在這個(gè)土地資源日益緊缺的時(shí)代，人類不得不將目光投向了地下空間。從古老的礦洞到現(xiàn)代的地下商城、停車(chē)場(chǎng)，地下空間正逐漸成為城市發(fā)展的新藍(lán)海。然而，要科學(xué)、安全地開(kāi)發(fā)和利用這些地下空間，我們首先需要一雙能夠“透視”地下的眼睛——礦山地下空間探測(cè)技術(shù)。今天，就讓我們跟隨中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深地工程智能建造與健康運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王勃教授等專家們，一起揭開(kāi)礦山地下空間探測(cè)技術(shù)的神秘面紗。 隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，地面空間變得越來(lái)越緊張，而地下空間則像是一個(gè)巨大的寶藏，等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和利用。礦山開(kāi)采過(guò)程中形成的地下巷道、井筒等場(chǎng)所，如果能夠得到科學(xué)的管理和開(kāi)發(fā)，將成為寶貴的地下空間資源。然而，這些地下空間往往隱藏著各種未知的風(fēng)險(xiǎn)，如采空區(qū)積水、地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定等，給礦區(qū)的安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的隱患。 因此，精細(xì)探測(cè)礦山地下空間的分布情況，成為了地下空間開(kāi)發(fā)利用和消除安全隱患的基礎(chǔ)前提。這也是近年來(lái)學(xué)術(shù)界和工程界高度關(guān)注的問(wèn)題。據(jù)估算，目前我國(guó)各類礦山地下空間總量約為156.87億立方米，這一龐大的數(shù)字背后，是無(wú)數(shù)亟待開(kāi)發(fā)和利用的寶貴資源。 為了這雙“透視眼”，科學(xué)家們研發(fā)出了多種探測(cè)技術(shù)，它們從“空（天）-地-井-巷”多視角出發(fā)，利用“重-磁-電-震”多種方法，對(duì)地下空間進(jìn)行全方位、多尺度的探測(cè)。 航空（天）探測(cè)技術(shù)利用飛機(jī)、直升機(jī)、無(wú)人機(jī)或衛(wèi)星等設(shè)備作為平臺(tái)，對(duì)地面特定區(qū)域進(jìn)行物性探測(cè)。這種技術(shù)以其廣覆蓋范圍和高空視角的優(yōu)勢(shì)，在分析目標(biāo)區(qū)域的地球物理特征時(shí)能夠探查其地質(zhì)構(gòu)造與地下空間分布。一、地下空間的寶貴資源
二、多視角、多方法的探測(cè)技術(shù)
1. 航空（天）探測(cè)：高空中的“千里眼”
航空重力探測(cè)技術(shù)：地下空間的形成與其上方巖層的持續(xù)破碎、膨脹和壓實(shí)過(guò)程密切相關(guān)，這些過(guò)程會(huì)導(dǎo)致地下的堆積物、空洞和裂隙區(qū)與周?chē)腆w巖石在密度上有顯著差異。衛(wèi)星重力梯度測(cè)量技術(shù)通過(guò)裝載在低軌道衛(wèi)星上的重力梯度儀來(lái)測(cè)量重力場(chǎng)的二階導(dǎo)數(shù)，重建地球的重力場(chǎng)。這項(xiàng)技術(shù)已能夠?qū)崿F(xiàn)1mGal的重力異常測(cè)量精度和2cm的大地水準(zhǔn)面精度。 航空電磁探測(cè)技術(shù)：這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)裝載在航空器上的磁力儀或發(fā)射線圈發(fā)出的電磁波來(lái)測(cè)量地球的磁場(chǎng)或地下介質(zhì)的電性差異。