簡介
所屬學科：煤炭科技（一級學科）；煤礦開採（二級學科）；採煤方法（三級學科）
採空區是由人為挖掘或者天然地質運動在地表下面產生的“空洞”，採空區的存在使得礦山的安全生產面臨很大的安全問題，人員與機械設備都可能掉入採空區內部受到傷害。
由於地下採空區具有隱伏性強、空間分布特徵規律性差、採空區頂板冒落塌陷情況難以預測等特點，因此，如何對地下採空區的分布範圍、空間形態特徵和採空區的冒落狀況等進行量化評判，一直是困擾工程技術人員進行採空區潛在危害性評價及合理確定採空區處治對策的關鍵技術難題。
目前，地下空區已經成為制約礦山發展的一個重要難題，隨著礦山向深部開採，地壓增大，地下空區在強大的地壓下，容易發生坍塌事故，尤其對地下轉露天開採的礦山影響很大；地下開採殘留大量的采場、硐室、巷道沒有進行及時處理，對露天開採帶來了嚴重的隱患，同時給礦山工作人員和設備帶來嚴重的威脅。
事出有因
採空區採空區塌陷是因礦體(層)采空、覆岩破壞引起的。埋藏於地下的各種大小礦體被采動、掘空後，礦體上部覆岩的力學平衡就會被打破。在重力和應力作用下，便產生裂隙和斷移，地下水乘虛而入，通過裂隙向採空區滲漏，這又加速了覆岩的破壞，引起岩層和地表移動，最終形成了采空塌陷區。
塌陷區不僅會導致地下水枯竭，耕地破壞，生態環境惡化，還會使當地房屋受損，道路地裂變形，高速公路、鐵路、機場等重大工程以及城市建築因處理採空區塌陷而增加建設難度和費用。此外，地表裂縫會為地下自然煤層提供充足氧氣，地下煤火會使採空區頂板承壓減弱，冒落加劇，地裂縫加寬、加長，最終形成“地裂—火區—地表裂陷”的惡性循環。
危害程度
採空區自20世紀末以來，中國礦業開採秩序較為混亂，非法無序的亂采濫挖在一些礦山及其周邊留下了大量的採空區，這是影響目前礦山安全生產的主要危害源之一。如河南欒川鉬礦、廣西大廠礦區、甘肅廠壩鉛鋅礦、銅陵獅子山銅礦、雲南蘭坪鉛鋅礦、廣東大寶山礦、湖南柿竹園礦等許多礦山都存在大量的採空區，致使礦山開採條件惡化，引起礦柱變形。
相鄰作業區采場和巷道維護困難、井下大面積冒落、岩移及地表塌陷等，更為嚴重的是空區突然垮塌的高速氣流和衝擊波造成的人員傷亡和設備破壞，這些都給礦山安全生產構成嚴重威脅，並造成環境惡化、礦產資源嚴重浪費。解決上述問題的前提條件就是要科學地探查井下空區的即時狀態和空間形狀，為空區安全治理和資源回採提供準確的設計依據。
例如，綦江縣位於四川盆地與雲貴高原東南結合部，屬喀斯特地貌，地勢南高北低，以山地、丘陵為主。綦江作為重慶市能源基地，擁有豐富的煤炭、鐵礦等資源，煤炭資源主要分布在石壕、打通、安穩、趕水等南部鎮，鐵礦主要分布在縣境北部的篆塘、新盛，南部的大羅、土台、麻柳灘、白石潭等地，自20世紀末以來，經過非法無序的亂采濫挖以及合法有序的正規開採，在一些礦山及其周邊留下了大量的採空區，由其是伴隨著近年來煤炭開採量和開採範圍的擴大，塌陷治理問題日益突出。目前，這些地下空區給礦山工作人員以及在採空區居住的老百姓帶來嚴重的威脅，同時由於采空引起的廠地矛盾嚴峻，甚至導致群體性事件發生，造成的破壞作用與負面影響均較大，嚴重影響了一個地區的穩定與和諧，因此，對採空區民眾的安置已成為一個迫在眉睫的事。
再例如，山西素有煤海之稱，是全國煤炭產量最大的省份，采空塌陷災害也最嚴重。十多年前大同曾因大面積採空區塌陷造成3．8級地震，8人死亡；1997年，大同發生採空區塌陷37起，9人喪生。在孝義市兌鎮見識過一個因採空區塌陷整體搬遷的小山村。該村1700畝土地，采空塌陷即達1000多畝，全村200多戶分4次遷出。占地1．4萬平方米的舊村一片瓦礫，不少窯洞已陷入地底。村頭一棵3人合抱的唐槐雖已死亡卻依然挺立，根部一穴深不見底的黑洞冷風颼颼，似乎在吟詠著一首沉痛的輓歌。旁邊的打麥場原為一片平地，後來塌成梯田般的3塊，最大高差8米。
