在这个土地资源日益紧缺的时代，人类不得不将目光投向了地下空间。从古老的矿洞到现代的地下商城、停车场，地下空间正逐渐成为城市发展的新蓝海。然而，要科学、安全地开发和利用这些地下空间，我们首先需要一双能够“透视”地下的眼睛——矿山地下空间探测技术。今天，就让我们跟随中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室王勃教授等专家们，一起揭开矿山地下空间探测技术的神秘面纱。 随着城镇化进程的加速，地面空间变得越来越紧张，而地下空间则像是一个巨大的宝藏，等待着我们去发现和利用。矿山开采过程中形成的地下巷道、井筒等场所，如果能够得到科学的管理和开发，将成为宝贵的地下空间资源。然而，这些地下空间往往隐藏着各种未知的风险，如采空区积水、地质构造不稳定等，给矿区的安全生产带来极大的隐患。 因此，精细探测矿山地下空间的分布情况，成为了地下空间开发利用和消除安全隐患的基础前提。这也是近年来学术界和工程界高度关注的问题。据估算，目前我国各类矿山地下空间总量约为156.87亿立方米，这一庞大的数字背后，是无数亟待开发和利用的宝贵资源。 为了这双“透视眼”，科学家们研发出了多种探测技术，它们从“空（天）-地-井-巷”多视角出发，利用“重-磁-电-震”多种方法，对地下空间进行全方位、多尺度的探测。 航空（天）探测技术利用飞机、直升机、无人机或卫星等设备作为平台，对地面特定区域进行物性探测。这种技术以其广覆盖范围和高空视角的优势，在分析目标区域的地球物理特征时能够探查其地质构造与地下空间分布。一、地下空间的宝贵资源
二、多视角、多方法的探测技术
1. 航空（天）探测：高空中的“千里眼”
航空重力探测技术：地下空间的形成与其上方岩层的持续破碎、膨胀和压实过程密切相关，这些过程会导致地下的堆积物、空洞和裂隙区与周围固体岩石在密度上有显著差异。卫星重力梯度测量技术通过装载在低轨道卫星上的重力梯度仪来测量重力场的二阶导数，重建地球的重力场。这项技术已能够实现1mGal的重力异常测量精度和2cm的大地水准面精度。 航空电磁探测技术：这项技术通过装载在航空器上的磁力仪或发射线圈发出的电磁波来测量地球的磁场或地下介质的电性差异。我国在这一领域已达到国际先进水平，如CHTEM-I型直升机航空电磁测量样机的技术指标就达到了国际领先。 应用实例：2016年，林君院士团队在沁水煤田晋城区块进行了约23平方公里的时域地空电磁勘探工作，成功识别出该区块内的地下采空积水区域。这一成果充分展示了航空探测技术在矿山地下空间探测中的巨大潜力。
2. 地面探测：近距离的“观察员”
地面探测技术通过在地面布设探测设备，对浅地表及深部地下特定区域进行物性探测。这种技术虽然探测深度受限，且设备布设可能受到地形条件的制约，但其操作相对简便，并在浅层地下空间的探测上展示出优良效果。
地面电磁法探测技术：瞬变电磁法、大地电磁法、可控源音频大地电磁测量法等都是利用电磁场的变化来研究地下电性结构的方法。探地雷达则是一种利用射频电磁技术探测地下不同介质电磁性质差异的技术。这些技术在工程勘察、隧道超前预报等领域得到了广泛应用。 地面电法探测技术：高密度电阻率法、激发极化法等通过观测和研究电场的空间分布规律和时间特性，完成对地下异常体的识别和定位。这些技术在矿山地下水文地质勘察、地质灾害预警等方面发挥着重要作用。 地面地震法探测技术：反射波法、面波勘探法等利用地震波的传播原理来推断地下异常分布规律。三维地震勘探技术更是为煤层巷道等地下空间的精细探测提供了有力支持。 应用实例：彭苏萍院士团队应用三维地震方法探测煤层巷道，通过地震多属性融合技术清晰地刻画出巷道边界和延伸范围，为煤矿安全生产提供了重要保障。
