急傾斜煤層采空區(qū)綜合勘察方法

劉學(xué)軍，侯憲明

（新疆建筑科學(xué)研究院<有限責(zé)任公司>工程勘察測繪院，新疆烏魯木齊830002）

急傾斜煤層采空區(qū)綜合勘察方法

劉學(xué)軍*，侯憲明

（新疆建筑科學(xué)研究院<有限責(zé)任公司>工程勘察測繪院，新疆烏魯木齊830002）

根據(jù)急傾斜煤層采空區(qū)分布及開采特點(diǎn)，提出以資料收集為基礎(chǔ)、地質(zhì)和工程地質(zhì)調(diào)查和測繪結(jié)合地球物理勘探控制平面，現(xiàn)場勘探驗(yàn)證、原位測試和現(xiàn)場取樣測試查明巖土物理力學(xué)性質(zhì)的綜合勘察方法，準(zhǔn)確查明采空區(qū)平面及空間分布，為煤層采空區(qū)場地穩(wěn)定性評價(jià)提供依據(jù)。

急傾斜煤層；采空區(qū)；綜合勘察方法

近20年來，我國在采空區(qū)上修建的各類工程越來越多，對采空區(qū)的治理技術(shù)也趨于成熟。但不論采取什么處理方案，查明采空區(qū)分布情況，均是進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)和確定治理方案的前提和基礎(chǔ)。急傾斜煤層采空區(qū)是其中具有自身分布特點(diǎn)的一類采空區(qū)，采用綜合勘察方法進(jìn)行專門勘察尤為重要。

1　急傾斜煤層采空區(qū)特點(diǎn)

根據(jù)當(dāng)前地下開采技術(shù)，我國將煤層按傾角分為4類，其中角度大于45°的煤層被稱為急傾斜煤層。急傾斜煤層有著其余產(chǎn)狀煤層不同的分布特點(diǎn)和開采方式，對急傾斜煤層采空區(qū)的勘察提出了不同要求。

1.1急傾斜煤層特點(diǎn)

①急傾斜煤層多為不穩(wěn)定的復(fù)雜煤層，厚度變化大，往往在1個(gè)煤田中，各種厚度煤層（薄、中厚、厚及特厚）均有分布；

②急傾斜煤層產(chǎn)狀復(fù)雜，傾角變化較大，同一煤層在不同空間位置其產(chǎn)狀角往往有較大變化；

③急傾斜煤層受構(gòu)造運(yùn)動影響強(qiáng)烈，煤層及其圍巖的穩(wěn)定性和完整性受到較嚴(yán)重破壞；

④煤層及圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，遇到斷層較多，煤層比較破碎；

⑤急傾斜煤層頂?shù)装遘浫跗扑?，易失穩(wěn)垮落。

1.2急傾斜煤層采空區(qū)特點(diǎn)

①因?yàn)榧眱A斜煤層的產(chǎn)狀特點(diǎn)，隨著煤層采深的增大，采空范圍向煤層頂板方向發(fā)展，而底板方向處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，采空區(qū)平面分布呈明顯不對稱狀態(tài)；

②急傾斜煤層采空區(qū)在頂板方向變形劇烈，沿走向方向，常出現(xiàn)條帶狀和串珠狀塌陷坑；

③在煤層開采過程中，急傾斜煤層頂?shù)装宄３０l(fā)生垮落，造成采空寬度往往大于煤層厚度；

④煤層開采完成后，上部未采煤層可能沿采空巷道垮落，但其自然垮落時(shí)間受各種因素影響，變化較大，垮落穩(wěn)定時(shí)間較長；

⑤受上部未采煤層及頂?shù)装蹇迓溆绊?，采空區(qū)充填狀況極其復(fù)雜，多有空洞分布且無規(guī)律。

2　急傾斜煤層采空區(qū)綜合勘察方法

由于急傾斜煤層自身的復(fù)雜性和采空區(qū)分布特點(diǎn)，選擇具有針對性的勘察方法，是急傾斜煤層采空區(qū)勘察工作的前提和重點(diǎn)，往往能起到事半功倍的效果。