為防塌陷，村民搬遷房大多為6面混凝土澆築，但仍有140多間又出現裂縫。登上山頂，只見有數萬畝麥田的山樑竟像一塊切開的蛋糕，縱橫數百米長的裂縫寬達半米以上且深不見底，地面七高八低，支離破碎。村民指著一塊看上去還算不錯的麥田說：這些地將來都要塌，因為底下的“丈八煤”還沒采呢。該村可種的僅有600畝旱地，人均5分。孝義盛產核桃，該村原有1900餘株核桃樹，豐年可產2萬公斤桃仁，後因樹木大批死亡而基本絕收。20多年內，該村雖然獲得礦區賠付款500餘萬元，但僅限於搬遷安置，距採空區徹底治理所需相差甚遠。
據國土資源廳調查，山西省因採煤造成地表塌陷1842處，地表破壞面積4．7萬公頃，其中耕地破壞面積1．8萬公頃。上述兌鎮所見不過是山西省採空區的一個縮影。據有關專家透露，採空區治理是世界性難題，目前中國較重視塌陷土地復墾，對老礦區大面積的采空陷阱防治尚在探索階段。當務之急是應將採空區治理納入煤炭生產成本，解決治理資金來源問題，而不應等到煤采完了才為採空區的治理資金著急。
山西省大致有6大煤田，尚未大規模開採的僅餘河東煤田。隨著近年中小煤礦改造升級以及大型煤礦的上馬，河東煤田的大規模開發也迫在眉睫。河東煤田的特點是煤質好、儲量大，但埋藏較深且緊鄰黃河。如不能在大規模開發前未雨綢繆，做好採空區治理規劃，不僅地表會遭嚴重破壞，而且有可能使中華民族的母親河黃河水質污染甚至滲漏斷流，形成災難性的生態後果。[2]
至2013年7月，山西因採煤形成的採空區達到2萬平方公里，相當于山西1/8的國土面積，全省3500多萬人中，300萬人受災。
探測方法
重力勘探方法
採空區電磁方法
1、高密度電阻率層析成像法
在現場測量時，將全部電極設定在一定間隔的測線上，然後用多芯電纜將其連線到程控式多路電極轉換器上，使電極布設一次完成。為了準確、快速地採集大量數據，測量時通過程式控制實現電極排列方式、極距和測點的快速轉換。並利用與系統配套的電法處理軟體，對採集的數據進行各種處理，結果進行圖示，使解釋工作更加方便、直觀。利用某電廠採空區和電阻率層析成像測量的結果，探討了電阻率層析成像測量在煤礦採空區和斜風井巷道中的套用，結果表明，電阻率層析成像二維測量方法在煤礦採空區和斜風井巷道的探測和定位是準確和可行的；煤礦採空區和斜風井巷道內若沒有水體存在，電阻率層析成像二維測量成果圖中一般都是高阻異常封閉圈， 如有水體存在則表現為低阻異常封閉圈。
2、瞬變電磁法
瞬變電磁法是向地下傳送一次脈衝磁場的間歇期間，觀測由地下地質體受激引起的渦流產生的隨時間變化的感應二次場，二次場的大小與地下地質體的電性有關，低阻地質體感應二次場衰減速度較慢，二次場電壓較大；高阻地質體感應二次場衰減速度較快，二次場電壓較小。根據二次場衰減曲線的特徵，就可以判斷地下地質體的電性、性質、規模和產狀等，由於瞬變電磁儀接收的信號是二次渦流場的電動勢，對二次電位進行歸一化處理後，根據歸一化二次電位值的變化，間接解決如陷落柱、採空區、斷層等地質問題。該方法具有分辨能力強、工作效率高、受地形影響小、能穿透高阻覆蓋層等優勢，迅速發展成為高效、快捷的物探方法。將瞬變電磁法套用於某採空區探測，效果良好，不僅推斷出地下採空區的範圍，而且判斷了採空區的積水情況。
3、甚低頻電磁法
甚低頻電磁法一般用頻率為15～25kHz電台發射的電磁波作為場源。當電磁波在傳播過程中遇到地質體時,使其極化而產生二次電流，從而引起感應二次場，一般情況下二次場和一次場合成後的總場與一次場的振幅方向、相位均不相同,即引起了一次場的畸變。使用專門的儀器通過測量某些參數的畸變，可發現採空區的存在。甚低頻電磁法工作方法通常又分傾角法和波阻抗法兩種，在探測高阻體時，一般選用波阻抗法進行甚低頻電磁法測量，測線方向儘量與發射台方向一致或與該方向夾角最小。
