采空區(qū)塌陷區(qū)勘察方法的應(yīng)用與探討

曲虎 王治中 蔡文惠

該文就某煤礦的塌陷區(qū)、采空區(qū)的勘察，應(yīng)用了多種勘察方法，并對各種方法進(jìn)行比較，從而提出各種方法的適用性，供同行參考。

塌陷區(qū)；采空區(qū)；勘察；建議

1.前言

某煤礦位于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，已有50多年的開采歷史。由于長期開采地下煤層，在采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)形成了面積超過3km2的大片地面塌陷，嚴(yán)重破壞了地表地質(zhì)環(huán)境。塌陷區(qū)內(nèi)的條帶狀塌陷坑，像貼在烏魯木齊市中心的一塊塊慘不忍睹的“傷疤”，給美麗的烏魯木齊市容抹上了濃重的污垢,危害極大。

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施和城市化進(jìn)程的加快，烏魯木齊市將建成我國西部的重要國際性商貿(mào)大都會。再造烏魯木齊市山川秀美的環(huán)境，樹立新疆在西部大開發(fā)中的光輝形象，十分必要。因此，對該煤礦塌陷區(qū)進(jìn)行勘察，對采空區(qū)進(jìn)行勘察，對環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)治理迫在眉睫，勢在必行。

2.勘察區(qū)范圍

勘察區(qū)范圍在煤礦塌陷區(qū)內(nèi)：北以王家梁陶瓷市場—昆侖路為界，南以烏魯木齊市南湖安居二期工程圍墻——外環(huán)路為界，西以熱力路西100m處消防指揮中心圍墻為界，東以煤礦礦部西側(cè)勘察區(qū)控制線為界。設(shè)計控制研究區(qū)總面積1km2。

采空區(qū)系指地下煤層開采后留下的空體區(qū)。煤層采空后，其上覆巖層應(yīng)力失衡，經(jīng)過由量變到質(zhì)變的過程，最終導(dǎo)致地面變形和地面塌陷，所以塌陷區(qū)與采空區(qū)之間存在著密不可分的必然聯(lián)系。

3.勘察方法

A.資料搜集和采空區(qū)調(diào)查

收集以下資料：礦區(qū)各個不同時期的地形圖和航空照片、礦區(qū)各種不同比例尺的地質(zhì)圖和構(gòu)造圖、礦床分布圖、各個開采水平的井上下對照圖、煤層頂板巖移和地表變形的觀測資料、礦坑巷道及附近地區(qū)的抽、排水情況及其對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響資料。

采空區(qū)調(diào)查工作主要是調(diào)查采空區(qū)和地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀（地表特征、塌陷輪廓、規(guī)模和深度等）及其影響范圍、穩(wěn)定程度、危險性和危害性等，通過訪問了解煤礦的開采歷史、采空區(qū)分布范圍和地面塌陷的發(fā)展變化及其危害情況，并分析地面塌陷形成的地質(zhì)環(huán)境條件、形成原因和影響因素等，調(diào)查中，按照地面塌陷災(zāi)害調(diào)查表的要求內(nèi)容逐項查明，并填寫在調(diào)查表上。

在采空區(qū)調(diào)查中要貫徹運用“三邊一及時”（即邊地面調(diào)查、邊搜集資料、邊分析研究、及時整理資料）的工作方法，對所取得的各種資料及時進(jìn)行整理和綜合分析研究。外業(yè)調(diào)查結(jié)束時應(yīng)編制采空區(qū)地面塌陷現(xiàn)狀圖和地面塌陷趨勢預(yù)測圖等中間過渡性圖件，為最終成果的編制奠定基礎(chǔ)。

B.地球物理勘探

地球物理勘探方法，主要目的是查明煤礦采空區(qū)的分布特征、地面塌陷深度、塌陷帶堆填物厚度和充填物密實程度等。

高密度三極測深。使用高密度測深，重點解決的問題是：查清或基本查清勘察區(qū)內(nèi)采空區(qū)位置、深度、分布范圍及采空塌陷區(qū)內(nèi)的充填情況等。

根據(jù)煤礦采空區(qū)及圍巖區(qū)的一般特征分析、地質(zhì)特征分析和地球物理特征分析，煤礦塌陷區(qū)已具備采用高密度三極測深法的地球物理前提。該區(qū)含煤地層為侏羅系，煤層厚度大，圍巖地層以泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖為主。根據(jù)以往勘察經(jīng)驗，侏羅系砂巖和煤層的電阻率值一般在20~40M之間變化，泥巖層的電阻率值在6~18M之間變化，使用電阻率參數(shù)能有效地將二者區(qū)分開來。在有圍巖的條件下，空體的電阻率值受探測技術(shù)等各種因素的制約而成為有限值（空體電阻率的理論值為無限值），一般而言該值大于煤層電阻率值。因此在煤層確定后，進(jìn)一步分辨出煤層中具有一定幾何規(guī)模的空體成為可能。由此可見，使用直流電阻率參數(shù)進(jìn)行本項勘察工作具備地質(zhì)及地球物理前提。

