老采空區(qū)勘查技術(shù)方法研究

吳 彬，李遠(yuǎn)強(qiáng)，張國華

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

0 序言

由于各種礦產(chǎn)資源的開采，在地下形成了采空區(qū)。特別是各種小煤窯的濫開濫采，導(dǎo)致許多隱性采空區(qū)的存在，給人們的生產(chǎn)生活帶來極大的影響，甚至危及到人身安全[1]。老采空區(qū)多數(shù)缺乏開采的詳細(xì)資料，多數(shù)開采方式是個(gè)人或村集體開采，開采深度較淺，沒有詳細(xì)的開采規(guī)劃，在空間上確定開采區(qū)域和面積比較困難。在老采空區(qū)上進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)，是需要詳細(xì)確定采空區(qū)的位置、深度、厚度和影響范圍等信息，需要對(duì)老采空區(qū)開展詳細(xì)的勘查工作才能實(shí)現(xiàn)。目前沒有單一的勘查方法與技術(shù)手段可以直接確定采空區(qū)的分布，只能通過地面調(diào)查、地球物理勘探、鉆探等多種技術(shù)手段綜合對(duì)比分析推斷采空區(qū)的各項(xiàng)特征。

本文通過對(duì)淺層老窯煤礦采空區(qū)實(shí)施的綜合詳細(xì)勘查工作進(jìn)行了總結(jié)與研究分析。主要總結(jié)分析了地面調(diào)查、地球物理勘探、鉆探等技術(shù)方法的實(shí)施要點(diǎn)和各類方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并通過多種技術(shù)方法的對(duì)比驗(yàn)證，推斷出采空區(qū)的位置與深度。對(duì)采空區(qū)上方的覆巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與計(jì)算，得到推斷的采空塌陷三帶影響區(qū)域。最后將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際調(diào)查得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，在空間位置上得到了非常好的驗(yàn)證。

1 采空塌陷災(zāi)害地質(zhì)背景

勘查區(qū)位于北京市門頭溝區(qū)秋坡村，區(qū)內(nèi)地層主要為奧陶系馬家溝組、石炭系太原組、石炭系—二疊系山西組、二疊系石盒子組地層，地表有薄層第四系覆蓋。

含煤地層主要為石炭系太原組和石炭系—二疊系山西組。自上而下共含4層煤，其中石炭系太原組含2層煤，平行不整合覆蓋于馬家溝組之上，頂板主要以灰色、深灰色細(xì)砂巖、粉砂巖和頁巖。石炭系—二疊系山西組含2層煤，整合覆蓋于太原組之上，其下部主要為微-中風(fēng)化灰色、深灰色細(xì)砂巖、粉砂巖、含礫砂巖和礫巖，夾煤線；上部為灰色、灰綠色厚層狀砂巖與薄層狀粉砂巖互層，長石石英砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖。該地區(qū)煤層埋藏較淺，地表可見出露。

該地區(qū)煤礦開采歷史已有百年，多為個(gè)人或村集體開采，開采深度約在100m以內(nèi)。由于受季節(jié)降水影響，很多窯口開采周期僅為1年，礦井充水后就又另起窯口。地表調(diào)查可見多處坍塌窯口，同時(shí)地表可見多處條帶型塌坑和平行的地裂縫。由于無歷史開采資料和礦產(chǎn)勘查資料，對(duì)于以往開采情況無從了解，需要開展詳細(xì)的地質(zhì)勘查工作才能確定采空區(qū)的范圍與分布[2]。

2 圈定開采區(qū)的勘查技術(shù)方法

勘查區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)地質(zhì)資料較少，地質(zhì)情況較為復(fù)雜，勘查工作需要從多個(gè)方面入手，采用地面調(diào)查、地球物理勘探和鉆探等多種技術(shù)手段來推斷采空區(qū)的深度、厚度和分布范圍。3項(xiàng)工作都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，相互對(duì)比驗(yàn)證各項(xiàng)成果推斷出的采空區(qū)特征才能更可信(圖1)。

勘查方法的布置原則：①地面調(diào)查：大比例尺（1：2000）采空區(qū)地面調(diào)查宜采用最大10m×10m網(wǎng)格進(jìn)行控制調(diào)查，對(duì)發(fā)現(xiàn)的塌陷帶和地裂縫采取追索式測量定位，對(duì)可見窯口測量定位，并確定巷道方向。②物探工作：根據(jù)擬建工程分布密度，網(wǎng)狀布設(shè)測線，測線間距不應(yīng)超過擬建工程間距。如沒有規(guī)劃建筑，則以探測目標(biāo)體規(guī)模確定，以采空區(qū)大致深度和范圍控制，高密度電法和瞬變電磁測線間距約20～80m，分別控制50m以淺和150m以淺的采空區(qū)。探地雷達(dá)主要針對(duì)20m以淺的采空區(qū)進(jìn)行探測，測線可加密，特別是地裂縫和塌陷帶發(fā)育區(qū)，可追索布設(shè)。③鉆探工作：盡量根據(jù)擬建工程分布位置布設(shè)。如沒有規(guī)劃建筑，則配合勘探線布設(shè)，間距約50～100m，鉆孔深度達(dá)到灰?guī)r層為止。

