綜合勘查技術(shù)在東北某老采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

張凱 徐超

摘要：由老采空區(qū)引發(fā)的地災(zāi)災(zāi)害在東北地區(qū)比較常見，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)安全，本文對(duì)某采空區(qū)在地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上開展了高密度電法和瞬變電磁法的物探工作，初步確定了采空區(qū)的位置和特征，據(jù)此進(jìn)行了鉆探和井下電視等驗(yàn)證工作，得到了該區(qū)5個(gè)采空區(qū)的具體特征參數(shù)，進(jìn)而利用理論計(jì)算和實(shí)際對(duì)比的方法分析了每個(gè)采空區(qū)的影響及危害，最后提出了當(dāng)?shù)夭煽諈^(qū)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的防治措施與建議。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；高密度電法；瞬變電磁法；鉆探；井下電視

前言

煤炭為東北地區(qū)40、50年代主要的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，長(zhǎng)期無節(jié)制開采形成許多老采空區(qū)，近些年因地質(zhì)環(huán)境條件的變化常出現(xiàn)地面塌陷、地面沉陷和地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致房屋開裂和道路、農(nóng)田等不同程度的受到損害。本文以東北某老采空區(qū)為實(shí)例，首先通過收集勘查區(qū)的礦山地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及氣象水文資料，然后進(jìn)行工程物探、工程鉆探、井下電視等工作，再對(duì)各巖層、采空區(qū)及煤層頂板的巖芯又進(jìn)行了工程地質(zhì)試驗(yàn)，最后采用相似工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

勘查區(qū)為山間沖洪積谷地，海拔在280.0～330.0m，溝谷寬度在80～700m。區(qū)內(nèi)地層為侏羅系中統(tǒng)、下統(tǒng)，新生界第四系以及晚侏羅世侵入巖，第四系主要為礫石、砂和黏性土，侏羅系地層為本區(qū)內(nèi)主要的富煤地層，巖性為礫巖、砂巖、頁巖和煤，侵入巖為斑巖。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，為一略向北西傾伏的寬緩單斜構(gòu)造。地表水以季節(jié)性河流為主，受大氣降水影響較大，地下水主要為松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水。

2地球物理勘探

本次采空區(qū)勘查工程物探在調(diào)查走訪和參考相鄰地區(qū)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上采用直流高密度電測(cè)深法和瞬變電磁法完成?？辈閰^(qū)民房密集致使測(cè)線很難規(guī)則布設(shè)，因此本次電法勘探的測(cè)網(wǎng)布設(shè)以能實(shí)際施工為準(zhǔn)，共布設(shè)測(cè)線20條，基本電極距為5m。完成觀測(cè)斷面長(zhǎng)度13130m，完成物理點(diǎn)2706個(gè)，其中線上物理點(diǎn)2466個(gè)，試驗(yàn)點(diǎn)160個(gè)，檢測(cè)點(diǎn)80個(gè)。完成瞬變電磁8條測(cè)線，測(cè)線總長(zhǎng)800m，點(diǎn)距5m，線距20m，完成物理點(diǎn)184個(gè)，其中測(cè)線物理點(diǎn)166個(gè)，檢測(cè)點(diǎn)10個(gè)，試驗(yàn)點(diǎn)8個(gè)。

2.1 高密度電法

高密度電法利用人工電場(chǎng)發(fā)生畸變的基本原理，通過對(duì)不同電阻率的巖層或孔洞探測(cè)時(shí)電場(chǎng)變化的特點(diǎn)，獲得不同介質(zhì)的電阻率變化規(guī)律，達(dá)到對(duì)孔洞探測(cè)的目的。本次工作數(shù)據(jù)采集采用重慶地質(zhì)儀器廠研制的DZD-6A多功能直流電法（激電）儀與一臺(tái)MIS-120型多路電極轉(zhuǎn)換器及電極數(shù)為120根為基本觀測(cè)斷面組成的DUK-2A高密度電法測(cè)量系統(tǒng)。從該區(qū)現(xiàn)場(chǎng)得到的物探影像圖上可知整個(gè)測(cè)區(qū)視電阻率變化情況大體一致，總體趨勢(shì)是上高下低，變化范圍在幾百至上千歐姆之間，上部電阻率較高層是地表第四系粉砂、亞砂土的反映，往下電阻率值逐漸降低，為基巖（砂巖等）層的反映。推斷采空區(qū)部位的測(cè)線中表現(xiàn)為半封閉高阻圈或在下部有對(duì)應(yīng)的高阻突起，電阻率大于1200Ωm為不含水的采空區(qū)，電阻率小于200Ωm且出現(xiàn)封閉圈的認(rèn)定為含水采空區(qū)。