4、探地雷達
探地雷達是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈衝，從地面通過天線T送入地下，經反射體反射後返回地面，通過天線R接收。在介質中傳播時，其電磁波強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態而變化。所以，根據接收到波的雙程走時、幅度與波形資料，可推斷介質的結構。探地雷達適用於探測深度較淺的目標體，由於可以更換不同頻率的天線，適用面較廣，且探測解析度高，在工程中的套用已經得到認同。探地雷達數據可採用專用軟體進行處理，著重進行振幅恢復、濾波、F-K濾波、反褶積處理,獲得信噪比較高的時間剖面,提高了有用信號的識別，雷達時間剖面比較真實全面地反映了地下介質的變化情況，保證了資料質量，並利用地下介質的電性差異來進行分層及查明地下異常地質體。該方法具有快捷、精確的特點,尤其是對地下採空區、人防工程洞室、地下溶洞等的探測更具有優越性。
煤礦採空區用波紋管涵5、MT、AMT、HMT和CSAMT法
大地電磁法（MT）、音頻大地電磁法（AMT）和高頻大地電磁法（HMT）本質上都屬於採集天然場信號的被動源頻率域電磁方法，差別在於採集信號的頻率不同，相應的探測深度和解析度不同。高頻大地電磁法（HMT）採集的信號頻率較高，最高可達100KHz，研究的深度較淺，從地下的十幾米至上千米。這個深度範圍內恰是人類礦山開採、地下工程建設、地下水資源開發等生產活動最活躍的深度。因此，高頻大地電磁法在短短的十多年來無論在理論研究，還是儀器實現方面都獲得了極大的發展，已成為中深度採空區探測的主要方法。該方法不需要人工場源，成本低廉，具有較大的勘探深度，不受高阻層禁止的影響，對低阻層有較高的分辨能力。
可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是利用兩端接地的有限長導線作為發射源，使用人工源激發交變電磁場，在地表觀測電磁回響並計算波阻抗以及視電阻率進行勘探的一種方法。由於可控源電磁法具有高分率的特點，能夠在電性上地質異常，成為採空區探測的方法之一。該方法的最大的特點是採用人工場源，大大增加了電磁信號的強度，彌補了天然場源信號微弱，不易觀測等缺點。但是該方法由於場源的存在，也有著其固有的不足，如場源附加效應，近區效應，場源陰影效應，過渡帶效應及設備笨重等，在一定程度上影響了該方法的套用。
地震勘探
地震勘探是利用地層和岩石的彈性差異來探測地質構造、尋找有用礦產資源的重要地球物理勘測方法。波在傳播過程中,當遇到彈性分界面將產生反射、折射和透射，接受其中不同的波，就構成了不同的地震勘探方法。在採空區探測中,地震方法也得到廣泛的套用。
1、淺層地震反射波法
地震反射波法是利用人工激發的地震波在地層的傳播過程中，在波阻抗界面上產生的反射信號進行分析，用以推斷界面深度、構造形態及其物性參數。在煤層採空區引起的上覆岩層破壞對地震波有很強的吸收頻散衰減作用，使反射波頻率降低，破碎圍岩及裂隙對地震波衰減還表現為反射波波形變得不規則、紊亂甚至產生畸變，採空區下方則由於岩層相對完整而變化不明顯，是在地震時間剖面上識別煤層採空區的另一個重要標誌。即煤層采空及其頂板遭受破壞後,在地震時間剖面上反射波組的中斷或消失，同時煤層頂部結構的不規則破壞，也將產生各種低頻干擾。
2、瑞雷波法