圖1 勘查工作布置圖

2.1 地質(zhì)調(diào)查

對(duì)勘查區(qū)開展的地質(zhì)調(diào)查工作從多方面進(jìn)行，主要內(nèi)容有：①收集工作區(qū)內(nèi)相關(guān)各類已有的地質(zhì)資料和勘查成果，包括地形地貌、氣象水文、區(qū)域地質(zhì)、礦山勘探及開采、地質(zhì)災(zāi)害勘查、地球物理探測資料和地下工程施工資料，并對(duì)這些資料進(jìn)行分類整理。②野外調(diào)查勘查區(qū)內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境條件，地球物理勘探和鉆探工作現(xiàn)場施工條件。③調(diào)查勘查區(qū)內(nèi)采空塌陷地表的詳細(xì)特征，主要有開采窯口、塌陷坑、地裂縫和地面沉降等發(fā)生的位置、區(qū)域和延伸方向。

地質(zhì)調(diào)查工作的目的在于詳細(xì)了解勘查區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境背景和災(zāi)害地表的發(fā)育特征，繪制基礎(chǔ)的地質(zhì)礦產(chǎn)圖和塌陷災(zāi)害特征現(xiàn)狀圖，對(duì)調(diào)查到的地裂縫位置與延伸方向、窯口位置與延伸方向、塌陷坑的分布區(qū)域等進(jìn)行準(zhǔn)確定位。同時(shí)詳細(xì)了解地形地貌和人類活動(dòng)情況，指導(dǎo)地球物理勘探和鉆探現(xiàn)場工作部署。

地質(zhì)調(diào)查是采空塌陷勘查工作的必要條件之一，其成果直觀，可信，標(biāo)注的位置準(zhǔn)確，同時(shí)可以為地球物理勘探結(jié)果的解譯提供判斷依據(jù)，也是勘查區(qū)內(nèi)礦層劃分的重要手段。地面調(diào)查結(jié)果基本可以圈定有可能存在采空區(qū)的區(qū)域。如果礦產(chǎn)勘查資料和礦產(chǎn)開采資料齊備，可通過地質(zhì)調(diào)查基本確定采空區(qū)邊界、深度與厚度，可作為圈定采空區(qū)的主要勘查方法，地球物理勘探和鉆探可作為輔助性工作少量部署，用以驗(yàn)證推斷結(jié)果。

在缺乏礦產(chǎn)勘查資料和礦產(chǎn)開采資料的情況下，地質(zhì)調(diào)查雖然重要，但不能準(zhǔn)確圈定采空區(qū)邊界和深度，只能大致圈定采空區(qū)可能分布的范圍。不能將地質(zhì)調(diào)查的成果作為圈定采空區(qū)分布范圍的充分條件。

2.2 地球物理探測

（1）地球物理勘探方法的選擇

地球物理勘探工作采用多種方法開展了探測試驗(yàn)工作，對(duì)方法的應(yīng)用條件和效果進(jìn)行了總結(jié)，見表1。通過試驗(yàn)效果比選，針對(duì)勘查區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件和目標(biāo)體探測深度，選用了高密度電法、瞬變電磁和地質(zhì)雷達(dá)3種方法進(jìn)行探測。

（2）地球物理勘探結(jié)果解譯

首先在勘查區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)鉆孔，根據(jù)鉆孔電阻率測試情況，區(qū)域內(nèi)粘土與煤炭礦層電阻率值小于5Ω，表現(xiàn)為低阻異常，其礦層頂板中的砂巖電阻率值較高，但因富水情況復(fù)雜，變化較大。開采層電性特征表現(xiàn)為上方和左右電性層突變，根據(jù)鉆孔對(duì)比分析，采空電阻率范圍視充填物含水情況分別為3～20Ω·m及60～80Ω·m。