在本次勘察工作中，使用高密度三極測深法共測制了12條剖面，每條剖面均測到了煤礦采空塌陷區(qū)的存在。其中在南大槽布置的2條順層剖面和9條垂直煤層走向的剖面，共測得南大槽煤礦采空區(qū)異常區(qū)段9處，在南湖路以西4處，南湖路以東5處；在北大槽南湖路以西布置的1條順層剖面和南湖路東西兩側(cè)布置的7條垂直煤層走向剖面，共測得北大槽煤層采空塌陷體6處，在南湖路以西4處，南湖路以東2處。

淺震反射波法。使用淺震反射波法，主要是為了查清煤礦采空區(qū)的邊界位置，了解煤層采空深度及采空塌陷區(qū)內(nèi)的充填情況，同時也是對高密度三極測深法的探測結(jié)果進(jìn)行驗證。

根據(jù)勘察區(qū)的地質(zhì)特征和地球物理特征分析，選用淺層地震反射波法勘察淺層煤礦采空塌陷區(qū)具有較好的物性前提。其理論依據(jù)是第四系松散地層與下伏基巖地層之間以及煤層與圍巖之間存在密度差異，從而使地震波在其中的傳播波速不同，容易形成地震界面（波阻抗界面或波速度界面），在采空區(qū)上或斷裂破碎帶上地震波動力學(xué)特征與上述基巖地層明顯不同，在其同相軸上會發(fā)生位移和時間突變，波速和振幅急劇衰減，出現(xiàn)波形零亂等現(xiàn)象。

在本次勘察工作中運用淺震反射波法共測制了4條垂直煤層走向（或大致垂直煤層走向）的剖面，對了解地下150m深度以上南北大槽的邊界和采空區(qū)、采空塌陷區(qū)位置、充填情況等，取得了較好的效果，同時也對高密度三極測深法的探測結(jié)果進(jìn)行了驗證。

用淺震反射波法在勘察區(qū)內(nèi)測得的各種地質(zhì)體的波速值為：

回填土及第四系松散沉積物750~1000m/s；煤層1200~1800m/s；泥巖、砂巖2200~2300m/s。

這一探測結(jié)果，與烏魯木齊地區(qū)煤系地層的淺震物性參數(shù)是完全吻合的。淺震反射波法在煤礦塌陷區(qū)測得的物性參數(shù)綜合歸納列于表1。

表1烏魯木齊地區(qū)物性參數(shù)統(tǒng)計表

孔內(nèi)波速測試。這種方法是在驗證勘探鉆孔（孔徑要求大于100mm）中使用，主要目的是查明或基本查明采倉內(nèi)塌陷物和充填物的密實程度，并根據(jù)波速的不同確定充填物的密度和填實程度。

本次勘察中，對所有驗證勘探鉆孔均進(jìn)行了孔內(nèi)波速測試，同時還進(jìn)行了密度測井，共取得52對巖層密度參數(shù)和波速參數(shù)，對準(zhǔn)確劃分孔內(nèi)地層剖面和了解采空區(qū)塌陷物及充填物的密實程度，校正孔內(nèi)取芯不足，具有較明顯的效果。

勘察區(qū)內(nèi)通過孔內(nèi)波速測試和密度測井，所測得的本區(qū)地層物性特征歸納如表2所示。

表2勘察區(qū)測井地層物性特征表

由表1和表2可以看出，測井所測得的地層波速較淺震反射波法測得的地層波速略偏大。這是因為兩者所用儀器不同、波源不同和孔內(nèi)存在傳播波的泥漿介質(zhì)（淺震反射波不存在泥漿介質(zhì)）所致。雖然二者所測得的波速有些出入，但用同一種方法測不同地層并進(jìn)行比較，仍然具有明顯的分層價值和現(xiàn)實意義。

C.鉆探驗證

本次勘察工作，布置少量勘探鉆孔，其目的主要是為了驗證塌陷區(qū)地面物探成果的正確性，修正物探成果的解譯誤差，同時可以查清鉆孔揭露深度內(nèi)采空區(qū)的分布情況、塌陷區(qū)充填物的巖性的密實程度等。本次勘察共施工了五個驗證勘探鉆孔，編號依次為XK1、XK2、XK3、ZK4、XK5。這五個驗證鉆孔的布置，均是在地面調(diào)查和地面物探成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

XK1孔。該孔原設(shè)計為順層傾向斜孔，孔深170m，孔斜傾角80埃布置在南湖路西側(cè)南大槽上，施工目的主要是查明或基本查明南大槽塌陷區(qū)充填物的巖性和密實程度，并驗證地面物探解譯成果的準(zhǔn)確性?

