采空区探测技术及发展

采空区对采矿安全、交通、水利水电设施、地面建筑等构成严重威胁，目前已经成为我国隐蔽致灾的主要原因之一。我国采空区数量巨大，并且仍在快速地增加，然而矿区的地形、地质条件往往非常复杂，再加上采空区地表变形与地面塌陷影响，使采空区勘查变得十分困难。目前虽然有一些物探方法可用，但应用效果并不理想。

目前探测采空区使用的物探方法主要有反射地震方法和电磁方法，这两种方法都存在一定局限性。反射地震方法基于分层均匀的地质模型[1]，层状地质结构条件下勘探效果好，但对于采空区这样的纵、横向地质条件均剧烈变化的地质体，层状模型不再适用，反射地震方法勘探效果不突出。采用电磁方法（包括CSAMT、瞬变电磁、高密度电法、电导率等方法）勘探，对于含水低阻采空区，其勘探效果较好；若采空区不含水，则采空区表现为高阻，与高阻围岩难以区分，探测效果欠佳。由此可见，上述两种方法都有局限性，有必要发展采空区探测新技术。

地震散射技术是以非均匀地质模型为基础的地震勘探新技术。地震散射分前向散射与背向散射，前向散射研究非均匀地质条件对地震透射波的影响，它是地球深部构造探测的基础；背向散射是研究非均匀地质体的地震散射回波特性，是地震散射勘探技术的基础。对前向散射的研究开始较早，始于上世纪70年代，Aki等（1976）研究天然地震波通过地球深部构造区的走时与衰减特性，建立了利用天然地震波走时反演深部构造的地震方法。在国际地壳与上地幔计划、地球动力学计划和岩石圈计划的推动下，全球范围内掀起了利用天然地震资料研究地球深部构造的热潮。Anderson等（1984）利用地震面波研究了全球上地幔的波速异常。刘福田等（1986）在中国先后完成了华北、南北带、西南等地区的深部构造层析成像。

对地震波背向散射的研究开始较晚，目的是发展工程地震勘探技术。本世纪初，中国工程建设进入高峰期，山区铁路、高速公路项目剧增，传统的地震反射技术不能满足山区复杂地形、地质条件的工程勘察。赵永贵（2006年）在研究地震背向散射的基础上，开发出TST隧道地质超前预报技术[5]和SSP地震散射勘探技术，在全国推广应用。李斌、石大为等（2012年）将SSP技术应用到贵州高速公路隧道选址的采空区的探查中，为高速公路隧道选址提供了重要依据[6]；虞力、王国维等（2013年）将SSP技术应用到浅表层精细结构研究中，为消除浅表层影响提供了有效手段[7]。

采空区最显著的特征是岩体的低波速异常，无论采空区是否含水，低波速的特征都不会改变。针对采空区的低速特征，SSP技术开发了波速成像功能，通过低速区的分布与地质界面形态来综合判定采空区的位置，大大地提高了采空区识别的可靠性。并且该技术适合复杂地形、地质条件，具有勘探深度大、分辨率高、图像直观的优点，可用于采空区与精细地质结构的勘查。

SSP技术用于采空区探测物理依据

采空区内地层错断、煤层终断，这些特征可以作为地震勘探方法判定采空区的线索。但对于构造复杂地区，仅依据界面形态判定采空区是困难的。实际上采空区最明显的地球物理特征是岩体的低速异常，由于‘三带’的影响，采空区岩体垮塌、开裂、变形，形成大范围的低波速异常区。并且无论采空区是否充水，其低波速特点都不会改变，这为寻找采空区提供了重要的线索。SSP通过速度分析技术获得了岩体的二维、三维波速分布图像，根据低速异常的分布，可以准确地圈定采空区范围。另一方面，采空区的边缘波阻抗变化剧烈，散射强度α大，在偏移图像中表现为强烈的散射界面。综上所述，SSP的偏移图像能显现出采空区的边缘轮廓，波速图像能清晰地展现采空区的位置、范围和破坏程度，这就是采空区探测与解释的物理基础。