国际国内探测小窑采空区的探测方法众多，受地质条件的差异性和探测方法自身的局限性所限，开展采空区探测是地质工作面临的一个难题。因此，开展优选效果好并兼顾到经济性的采空区探测方法研究工作很有必要。文章通过对某矿井开展的3种常用物探方法（三维地震、瞬变电磁和测氡法）的探测效果进行了对比分析，并对3种方法的适用条件、经济性进行了论述，从而提出优选方案，依据不同地质条件给出采空区探测的技术路线图，达到效果好、经济可行的目的。

该矿于1995年建井，1997年投产，开采煤层埋深较浅（100～400 m）。历经多年的小规模开采，形成了一定范围的采空区域。2005年停产，拥有较为完整的井下巷道，采掘资料齐全。2016年该矿被列入河北省化解过剩产能（产能退出）的关闭矿井之一。矿井关闭后，综合的治理工作将提上日程，查清采空区的分布将成为首要任务（图1）。

图  1  原井田内小窑及采空区分布示意图

依据钻孔揭露，研究区地层由老至新为奥陶系中统、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、二叠系上统上石盒子组、石千峰组和第四系。整体为一个近似南北走向、地堑型、向东倾的单斜断块构造，地层倾角在3°～9°左右。区内断层密集。

研究区地表相对平坦，村庄密集，不利于地震采集施工，浅层地层内卵砾石层分布广泛，所以该区地表地震地质条件复杂。深层除采空区外煤层赋存稳定，具备形成深层地震反射波的条件，地震地质条件较好。

该区煤层顶底围岩为砂岩且裂隙发育，加上采空区顶板岩层破碎导致其含水的饱和度高，已知资料表明矿井的巷道、采空区局部充水，与围岩相比有明显的低电阻率特征，易于区别圈定，所以该区瞬变电磁条件较好。

研究区内地表为砂土及黄土覆盖，封盖条件较好，井下存在一定范围的煤层采空区，造成上覆地层存在不同程度的沉降并且派生裂隙发育，为氡气的储集和运移提供了条件。有利于开展测氡工作。

该区三维地震采用可控震源车激发，60 Hz高频检波器接收；已知资料表明该区主采煤层的埋藏深度在150～400 m之间，据此三维地震采集采用的观测系统为束状12线6炮制中点激发，24次叠加，按煤层埋藏的浅部、中深部、深部（仪器开动道数为480道、576道、768道），接收网格：10 m×20 m，CDP网格：5 m×10 m，叠加次数24次，0.5 ms采样录制，记录长度1.0 s。

瞬变电磁法（简称TEM法）属于时间域电磁感应法，利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用回线或电偶极接收二次场，该二次场是由地下良导地质体受激励引起的涡流所产生的非稳电磁场。本次瞬变电磁测线网格为40 m×20 m，采用加拿大PHOENIX公司V8多功能电法仪，综合考虑该区目的层埋深选取的施工参数为：

①发送线框边长选用480 m×480 m和600 m×600 m两种；

②发射频率选用单频5 Hz；

③发射电流大于10 A；

④固定增益选用2²。

按照研究任务，为了便于后续的资料分析对比，测线布置与地震线束方向一致为东西向，垂直于区内地层或构造走向，横跨采空区域，测线网度20 m×20 m与20 m×10 m两种。测氡法采用太原理工大学自主研发的TYHC-1活性炭测氡仪，该仪器主要技术指标如下：

探测器：NaI(Tl)晶体（Φ75 mm×50 mm）；

灵敏度：铀约为10⁻⁶，钍约为3×10⁻⁶，钾约为0.5%；

测量范围：氡浓度（100～300 000）Bq∕m³；

能量分辨率：7%（对137 Cs而言）；

工作温度：−10 ℃～+50 ℃。

在三维地震勘探时间剖面上煤层采空区域均存在煤层采空后使得反射波同相轴连续性变差、分叉、消失、能量变弱、波形突变等现象，特征明显（图2、图3）。

图  2  采空区在时间剖面上的显示

图  3  采空区在三维地震属性平面图上的显示

在瞬变电磁反演电阻率断面图中，能够清晰地分辨出充水采空区形成的低阻圈闭的分布情况 (图4)。

图  4  低阻采空区在反演电阻率剖面上的显示

经对剖面进行逐条反演解释结合确定了研究区内富水低阻异常区反演电阻率的界定值为≤40Ω•m，结合采掘资料和电阻率平面图，将电阻率≤30 Ω•m的圈闭定为采空及巷道分布区。

由测氡试验曲线图可知，研究区南北区块地表条件不同，南部为老河道沙土覆盖，北部为耕地黄土覆盖，南区正常地层的氡值计数为0～100 次/分钟上下波动且波动幅度较小，而位于采空区上方地层的氡值计数在100～200 次/分钟之间跳动，且波动幅度较大。北区正常地层的氡值计数为0～200 次/分钟上下波动且波动幅度较小，而位于采空区上方地层的氡值计数在200～350 次/分钟之间跳动，且波动幅度较大(图5)。

图  5  采空区在测氡剖面图上的显示

为了便于比较，将研究区内3种方法的探测成果叠合在一起进行探测精度的对比分析。整体看，三维地震所解释圈定的采空区比实际采空范围稍大一些，但是由于地震地质条件和地震技术本身分辨率的，对于巷道的分布区地震成果的反映不明显，三维地震却能够从空间角度对采空区的分布范围及埋藏深度进行相对精确的定量控制。测氡法按照氡值异常并不能严格区分出采空区与巷道分布区，只是定性地圈定出异常区的范围。瞬变电磁法对于富水低阻区内充水巷道及采空区有明显的低阻响应，但对于不富水或弱富水的高阻区内的巷道及采空区没有明显的阻值异常反应(图6)。

图  6  三种方法采空区成果剖面对比

图  7  三种方法采空区控制成果对比

结合3种常用探测方法的控制精度、施工工艺及成本，可知三维地震探测采空区获得的成果精度最高且效果好，但是其施工成本高、工艺复杂、工期长，整体探测效率较低。瞬变电磁探测采空区精度效果及可靠性一般，施工成本、工艺复杂度、工期等要素介于测氡法和三维地震之间，整体探测效率一般。测氡法探测采空区成果的精度及可靠性一般，施工成本低、工艺简单、工期短，整体探测效率最高。

通过开展小窑采空区探测的常用物探方法优选工作，总结优选过程中的经验和成果，提出一条优选探测方法路线图：首先要考虑工区地表和地下的地质条件、采空区的类型和分布特点，以及探测的目的任务；其次在考虑物探方法本身局限性的前提下依据地质条件及目的任务针对性选用合适的物探手段；同时在保证探测成果质量的前提下，还要考虑到成本的投入等问题。据此在具体实施中建议依据地质条件、目的任务要求，考虑物探方法本身的局限性及资金投入情况，从而选用合适的探测手段。