XK2孔。該孔設(shè)計為順層傾向斜孔，孔深150~170m，孔斜傾角80埃布置在南湖路西側(cè)北大槽上，施工目的主要是查清或基本查清北大槽塌陷區(qū)充填物的巖性和密實程度，并驗證地面物探解譯成果的準(zhǔn)確性?

XK3孔。該孔設(shè)計為順層傾向斜孔，孔深80~100m，孔斜傾角80埃布置在熱力路西側(cè)南大槽上，施工目的主要是查清或基本查清熱力路附近南大槽塌陷區(qū)充填物的巖性和密實程度，并驗證地面物探解譯成果的準(zhǔn)確性?

ZK4孔。該孔為垂直孔，設(shè)計深度200m，布置在南湖路以東垃圾收費站北側(cè)北大槽煤層頂板上，施工目的主要是了解北大槽煤層頂板巖性、穩(wěn)定程度和第二水平采空區(qū)分布情況及塌陷區(qū)充填物的巖性和密實程度，并驗證地面物探解譯成果的準(zhǔn)確性。

XK5孔。該孔設(shè)計為斜孔，孔深95m，孔斜傾角80埃布置在王家梁陶瓷市場西南角北大槽上，施工目的主要是查清或基本查清北大槽采空塌陷區(qū)充填物巖性和密實程度，并驗證地面物探解譯成果的準(zhǔn)確性?

4.結(jié)論

每種勘察方法各有千秋，具體如下：

資料搜集和采空區(qū)調(diào)查方法：有一定局限性，對了解地面塌陷和回填情況比較直觀，而了解地下情況就只能靠調(diào)查訪問，與實際情況往往會有出入。

高密度三極測深方法：具有方便快捷、信息量大的特點，用于數(shù)據(jù)處理及圖件編制的軟件相當(dāng)完善，并且容易操作。這種方法主要用于了解采空區(qū)的分布特征及塌陷帶堆填物厚度。測試了解的深度小于130m時效果較佳，大于130m時效果較差，而且解譯結(jié)果很難將采空區(qū)與采空回填區(qū)分開來。

實踐證明，在烏魯木齊地區(qū)采用淺震反射波法探測煤礦采空區(qū)塌陷及充填情況是有效的。但其探測深度一般也僅有150m，大于150m時效果不佳，而且即使在150m深度內(nèi)，也很難將第四系松散沉積物與塌陷充填物區(qū)分開。

本次勘察采用的物探方法一是高密度三極測深，二是淺層地震反射波法，三是孔內(nèi)波速測試。實踐初步證明，這三種方法對勘察地下150m深度內(nèi)的煤礦采空區(qū)分布特征、地面塌陷深度、塌陷帶堆填物厚度等，還是比較有效的。

地球物理勘探方法因其所測得的地球物性參數(shù)都是地下各種自然因素綜合作用的結(jié)果，往往具有多解性。因此，單獨采用哪種方法測得的結(jié)果都不能認(rèn)為是完全可靠的，必須采用多種方法相互驗證，有條件時根據(jù)所取得的測試資料進(jìn)行解譯和推斷，建立符合當(dāng)?shù)匾?guī)律的分析模型，才能取得比較理想的效果。即使如此，為了使物探結(jié)果更加可信，還必須布置必要的驗證鉆孔，然后再根據(jù)鉆孔驗證結(jié)果對物探成果加以修正，這樣才能取得更加理想的成效。

鉆探方法對煤礦采空塌陷區(qū)勘察無疑是有效的，但是因鉆探成本較高，投入較大，而且一個鉆孔只能了解一個點，對一般煤礦采空塌陷區(qū)勘察而言，受經(jīng)費制約不可能大量采用。

[1]新疆地質(zhì)礦產(chǎn)局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊.新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊城市地質(zhì)綜合勘察報告（1∶50000）

[2]烏魯木齊礦務(wù)局.煤礦礦井地質(zhì)報告.2002.06

[3]新疆煤田地質(zhì)局156隊.新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊煤層及采空區(qū)地質(zhì)勘查資料.2005.11