3. 孔中探测：深入内部的“侦探”
孔中探测技术通过利用钻孔等在孔中布设探测设备，以分析孔周边的目标异常体。这种技术虽然受钻孔分布的限制，但通常能够深入到较深的地层，获得更大埋深、更精确的探测数据。
孔中电磁法探测技术：钻孔瞬变电磁法、钻孔雷达等都是利用电磁信号在孔中进行探测的技术。这些技术在金属矿勘探、煤层采空区探测等方面取得了显著成果。 孔中电法探测技术：跨孔直流电阻率CT成像方法是一种多方位、近距离探测典型地下结构的井间电阻率层析成像技术。这种技术在溶洞探测、煤层底板采动破坏探测等方面有着广泛应用。 孔中地震法探测技术：孔中地震CT、随钻地震探测等利用地震波在孔中的传播特性进行探测。这些技术为提高地震探测范围和精度提供了新的思路和方法。 应用实例：中煤科工集团西安研究院在山西某煤矿应用钻孔瞬变电磁探测煤矿采空区，成功识别出富水性采空区，为煤矿安全生产提供了有力支持。
4. 巷道探测：近在咫尺的“守望者”
巷道探测技术通过利用矿山地下巷道等人工开挖的通道内部布设探测设备，从而精细探查地层结构及其潜在空间分布。这种技术由于深入矿山地下空间进行近距离探测，可提供更精细化的探测数据。
巷道电磁法探测：全空间巷道瞬变电磁法将地面瞬变电磁技术引入煤矿巷道，为矿井瞬变电磁相关理论发展提供了有力支持。 巷道电法探测：巷道直流电阻率超前探测方法是依靠单点电源的球壳理论推断掘进面前方是否存在地质异常体。这种技术在矿井水害超前探测等方面有着重要应用。 巷道地震法探测：全空间地震勘探假设地下介质在三维空间内均质或非均质分布，适用于深层或复杂地质条件下的勘探。这种技术在煤矿采空区及巷道探测等方面取得了显著成果。 应用实例：中煤科工集团西安研究院在新疆库车某矿区进行直流电法超前探测，成功识别出斜交老窑巷道积水区，有效避免了灾害性透水事故的发生。
三、现有技术的优势与局限性
每一种探测技术都有其独特的优势和局限性。航空探测技术覆盖范围广、探测效率高，但探测深度有限且成本较高；地面探测技术操作简便、成本低廉，但探测深度受限且易受地形条件制约；孔中探测技术能够深入到较深的地层获得更精确的探测数据，但受钻孔分布限制；巷道探测技术提供精细化的探测数据，但确保探测废弃地下空间的安全性和稳定性是亟需解决的重要问题。
表1总结了现有地下空间探测技术在不同维度应用的优缺点：
面对矿山地质环境的复杂性和构造形态的多样性，单一维度的物探手段往往难以满足矿山地下空间探测多尺度精细探测的要求。因此，未来矿山地下空间探测技术的发展将呈现出以下趋势：
1. “天空地井巷”多空间维度协同探测
“天空地井巷”多维度协同探测示意
张良培等提出的空天地一体化对地观测传感网理论，以及吴立新团队研究的露天矿边坡监测“天空地”多平台、多模式的协同监测方法，都是这一趋势的生动体现。
2. 地下空间感知探测一体化机器人
地下空间感知探测一体化机器人概念
与传统的探测手段相比，地下空间感知探测一体化机器人具有更高的安全性、灵活性和探测精度。它能够在复杂的地下环境中自主运行，穿越狭小空间，获取传统手段难以触及的区域数据。这对于提高矿山地下空间探测的效率和准确性具有重要意义。