以下优点：1．电极布置一次性完成．不仅减少了因电极设置引起的故障和干扰，并且提高了效率：2．能够选用多种电极排列方式进行测量，可以获得丰富的有关地电断面的信息；3.野外数据采集实现了自动化或半自动化，提高了数据采集速度，避免了手工误操作。

[1-3]1.2地探雷达法地探雷达（Ground penetrating radar 简称DPR)地探雷达工作时，在雷达主机控制下，脉冲源产生周期性的毫微秒信号，并直接馈给发射天线，经由发射天线耦合到地下的信号在传播路径上遇到非均匀体（面）时，产生反射信号.位于地面上的接收天线在接收到地下回波后，直接传输到接收机，信号在接收机经过整形和放大等处理后，经电缆传输到雷达主机，经处理后传输到微机。

在微机中对信号依照幅度大小进行编码，并以伪彩色电平 灰色电平图或波形堆积图的方式显示出来，经事后处理，可用来判断地下目标的深度、大小和方位等特性参数.地探雷达是利用高频电磁波（主频为数十兆赫至数百兆赫）一宽频带短脉冲形式，由地面通过天线T送入地下，经过地下底层或目的体反射后返回地面，为另一天线R所接收，脉冲波旅行时课表示为：式中t 为电磁波双程走时；z 为反射体的深度；v 为地下介质中的波速；x 为发射与接收天线的距离。

当地下介质中的波速v为已知时，可以根据测到的精确时间t 值，由上市求出反射体的深度z 。

电磁波载介质中传播时，起电磁波的强度与波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化。

因此，根绝接收到波的旅行时间（亦称双程走时），幅度与波形资料，可推断介质的结构。

雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录，波形的正负峰分别以黑、白表示或者以灰阶或彩色表示。

这样同相轴以等灰度等色线即可形象地表征出地下反射面。

为雷达探测及波形记录的示意图，图上对照一个简单的地质模型，画出了波形的记录在波形记录，图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达时间剖面由于探地雷达发射的电磁波段常为107 以上数量级，在地层介质中雷达波波长一般为0.1 ~2 m，所以探地雷达在探测浅部地层介质时，具有比地震波法更高的分辨率而且具有经济、非破坏性、快速的优点[4-7]1.3地震映像法地震映像（又称高密度地震勘探和地震多波勘探），是基于反射波法中的最佳便宜距技术发展起来的，这种方法可以利用多种地震波最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。

地震映像法的主要特点有：数据采集速度快，但抗干扰能力弱，勘探深度有限：地震映像法在资料处理过程中不需要进行校正处理，节省了资料处理时间，避开了懂校正对浅层反射波的拉升，畸变影像，可以使反射波的动力学特征前部被保留，地震记录的分辨率不会受到影响；地震映像法载资料解释中可以利用多种地震波的信息；在探测目的较单一，只需要研究横向地质变化的情况下，地震映像法效果较好，儿探测目的的层较多时，不易确定偏移距，地震记录上的时间变化主要为地下地质体的反映，这给资料解释带来极大地方便，课直接对资料进行数字解释，如频谱分析，相关分下等。

利用地震映像发可以载探测水域下地形分布及地貌情况，也可以用于探测矿山地下采空区，岩溶等地下洞穴，该方法已呗成功的用于都悬采空区和地质异常体的探测，显示了较好的应用价值。

[8-10]1.4激光3D法激光三维扫描法是利用激光的高度精确性对地下采空区的大小、位置进行三维探测的新型方法．激光3D扫描仪能迅速记录与所观测对象有关的大量三维数据信息，其探头具有较好的伸展柔韧性，50 mm直径能满足较小的地上凿洞，它的装置采用不锈钢制作，可以在水平和竖直方向进行360。

旋转测量．数据遥感勘测系统可以将所有的测量数据送回外部的主控装置，同时利用计算机获取并管理数据，通过软件处理、观察和编辑数据，可以建立采空区的空间立体形态模型，并进行数据分析．激光三维扫描法探测精确，可作三维模拟，建立采空区的空间立体模型，直观、分辨率高；但是由于需要钻孔，所以探测周期较长，劳动强度大，且容易受环境影响，探测深度有限。