①高密度電法：高密度電法對(duì)60m以淺低阻電性層反應(yīng)明顯，對(duì)異常區(qū)的頂部深度與水平方向邊界反應(yīng)明顯，如圖2。

表1 地球物理勘探方法試驗(yàn)效果統(tǒng)計(jì)表

圖2 高密度電阻率異常剖面圖

②地質(zhì)雷達(dá)：地質(zhì)雷達(dá)探測深度較淺，但精度較高，對(duì)淺部采空塌陷情況反應(yīng)明顯，其塌陷區(qū)域形成明顯的V字形塌陷漏斗，如圖3。淺部地區(qū)地質(zhì)雷達(dá)與高密度電法異常位置相似特征見圖4。相同深度，高密度電阻率表現(xiàn)為低阻異常區(qū)，地質(zhì)雷達(dá)異常為波形多次強(qiáng)放射。

③瞬變電磁：瞬變電磁探測深度最大，可達(dá)到200m，對(duì)于斷裂及深部礦層的分布區(qū)域性判斷較為明顯，見圖5。由圖像可見：測線淺部視電阻率較高，為淺表松散堆積物的反映，中部的低阻區(qū)域?yàn)槊簬r、青灰、碳質(zhì)粘土的分布區(qū)域，底部的高阻區(qū)域?yàn)橥暾麕r體的反映。

地球物理勘探技術(shù)的優(yōu)勢在于從勘查區(qū)的地球物理場中尋找異常區(qū)域，通過互相對(duì)比分析推斷采空區(qū)的分布位置與深度，對(duì)于圈定采空區(qū)地下開采邊界的位置起到重要作用，其它方法不可替代。地球物理勘探的缺點(diǎn)，在于其成果是從側(cè)面反映探測目標(biāo)體的空間分布，并不是直視目標(biāo)體，由于地下水和巖層之間的復(fù)雜關(guān)系，其探測成果往往存在多解性，因此，該技術(shù)方法是勘探工作的必要手段，但并不是圈定采空區(qū)的充分條件。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)解譯圖

圖4 地質(zhì)雷達(dá)與高密度電法異常對(duì)比

圖5 瞬變電磁解譯圖

2.3 鉆探

在地質(zhì)調(diào)查和地球物理勘探成果的基礎(chǔ)上，布置一定的鉆探工作，可對(duì)地質(zhì)調(diào)查的推斷和地球物理勘探的解譯起到驗(yàn)證作用。

鉆探可直接查明某一點(diǎn)位地層結(jié)構(gòu)與巖性特征、巖石破碎程度、巖土體工程地質(zhì)特征、是否存在采空區(qū)及確定礦層或開采層的厚度等，同時(shí)測孔工作可提供地球物理勘探所需的巖層電性參數(shù)，見圖6。

鉆探工作的優(yōu)勢非常突出，是勘查方法的必要條件，是采空區(qū)勘查工作必不可少的工作內(nèi)容，對(duì)于揭示采空區(qū)底板的位置非常重要，可直接區(qū)分某一點(diǎn)位的巖層垂向分層，如果礦層開采后未進(jìn)行放頂，則鉆探成果發(fā)現(xiàn)的空層厚度可經(jīng)過角度計(jì)算得出開采厚度。同時(shí)鉆探可直接獲取采空塌陷區(qū)巖體破壞情況，通過多方面測井工作，可獲悉采空塌陷區(qū)的水文情況，為電法勘探提供直接的參考數(shù)據(jù)。鉆探工作缺點(diǎn)也比較明顯，施工平臺(tái)受場地條件限制較大，費(fèi)用較高，所能揭露的采空區(qū)范圍有限，不能準(zhǔn)確的圈定采空區(qū)邊界。同時(shí)受鉆孔工藝所限，在采空塌陷區(qū)取芯率較少，有時(shí)不能直接判斷是否已經(jīng)鉆入采空塌陷區(qū)還是斷裂破碎帶。鉆探是采空塌陷勘查技術(shù)必不可少的手段，但不是圈定采空區(qū)范圍的充分條件。

2.4 初步推斷采空區(qū)范圍

綜合地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘探和鉆探的成果，可初步推斷采空區(qū)范圍。依靠地質(zhì)調(diào)查判斷采空區(qū)可能存在的區(qū)域，并將地表塌坑、裂隙等災(zāi)害發(fā)育位置確定；依靠地球物理勘探推斷采空區(qū)地下埋深和邊界；用鉆孔驗(yàn)證地質(zhì)調(diào)查和地球物理勘探成果，并確定采空區(qū)塌陷情況、空洞厚度等準(zhǔn)確信息。綜合成果基本可以初步推斷采空區(qū)的平面位置、深度、厚度和覆巖塌陷情況。門頭溝秋坡地區(qū)采空塌陷勘查各類方法綜合統(tǒng)計(jì)部分結(jié)果見表2。

表2 鉆探、物探與地質(zhì)調(diào)查結(jié)果綜合統(tǒng)計(jì)