根據(jù)多年來在新疆地區(qū)急傾斜煤層采空區(qū)勘察工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出適合急傾斜煤層采空區(qū)勘察的綜合勘察方法。該方法主要內(nèi)容為：以資料收集為基礎(chǔ)、地質(zhì)和工程地質(zhì)調(diào)查和測繪結(jié)合地球物理勘探控制平面，現(xiàn)場勘探驗(yàn)證、原位測試和現(xiàn)場取樣測試查明巖土物理力學(xué)性質(zhì)。

2.1資料收集

煤層采空區(qū)分布的地段，一般來說，均經(jīng)歷了大量的前人工作，留下了豐富的技術(shù)資料，收集和利用這些資料，可以節(jié)省大量工作，提高勘察工作的針對性和準(zhǔn)確性。

在資料收集過程中，應(yīng)盡量全面地收集前人工作成果，尤其要注意以下資料的收集利用。

①區(qū)域地質(zhì)資料：目前國內(nèi)大部分地區(qū)均進(jìn)行了不同比例尺的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作，區(qū)域地質(zhì)資料能夠提供工作場地范圍的地層、地質(zhì)時(shí)代、構(gòu)造、新構(gòu)造運(yùn)動等情況，對擬建場地的基本地質(zhì)條件有所了解。

②煤田地質(zhì)資料：一般來說，有采空區(qū)分布的地區(qū)，在煤礦開采前，均經(jīng)過了煤田地質(zhì)勘察。煤田地質(zhì)資料能夠較準(zhǔn)確提供煤層分布、厚度、產(chǎn)狀等，對擬建場地范圍內(nèi)煤層分布情況有較準(zhǔn)確了解。

③煤礦開采資料：煤礦開采對采空區(qū)的分布影響很大，應(yīng)盡量收集煤礦開采資料，包括：礦井平面分布、開采深度、預(yù)留安全煤柱位置和寬度、采煤方法、頂?shù)装逄幚矸桨傅?，上述?nèi)容對采空區(qū)分布具決定作用。

④煤礦開采后地表變形觀測資料：目前國內(nèi)大部分煤礦，在開始開采后，均對采空影響范圍內(nèi)的地表變形進(jìn)行了長期觀測。收集變形觀測資料對準(zhǔn)確判斷采空不穩(wěn)定范圍的分布十分關(guān)鍵，應(yīng)注意收集采空區(qū)頂、底板（走向邊界煤層）的破壞角、變形破裂角和穩(wěn)定角、采空區(qū)地表變形特征等。

2.2地質(zhì)和工程地質(zhì)調(diào)查與測繪

在資料收集工作完成后，應(yīng)對擬建場地結(jié)合擬建工程需要進(jìn)行地質(zhì)和工程地質(zhì)調(diào)查測繪工作。調(diào)查測繪工作的目的：結(jié)合工程實(shí)際，對所收集的資料進(jìn)行現(xiàn)場核查，對擬建場地內(nèi)的地質(zhì)和工程地質(zhì)現(xiàn)象標(biāo)示在工程圖紙上，同時(shí)對部分無資料或資料不全的礦區(qū)，通過走訪知情人、現(xiàn)場調(diào)查等，確定采空區(qū)分布范圍。

在地質(zhì)和工程地質(zhì)調(diào)查與測繪階段，針對擬建場地，主要采用穿越法，必要時(shí)可采用追索法。在調(diào)查測繪時(shí)，應(yīng)主要查明以下內(nèi)容：

①擬建場地地形地貌、構(gòu)造、地質(zhì)時(shí)代、巖性、產(chǎn)狀、厚度及平面分布、地下水的埋深及動態(tài)變化；

②采空區(qū)的埋深、采高、開采范圍、空間形態(tài)、頂?shù)装蹇迓淝闆r；

②采空區(qū)地表變形程度、影響范圍和地表變形特征，地下水賦存及補(bǔ)給情況；

④礦井口、巷道及地表塌陷裂縫的形狀、走向、寬度、深度等變形要素，確定采空區(qū)的地表變形范圍及程度；

⑤對于有條件的礦區(qū)，應(yīng)深入井下，對巷道和采空區(qū)內(nèi)部進(jìn)行調(diào)查測繪，重點(diǎn)是巷道的斷面尺寸及支護(hù)襯砌情況和采空區(qū)頂?shù)装蹇迓淝闆r。

