在這個土地資源日益緊缺的時代,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、停車場,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——礦山地下空間探測技術(shù)。今天,就讓我們跟隨中國礦業(yè)大學(xué)深地工程智能建造與健康運(yùn)維全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王勃教授等專家們,一起揭開礦山地下空間探測技術(shù)的神秘面紗。 隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速,地面空間變得越來越緊張,而地下空間則像是一個巨大的寶藏,等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和利用。礦山開采過程中形成的地下巷道、井筒等場所,如果能夠得到科學(xué)的管理和開發(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,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)帶來極大的隱患。 因此,精細(xì)探測礦山地下空間的分布情況,成為了地下空間開發(fā)利用和消除安全隱患的基礎(chǔ)前提。這也是近年來學(xué)術(shù)界和工程界高度關(guān)注的問題。據(jù)估算,目前我國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,是無數(shù)亟待開發(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,對地下空間進(jìn)行全方位、多尺度的探測。 航空(天)探測技術(shù)利用飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)或衛(wèi)星等設(shè)備作為平臺,對地面特定區(qū)域進(jìn)行物性探測。這種技術(shù)以其廣覆蓋范圍和高空視角的優(yōu)勢,在分析目標(biāo)區(qū)域的地球物理特征時能夠探查其地質(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、多方法的探測技術(shù)
1. 航空(天)探測:高空中的“千里眼”

航空重力探測技術(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)過程密切相關(guān),這些過程會導(dǎo)致地下的堆積物、空洞和裂隙區(qū)與周圍固體巖石在密度上有顯著差異。衛(wèi)星重力梯度測量技術(shù)通過裝載在低軌道衛(wèi)星上的重力梯度儀來測量重力場的二階導(dǎo)數(shù),重建地球的重力場。這項(xiàng)技術(shù)已能夠?qū)崿F(xiàn)1mGal的重力異常測量精度和2cm的大地水準(zhǔn)面精度。 航空電磁探測技術(shù):這項(xiàng)技術(shù)通過裝載在航空器上的磁力儀或發(fā)射線圈發(fā)出的電磁波來測量地球的磁場或地下介質(zhì)的電性差異。我國在這一領(lǐng)域已達(dá)到國際先進(jìn)水平,如CHTEM-I型直升機(jī)航空電磁測量樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)就達(dá)到了國際領(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平方公里的時域地空電磁勘探工作,成功識別出該區(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技術(shù)在礦山地下空間探測中的巨大潛力。
2. 地面探測:近距離的“觀察員”
地面探測技術(shù)通過在地面布設(shè)探測設(shè)備,對淺地表及深部地下特定區(qū)域進(jìn)行物性探測。這種技術(shù)雖然探測深度受限,且設(shè)備布設(shè)可能受到地形條件的制約,但其操作相對簡便,并在淺層地下空間的探測上展示出優(yōu)良效果。
地面電磁法探測技術(shù):瞬變電磁法、大地電磁法、可控源音頻大地電磁測量法等都是利用電磁場的變化來研究地下電性結(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)報等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 地面電法探測技術(shù):高密度電阻率法、激發(fā)極化法等通過觀測和研究電場的空間分布規(guī)律和時間特性,完成對地下異常體的識別和定位。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。 地面地震法探測技術(shù):反射波法、面波勘探法等利用地震波的傳播原理來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煤層巷道,通過地震多屬性融合技術(shù)清晰地刻畫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:深入內(nèi)部的“偵探”
孔中探測技術(shù)通過利用鉆孔等在孔中布設(shè)探測設(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、更精確的探測數(shù)據(jù)。
孔中電磁法探測技術(shù):鉆孔瞬變電磁法、鉆孔雷達(dá)等都是利用電磁信號在孔中進(jìn)行探測的技術(shù)。這些技術(shù)在金屬礦勘探、煤層采空區(qū)探測等方面取得了顯著成果。 孔中電法探測技術(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、煤層底板采動破壞探測等方面有著廣泛應(yīng)用。 孔中地震法探測技術(shù):孔中地震CT、隨鉆地震探測等利用地震波在孔中的傳播特性進(jìn)行探測。這些技術(shù)為提高地震探測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煤礦采空區(qū),成功識別出富水性采空區(qū),為煤礦安全生產(chǎn)提供了有力支持。
4. 巷道探測:近在咫尺的“守望者”
巷道探測技術(shù)通過利用礦山地下巷道等人工開挖的通道內(nèi)部布設(shè)探測設(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,可提供更精細(xì)化的探測數(shù)據(jù)。
巷道電磁法探測: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:巷道直流電阻率超前探測方法是依靠單點(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等方面有著重要應(yīng)用。 巷道地震法探測: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車某礦區(qū)進(jìn)行直流電法超前探測,成功識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)勢與局限性
每一種探測技術(shù)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢和局限性。航空探測技術(shù)覆蓋范圍廣、探測效率高,但探測深度有限且成本較高;地面探測技術(shù)操作簡便、成本低廉,但探測深度受限且易受地形條件制約;孔中探測技術(shù)能夠深入到較深的地層獲得更精確的探測數(shù)據(jù),但受鉆孔分布限制;巷道探測技術(shù)提供精細(xì)化的探測數(shù)據(jù),但確保探測廢棄地下空間的安全性和穩(wěn)定性是亟需解決的重要問題。
表1總結(jié)了現(xiàn)有地下空間探測技術(shù)在不同維度應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn):

面對礦山地質(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多尺度精細(xì)探測的要求。因此,未來礦山地下空間探測技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)出以下趨勢:
1. “天空地井巷”多空間維度協(xié)同探測

“天空地井巷”多維度協(xié)同探測示意
張良培等提出的空天地一體化對地觀測傳感網(wǎng)理論,以及吳立新團(tuán)隊(duì)研究的露天礦邊坡監(jiān)測“天空地”多平臺、多模式的協(xié)同監(jiān)測方法,都是這一趨勢的生動體現(xiàn)。
2. 地下空間感知探測一體化機(jī)器人

地下空間感知探測一體化機(jī)器人概念
與傳統(tǒng)的探測手段相比,地下空間感知探測一體化機(jī)器人具有更高的安全性、靈活性和探測精度。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)。這對于提高礦山地下空間探測的效率和準(zhǔn)確性具有重要意義。