我國(guó)在這一領(lǐng)域已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，如CHTEM-I型直升機(jī)航空電磁測(cè)量樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)就達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先。 應(yīng)用實(shí)例：2016年，林君院士團(tuán)隊(duì)在沁水煤田晉城區(qū)塊進(jìn)行了約23平方公里的時(shí)域地空電磁勘探工作，成功識(shí)別出該區(qū)塊內(nèi)的地下采空積水區(qū)域。這一成果充分展示了航空探測(cè)技術(shù)在礦山地下空間探測(cè)中的巨大潛力。
2. 地面探測(cè)：近距離的“觀察員”
地面探測(cè)技術(shù)通過(guò)在地面布設(shè)探測(cè)設(shè)備，對(duì)淺地表及深部地下特定區(qū)域進(jìn)行物性探測(cè)。這種技術(shù)雖然探測(cè)深度受限，且設(shè)備布設(shè)可能受到地形條件的制約，但其操作相對(duì)簡(jiǎn)便，并在淺層地下空間的探測(cè)上展示出優(yōu)良效果。
地面電磁法探測(cè)技術(shù)：瞬變電磁法、大地電磁法、可控源音頻大地電磁測(cè)量法等都是利用電磁場(chǎng)的變化來(lái)研究地下電性結(jié)構(gòu)的方法。探地雷達(dá)則是一種利用射頻電磁技術(shù)探測(cè)地下不同介質(zhì)電磁性質(zhì)差異的技術(shù)。這些技術(shù)在工程勘察、隧道超前預(yù)報(bào)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 地面電法探測(cè)技術(shù)：高密度電阻率法、激發(fā)極化法等通過(guò)觀測(cè)和研究電場(chǎng)的空間分布規(guī)律和時(shí)間特性，完成對(duì)地下異常體的識(shí)別和定位。這些技術(shù)在礦山地下水文地質(zhì)勘察、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等方面發(fā)揮著重要作用。 地面地震法探測(cè)技術(shù)：反射波法、面波勘探法等利用地震波的傳播原理來(lái)推斷地下異常分布規(guī)律。三維地震勘探技術(shù)更是為煤層巷道等地下空間的精細(xì)探測(cè)提供了有力支持。 應(yīng)用實(shí)例：彭蘇萍院士團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用三維地震方法探測(cè)煤層巷道，通過(guò)地震多屬性融合技術(shù)清晰地刻畫(huà)出巷道邊界和延伸范圍，為煤礦安全生產(chǎn)提供了重要保障。
3. 孔中探測(cè)：深入內(nèi)部的“偵探”
孔中探測(cè)技術(shù)通過(guò)利用鉆孔等在孔中布設(shè)探測(cè)設(shè)備，以分析孔周邊的目標(biāo)異常體。這種技術(shù)雖然受鉆孔分布的限制，但通常能夠深入到較深的地層，獲得更大埋深、更精確的探測(cè)數(shù)據(jù)。
孔中電磁法探測(cè)技術(shù)：鉆孔瞬變電磁法、鉆孔雷達(dá)等都是利用電磁信號(hào)在孔中進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)。這些技術(shù)在金屬礦勘探、煤層采空區(qū)探測(cè)等方面取得了顯著成果。 孔中電法探測(cè)技術(shù)：跨孔直流電阻率CT成像方法是一種多方位、近距離探測(cè)典型地下結(jié)構(gòu)的井間電阻率層析成像技術(shù)。這種技術(shù)在溶洞探測(cè)、煤層底板采動(dòng)破壞探測(cè)等方面有著廣泛應(yīng)用。 孔中地震法探測(cè)技術(shù)：孔中地震CT、隨鉆地震探測(cè)等利用地震波在孔中的傳播特性進(jìn)行探測(cè)。這些技術(shù)為提高地震探測(cè)范圍和精度提供了新的思路和方法。 應(yīng)用實(shí)例：中煤科工集團(tuán)西安研究院在山西某煤礦應(yīng)用鉆孔瞬變電磁探測(cè)煤礦采空區(qū)，成功識(shí)別出富水性采空區(qū)，為煤礦安全生產(chǎn)提供了有力支持。