2.3地球物理勘探

地球物理勘探（以下簡稱物探）是在收集資料和工程地質(zhì)調(diào)查測繪的基礎(chǔ)上，對擬建場地范圍內(nèi)采空區(qū)進(jìn)行平面控制的重要手段。適宜的物探方法使用，可有效降低鉆探工作量，節(jié)省勘察投資，提高勘察效率。

物探手段的使用，選取適宜的勘察方法十分重要。物探方法的選用，應(yīng)充分考慮急傾斜煤層采空區(qū)的特點(diǎn)，并盡量使用2種以上方法組合進(jìn)行，相互印證。根據(jù)多工程勘察經(jīng)驗(yàn)，常用的幾種物探方法為：

①地震反射波法：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(shí)間突變，波速和振幅急劇衰減，出現(xiàn)波形零亂等現(xiàn)象。主要適用于開采深度較大（30m以上），受地下水影響較大的采空區(qū)勘探。

②高密度電法：高密度電法的原理是以常規(guī)電阻率法為基礎(chǔ)，研究在施加電場的作用下，地層傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，一次可完成縱橫二維的探測過程。煤系地層成層性較好，其電阻率與地層巖性對應(yīng)，當(dāng)有松散采空塌落物分布和存在未充填空洞時(shí)，電阻率很高；當(dāng)采空區(qū)被水充填后，電阻率降低。該方法適用于開采深度不大（小于50m），對采空范圍內(nèi)地下水分布情況了解的地區(qū)。

③瞬變電磁法：就是通過測定地下不同地點(diǎn)不同深度的電阻率的差異來達(dá)到尋找目標(biāo)地巖體平穩(wěn)狀態(tài)遭受破壞，采空區(qū)頂?shù)装灏l(fā)生垮塌，直接影響其電性分布情況，同時(shí)有松散采空塌落物分布和存在未充填空洞時(shí)，電阻率很高；當(dāng)采空區(qū)被水充填后，電阻率降低。該方法適用范圍較廣，不受開采深度限制。

需要指出的是，一般情況下，應(yīng)盡量使用2種以上方法組合進(jìn)行，相互印證。同時(shí)應(yīng)根據(jù)鉆探驗(yàn)證情況進(jìn)行二次或多次修正，必要時(shí)進(jìn)行二次解譯。

2.4現(xiàn)場勘探驗(yàn)證

現(xiàn)場勘探是急傾斜煤層采空區(qū)勘察最直接、最可靠的方法，根據(jù)煤層埋深及采空區(qū)坍塌有期較長，所以現(xiàn)場勘探工作應(yīng)著重于對資料收集和物探工作關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，采用盡量小的工作量解決勘探問題。

①探槽：急傾斜煤層往往在第四系下有煤層露頭，采空塌陷后會形成塌陷槽、坑，對于基巖埋深較淺（小于5m）、無地下水影響的地段，可垂直于煤層走向或采空塌陷槽走向布設(shè)探槽，揭露地層和采空塌陷區(qū)?？蓽?zhǔn)確確定煤層產(chǎn)狀、采空區(qū)分布、塌陷區(qū)充填情況，并可采取土石試樣。

②探井：對于埋深較大，開挖探槽工程量過大的地段，可在關(guān)鍵部位布設(shè)人工探井，主要應(yīng)布設(shè)的部位為：采空塌陷區(qū)最深部分、地表塌陷坑周邊、煤層頂?shù)装宓任恢?，可確定煤層產(chǎn)狀、塌陷充填情況，并可采取土石試樣。但探井開挖深度不宜大于15m，且應(yīng)做好安全防護(hù)工作。