常規物探方法在對“房-柱”式開採造成的面較小、埋深較淺的採空區進行探測時存在漏報或誤報的情況。而瑞雷波法在採空區探測中更具實用性和有效性。瑞雷波是一種沿著自由界面傳播的面波,如地層與空氣、水之間形成的界面。瑞雷波在層狀介質中傳播時，相速度隨頻率變化而變化，有明顯的頻散特性，頻散特性與地層瑞雷波相速度及空間分布有惟一的對應關係，瑞雷波與橫波、縱波相比能量強、波速較小，容易分辨且解析度高，重複性好，瑞雷波相速度與層內的橫波速度有著明顯的相關性,當地層的泊松比較大時，瑞雷波的相速度與橫波速度相差小於5%，瑞雷波的穿透深度與激發波長有關，其穿透深度為一個波長，激發的頻率越低，勘探深度越大。當採空區未發生塌陷時，瑞雷波傳播到這些位置時將突然消失或散射，頻散曲線在採空區頂板處表現為“之”字形拐點，而且速度迅速下降，從而可以在縱向上確定未塌採空區的範圍，當採空區發生塌陷後，引起煤層上部地層結構疏鬆，瑞雷波速度降低，在頻散曲線上，受影響地段瑞雷波速度顯著降低，據此可以在橫向上確定出塌陷區的範圍，在縱向上確定出塌陷影響範圍。
3、鑽孔彈性波CT
用煤矸石破碎充填技術 矸石不出井回填採空區放射性測量
自然界中存在的天然放射性同位素廣泛存在於岩石、土壤和水體中,不同岩性和不同類型的土壤放射性元素含量不同。在採空區探測中常用的放射性方法是氡氣測量。由於該方法測試場地的適應性較強，而且不受地電、地磁影響，探測深度較大，在採空區探測中有良好的套用效果。氡是天然放射性鈾系氣體元素，直接母體是鐳，鈾又是鐳的母體,母體元素的含量水平在一定程度上決定了岩石、土壤中氡濃度的高低。由於團族遷移、接力傳遞、擴散、對流、抽吸等作用，其表現出很強的遷移作用，容易從深部向上擴散並進入土壤中。因此，在鈾鐳富集地段、地質構造破碎帶上方、採空區上方都可形成氡的富集，而在其附近地段氡含量明顯減少。這是尋找鈾礦體、構造破碎帶、採空區、陷落柱及地下水資源等的重要依據。山西煤田水文地質隊多次將氡氣測量法套用於地下採空區的探測，為了查明山西萬家寨引黃工程北幹線1號隧洞附近煤礦採空區及對引水隧洞的影響，對採空區進行綜合地質勘查時使用了氡氣測量法，收到了很好的套用效果。
發展趨勢
隨著科學技術的發展和計算機技術的套用，許多新方法、新技術不斷地被引入物探領域，為地球物理方法的進一步發展開闢了廣闊的前景。由於地球物理方法是以觀測各種地球物理場的變化規律為基礎的，因此，當套用物探方法來解決各種地質問題時，它必須具有一定的地質及地球物理條件，才能取得滿意的效果。這在採空區探測中也不例外。這些條件主要是:
①探測對象與周圍介質之間有比較明顯的物性差異；②探測對象必須具有一定的規模(即其大小相對於埋藏深度必須有相應的規模)，能產生在地面上可觀測的地球物理異常場；③各種干擾因素產生的干擾場相對於有效異常場必須足夠小，或具有不同的特徵，以便能進行異常的識別。這些條件也就是物探工作能取得良好效果的前提。④在物探資料的解釋中還存在多解性的問題，即對於同一異常場有時可得出不同的地質解釋。這種情況往往是由於複雜的地質條件和地球物理場理論自身的局限性造成的。為了克服這種多解性的影響，應儘可能地利用多種物探方法的成果，尤其是已知的地質資料，進行綜合分析解釋，以便得到確切的地質結果。
隨著勘探工作的不斷深入，人們要求的勘探的精度不斷提高，待解決問題的複雜性和難度加大，單一物探方法已不能滿足新形勢的要求，雖然有的方法優點明顯，但是單一方法往往對地質異常體很難定性，因此綜合物探方法得到了廣泛套用。綜合物探方法根據地質體的密度、電性、彈性等多種物性對採空區進行探測，套用各種方法相互印證，使異常的確定更加準確、可靠。
研究現狀
採空區礦產作為一種重要的資源，其開採形成的采空由於歷史的原因，大多未進行有效地治理，而處於廢棄狀態，有的採空區出現了大面積的地面沉陷，有的采空出現了地面裂隙，有的尚未出現明顯的反映，采空作為人類活動產生的潛在地質災害之一，給礦山的安全生產、工程建設和人民的生命財產造成了嚴重的威脅。