4. 巷道探測(cè)：近在咫尺的“守望者”
巷道探測(cè)技術(shù)通過(guò)利用礦山地下巷道等人工開(kāi)挖的通道內(nèi)部布設(shè)探測(cè)設(shè)備，從而精細(xì)探查地層結(jié)構(gòu)及其潛在空間分布。這種技術(shù)由于深入礦山地下空間進(jìn)行近距離探測(cè)，可提供更精細(xì)化的探測(cè)數(shù)據(jù)。
巷道電磁法探測(cè)：全空間巷道瞬變電磁法將地面瞬變電磁技術(shù)引入煤礦巷道，為礦井瞬變電磁相關(guān)理論發(fā)展提供了有力支持。 巷道電法探測(cè)：巷道直流電阻率超前探測(cè)方法是依靠單點(diǎn)電源的球殼理論推斷掘進(jìn)面前方是否存在地質(zhì)異常體。這種技術(shù)在礦井水害超前探測(cè)等方面有著重要應(yīng)用。 巷道地震法探測(cè)：全空間地震勘探假設(shè)地下介質(zhì)在三維空間內(nèi)均質(zhì)或非均質(zhì)分布，適用于深層或復(fù)雜地質(zhì)條件下的勘探。這種技術(shù)在煤礦采空區(qū)及巷道探測(cè)等方面取得了顯著成果。 應(yīng)用實(shí)例：中煤科工集團(tuán)西安研究院在新疆庫(kù)車(chē)某礦區(qū)進(jìn)行直流電法超前探測(cè)，成功識(shí)別出斜交老窯巷道積水區(qū)，有效避免了災(zāi)害性透水事故的發(fā)生。
三、現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與局限性
每一種探測(cè)技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性。航空探測(cè)技術(shù)覆蓋范圍廣、探測(cè)效率高，但探測(cè)深度有限且成本較高；地面探測(cè)技術(shù)操作簡(jiǎn)便、成本低廉，但探測(cè)深度受限且易受地形條件制約；孔中探測(cè)技術(shù)能夠深入到較深的地層獲得更精確的探測(cè)數(shù)據(jù)，但受鉆孔分布限制；巷道探測(cè)技術(shù)提供精細(xì)化的探測(cè)數(shù)據(jù)，但確保探測(cè)廢棄地下空間的安全性和穩(wěn)定性是亟需解決的重要問(wèn)題。
表1總結(jié)了現(xiàn)有地下空間探測(cè)技術(shù)在不同維度應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)：
面對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性和構(gòu)造形態(tài)的多樣性，單一維度的物探手段往往難以滿足礦山地下空間探測(cè)多尺度精細(xì)探測(cè)的要求。因此，未來(lái)礦山地下空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)：
1. “天空地井巷”多空間維度協(xié)同探測(cè)
“天空地井巷”多維度協(xié)同探測(cè)示意
張良培等提出的空天地一體化對(duì)地觀測(cè)傳感網(wǎng)理論，以及吳立新團(tuán)隊(duì)研究的露天礦邊坡監(jiān)測(cè)“天空地”多平臺(tái)、多模式的協(xié)同監(jiān)測(cè)方法，都是這一趨勢(shì)的生動(dòng)體現(xiàn)。
2. 地下空間感知探測(cè)一體化機(jī)器人
地下空間感知探測(cè)一體化機(jī)器人概念
與傳統(tǒng)的探測(cè)手段相比，地下空間感知探測(cè)一體化機(jī)器人具有更高的安全性、靈活性和探測(cè)精度。它能夠在復(fù)雜的地下環(huán)境中自主運(yùn)行，穿越狹小空間，獲取傳統(tǒng)手段難以觸及的區(qū)域數(shù)據(jù)。這對(duì)于提高礦山地下空間探測(cè)的效率和準(zhǔn)確性具有重要意義。