圖6 鉆孔電阻率測試

為能驗(yàn)證推斷采空區(qū)空間位置分布的準(zhǔn)確性，還需要進(jìn)行理論計(jì)算與實(shí)際發(fā)生情況的對(duì)比分析。通過對(duì)推斷采空區(qū)塌陷影響范圍和深度的計(jì)算，可在理論上圈定塌陷影響到地表的范圍和主要特征。用理論推導(dǎo)結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)調(diào)查結(jié)果的配比程度，來驗(yàn)證推測采空區(qū)空間位置分布的準(zhǔn)確性。

3 采空塌陷影響范圍計(jì)算與勘查結(jié)果對(duì)比

3.1 采空塌陷三帶分布深度計(jì)算

理論計(jì)算采空塌陷影響范圍，主要是計(jì)算采空塌陷帶、裂隙帶和地面下沉帶的深度范圍，計(jì)算采空塌陷影響到地表的平面范圍。用鉆孔取得采空區(qū)上方各層巖芯，進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)，取得覆巖力學(xué)參數(shù)，用實(shí)際參數(shù)進(jìn)行計(jì)算可得到更準(zhǔn)確科學(xué)深度范圍值。

計(jì)算方法采用《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，計(jì)算采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶最大高度。門頭溝秋坡地區(qū)由于采深較淺，覆巖多為砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)砂巖、頁巖等，其巖石抗壓強(qiáng)度多數(shù)在30～60MPa之間。

冒落帶最大高度：Hc=(4～5)M

導(dǎo)水裂隙帶（包括冒落帶）最大高度：

以MC1采空區(qū)為例，經(jīng)計(jì)算，冒落帶厚度在18.4～23m之間，通過圖2高密度電阻率法剖圖可以看出，推測采空區(qū)厚度最厚處為21m，與計(jì)算結(jié)果較為符合。

冒落裂隙帶計(jì)算深度為113.4m，MC1大部分開采深度小于裂隙帶最大高度，見表3，表明裂隙會(huì)直達(dá)地表，這與實(shí)際地面調(diào)查災(zāi)害情況相符。

表3 MC1采空區(qū)冒落裂隙帶計(jì)算結(jié)果

3.2 采空塌陷地表影響區(qū)計(jì)算

采空塌陷影響區(qū)域采用建筑物留設(shè)保護(hù)煤柱垂線法計(jì)算，反向推算采空塌陷變形范圍。

對(duì)采空一區(qū)（MC1）進(jìn)行了計(jì)算，采空的垂線高度西部為59m，東部為140m；γ=δ=55°，β=65°-0.6α，θ=0°；松散層厚度11m，煤層平均傾角α=16°；分別在上山方向和走向方向0m、120m、157m、201m處進(jìn)行計(jì)算垂線長度，上山方向?yàn)?9m，走向方向四段垂線長度為52m、86m、96m、109m。計(jì)算圈定采空塌陷影響范圍見圖7。

圖7 推測采空塌陷影響范圍與地表災(zāi)害現(xiàn)狀對(duì)比分析圖

通過圖7可看出，根據(jù)地球物理勘探和鉆探推斷的采空區(qū)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后，圈定的采空塌陷影響范圍邊界附近存在地表裂縫，且裂縫的延伸方向與計(jì)算邊界延伸方向一致，表明理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際發(fā)生的結(jié)果較為一致，證明推斷采空區(qū)的空間位置是比較準(zhǔn)確的，計(jì)算的采空塌陷影響范圍是比較精確的?？梢酝茢嗖煽諈^(qū)內(nèi)并未全部塌陷，依然存在較厚的空層，仍有發(fā)生地面塌陷的可能。

4 結(jié)論

通過以上分析研究，主要有以下經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：

采空區(qū)的勘查工作需要多種技術(shù)方法相互配合解釋，每一項(xiàng)技術(shù)方法的成果只是必要條件，并不是推斷采空區(qū)特征的充分條件。

采空區(qū)的勘查工作需要將地質(zhì)調(diào)查、地球物理勘探、鉆探、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)等每一項(xiàng)勘查技術(shù)方法協(xié)調(diào)配合，每項(xiàng)的結(jié)果要相互驗(yàn)證，形成完整的技術(shù)鏈條，以此推斷的采空區(qū)各項(xiàng)特征才更真實(shí)可靠，對(duì)規(guī)劃工程建設(shè)提供的基礎(chǔ)信息才更加準(zhǔn)確可信。

[1]吳成平，胡祥云.采空區(qū)的物探勘查方法[J].地質(zhì)找礦論叢，2007，22(1)：19～23.

[2]北京市地質(zhì)研究所. 北京市門頭溝區(qū)永定鎮(zhèn)秋坡村旅游綜合開發(fā)項(xiàng)目地質(zhì)災(zāi)害勘查[R]. 2013.