要對採空區治理，對採空區的地理位置、埋深、現狀情況進行了解是關鍵，只有對採空區的空間分布狀態有了充分的了解，治理才能有的放矢。因此,為減輕和預防由地下採空區所引發的地質災害,建立地質災害預警系統,探索用綜合物探方法探測採空區的分布，為評價和治理提供依據是十分迫切和有意義的。目前,採空區的探測已經成為一項重要的研究課題,但是仍處於發展階段。
採空區的探測，目前，國內外主要是以採礦情況調查、工程鑽探、地球物理勘探為主，輔以變形觀測、水文試驗等。其中，美國等西方已開發國家以物探方法為主，而中國目前以鑽探為主，物探為輔。在美國，採空區等地下空洞探測技術全面，電法、電磁法、微重力法、地震法等都有很高的水平。其中，高密度電阻率法、高解析度地震勘探技術尤為突出，且近年來在地震CT技術方面也發展迅速。
日本的工程物探技術在國外同行業中處於領先地位，套用最廣泛的是地震波法，此外，電法、電磁法及地球物理測井等方法也套用得比較多，特別是日本VIC公司80年代開發研製的“GR-810”型佐藤式全自動地下勘察機，在採空區、岩溶等空洞探測中效果良好，且後續推出的一系列產品都處於國際領先水平。歐洲等國家工程物探技術也較全面，在採空區的探測上，俄羅斯多採用電法、瞬變電磁法、地震反射波法、井間電磁波透射、射氣測量技術等，英、法等國家以地質雷達方法套用較好，微重力法、淺層地震法也有使用。
國內近年來在利用地球物理勘探技術查明地下採空區方面作了大量的工作，採空區的探測成了工程地球物理的熱點和難點問題，引起了地球物理學者的廣泛關注，投入了各種各樣的方法和技術。在各種物探方法中,根據其所研究地球物理場的不同,通常可分為以下幾大類：①以地下介質密度差異為基礎,研究重力場變化的方法稱為重力勘探；②以介質磁性差異為基礎，研究地磁場變化規律的方法稱為磁法勘探；③以介質電性差異為基礎，研究天然或人工電場(或電磁場)的變化規律的方法稱為電法勘探(或電磁法勘探)；④以介質彈性差異為基礎，研究波場變化規律的方法稱為地震勘探；⑤以介質放射性差異為基礎，研究輻射場變化特徵的方法稱為放射性勘探；⑥以地下熱能分布和介質導熱性為基礎，研究地溫場變化的方法稱為地熱測量等。
目前世界上先進的採空區整體解決方案是利用高密度電法等地球物理方法探測到採空區的大概位置，再使用C-ALS等雷射掃描設備對採空區進行數位化和可視化，達到科學探測採空區的目的。
應對
多年的開採，已經使冷水江市錫礦山這一帶3平方公里範圍內分布著大面積地下採空區。1、應出台相關制度，建立關於煤礦採空區引發公路災害評價辦法及綜合補償機制。
2、將採空區引發公路災害，納入國家或省政府對因採空區地質病害處理範疇，通盤考慮。
3、構建“災前預防、災後治理”的防治體系，煤炭企業主動編制採空區治理計畫，及時採取可行的措施進行治理，防止發生大面積山體塌陷，造成更大經濟損失。
4、相關部門在編制採空區治理部驟，合理避讓村莊、鄉鎮、處，大量開採，如確需開採，可採用邊開採邊治理方案。
5、在採空區內的工程建設項目，應當在可行性研究階段進行塌陷災害評估，對容易造成嚴重塌陷災害的項目予以禁止。
6、建立煤礦采空地質檔案，制定採空區治理標準和監督條例，形成煤炭採空區危害評估和預警機制，出台采空塌陷災害賠償，安置，動遷實施條例，逐步實施條例，構建“政府主導，預防為主，引發者賠償，社會話治理”的採空區塌陷災害防治模式。
生活中的自然現象
| 人的意識也是以自然方式發生的物質世界。人和人的意識是自然界發展的最高產物。物質世界具有系統性、複雜性和無窮多樣性。它既包括人類已知的、也包括人類未知的物質世界。讓我們一起走進自然吧~~ |