③鉆探：鉆探是采空區(qū)勘察最直接的方法，鉆孔的布設(shè)應(yīng)考慮擬建工程類型及重要程度、物探的異常區(qū)域、地表變形的關(guān)鍵部位等?？赏ㄟ^巖芯的觀察和描述，直觀反映巖土的基本特性，并可通過鉆進(jìn)速度、掉鉆及漏水情況，反映出采空區(qū)的存在及冒落充填情況。可在鉆孔中進(jìn)行原位測試及綜合測井工作，同時(shí)采取土巖試樣。

2.5測試工作

在急傾斜煤層采空區(qū)勘察過程中，測試工作十分重要，通過測試，可準(zhǔn)確查明巖土的物理力學(xué)性質(zhì)，對采空區(qū)的穩(wěn)定性評價(jià)和變形預(yù)測有十分重要的意義。測試工作包括物探綜合測井、孔中原位測試和土巖試樣室內(nèi)試驗(yàn)等。

（1）物探綜合測井：在工程條件許可的情況下，對部分鉆孔進(jìn)行物探綜合測井，可測試縱波波速、密度、巖體強(qiáng)度指數(shù)、天然伽馬等指標(biāo)，根據(jù)各指標(biāo)變化，可作為劃分煤層采空區(qū)各穩(wěn)定區(qū)域的依據(jù)。

（2）孔中原位測試：在鉆孔施工過程中，對于適宜的地層，應(yīng)盡量安排進(jìn)行必要的原位測試工作，如第四系地層中應(yīng)進(jìn)行動力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、風(fēng)化基巖應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等，上述試驗(yàn)可確定土巖的物理力學(xué)指標(biāo)，對采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)和剩余變形量的預(yù)測有重要意義。

（3）采取土巖試樣室內(nèi)試驗(yàn)：在鉆探、井探、槽探時(shí)，應(yīng)采取必要的土巖試樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，確定土巖的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。主要試驗(yàn)內(nèi)容為：巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖石抗剪強(qiáng)度、土常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)等。上述指標(biāo)可作為劃分煤層采空區(qū)各穩(wěn)定區(qū)域的依據(jù)。

2.6勘察方法的綜合運(yùn)用和相互驗(yàn)證

上述勘察方法雖然都有各自的目的和作用，但在勘察工作中，應(yīng)將勘察工作視為一個(gè)整體，根據(jù)勘察階段和勘察工作進(jìn)展，綜合運(yùn)用各勘察方法，對各種勘察方法所取得的成果進(jìn)行比對、驗(yàn)證，根據(jù)分析結(jié)果，及時(shí)調(diào)整勘察工作，才能達(dá)到事半功倍的效果，準(zhǔn)確掌握急傾斜煤層采空區(qū)的分布及現(xiàn)有狀態(tài)。為下一步采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)和治理工作提供充分準(zhǔn)確的依據(jù)。

3　結(jié)語

急傾斜煤層采空區(qū)因?yàn)槠涿簩臃植?、開采方法、采空區(qū)塌陷垮落方式等均與一般的水平及緩傾斜煤層采空區(qū)不同，造成對其進(jìn)行勘察工作也有其自身特點(diǎn)。綜合勘察方法的使用，可有效降低勘察投入，準(zhǔn)確查明對擬建工程有影響的采空區(qū)特性，掌握急傾斜煤層采空區(qū)的分布及現(xiàn)有狀態(tài)。為下一步采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)和治理工作提供充分準(zhǔn)確的依據(jù)。

［1］JTG/T D31-03-2011采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］韓德馨，楊起.中國煤田地質(zhì)學(xué)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1990.

［3］王磊.淺層反射波法在高傾角煤層采空區(qū)勘探中的應(yīng)用［J］.新疆地質(zhì)，1998（3）.

［4］李玉東，等.高密度電法在煤礦采空區(qū)探查中的應(yīng)用［J］.中國煤炭地質(zhì)，2010，22（增刊）.

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1004-5716（2016）03-0095-03

2015-10-26

2015-10-26

劉學(xué)軍（1970-），男（漢族），新疆烏魯木齊人，高級工程師，現(xiàn)從事巖土工程方面的生產(chǎn)和科研工作。