根據(jù)高密度電法解譯成果基本判定勘查區(qū)內(nèi)共存在大小采空區(qū)共5個(gè)，其中有4個(gè)為非充水采空區(qū)，1個(gè)為充水型采空區(qū)。采空區(qū)形狀以長(zhǎng)方形和橢圓形為主，高度2米左右，埋深在30～100米之間，平面投影面積為0.29×104～2.63×104㎡，圖1為非充水型采空區(qū)典型剖面解譯圖。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，即導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的激勵(lì)磁場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生渦流場(chǎng)問題。它利用接地線源（電偶源）或不接地回線（磁源）向地下發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)（一次場(chǎng)），在其激發(fā)下，地下地質(zhì)體中激勵(lì)起的感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(chǎng)（二次場(chǎng)），由于二次場(chǎng)含有地下地質(zhì)體豐富的地電信息，在一次場(chǎng)間歇期間，通過接地電極或線圈觀測(cè)二次場(chǎng)，并提取和分析響應(yīng)信息，從而達(dá)到探測(cè)地下地質(zhì)體的目的。

為了驗(yàn)證物探勘探方法有效性在高密度電法資料的基礎(chǔ)上，在適合的地段施工了8條瞬變電磁測(cè)線已驗(yàn)證高密度電法的可靠度。本次施工采用的加拿大產(chǎn)的V8數(shù)字電法儀，施工點(diǎn)距5m，線距20m。

以B4測(cè)線為例（圖2），B4線貫穿1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)三個(gè)采空區(qū)，其中0-26m范圍內(nèi)為高密度電法解釋的1號(hào)采空區(qū)范圍，由剖面可知在0-40m范圍內(nèi)B4線呈高阻封閉狀態(tài)與周圍地層電性差異明顯，可以確定為可靠采空區(qū)，與高密度電法解釋吻合；同理，在75-90m范圍內(nèi)為高密度電法解釋的采空區(qū)，剖面上在70-105m范圍內(nèi)基本呈高阻封閉狀態(tài)，可以確定為采空區(qū)，也與高密度電法解釋的吻合。在剖面50-60m范圍內(nèi)為高密度電法解釋的低阻采空區(qū)5號(hào)，瞬變資料表明在均勻電性層上有一個(gè)跳點(diǎn)，基本可以認(rèn)定其與高密度解釋的一致性。通過對(duì)瞬變電磁法解譯資料的分析比較可以綜合認(rèn)定高密度電法勘探的有效性和準(zhǔn)確性。

圖1 非充水型采空區(qū)解譯斷面 圖2 B4線瞬變電磁斷面圖

3 鉆探

為了對(duì)地球物理勘探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和進(jìn)一步分析，在5個(gè)物探確定采空區(qū)內(nèi)共布置了16個(gè)鉆孔進(jìn)行鉆探取樣以及井下電視等相關(guān)工作，直觀地獲得了直接頂?shù)装搴穸?、巖性，采空區(qū)埋深、厚度、層數(shù)以及煤組類型等基礎(chǔ)信息，鉆探成果匯總于表1，對(duì)比分析后為下一步評(píng)價(jià)提供了直接依據(jù)。

綜合以上地球物理勘探和鉆探工作成果，勘查區(qū)內(nèi)共確定采空區(qū)5處（表2），基本查明了采空區(qū)的分布特征與情況，驗(yàn)證了幾種綜合勘探技術(shù)的有效性和適用性。

4 采空區(qū)評(píng)價(jià)

4.1 理論計(jì)算

本例按照小窯采空區(qū)垮落高度計(jì)算公式和礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范公式分別計(jì)算頂板坍塌的最大高度，計(jì)算結(jié)果匯總于表3。

（1）小窯采空區(qū)垮落高度計(jì)算

不同的上覆巖層垮落方式，其垮落的最大高度不同，假設(shè)垮落的破碎巖塊能全部充滿采空區(qū)，本勘查區(qū)煤層頂板以上巖石基本為中等堅(jiān)硬巖層，局部為較軟～軟巖層，覆巖按矩形坍塌區(qū)考慮，巖石碎漲系數(shù)K按經(jīng)驗(yàn)取值1.20，則垮落的最大高度可按公式（1）估算：

式中m—煤房厚度，K—覆巖的碎漲系數(shù)

（2）根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范，本勘查區(qū)煤層頂板基本為中等堅(jiān)硬巖石，跨落帶和導(dǎo)水裂隙帶由公式（2）（3）計(jì)算。

4.2 采空區(qū)評(píng)價(jià)

綜合對(duì)比以上兩種計(jì)算方法，既有采空區(qū)的垮落帶高度計(jì)算結(jié)果基本相近，證實(shí)兩種計(jì)算方法基本可靠。

1號(hào)采空區(qū)跨落帶高度和裂隙帶的高度合值為37.7m～39.5m，小于煤層上覆正?；鶐r厚度，采空區(qū)埋深約72m，上覆第四系厚度7.5m，裂隙帶至地面距離32.0m左右，則地表主要受彎曲帶影響，不會(huì)出現(xiàn)塌陷及地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。同理，2，4，5三個(gè)采空區(qū)對(duì)地表的影響均不大，亦不會(huì)出現(xiàn)塌陷及地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。

3號(hào)采空區(qū)跨落帶高度和裂隙帶的高度合值接近40m，大于其頂板埋深，裂隙帶直接影響到地表，地面易形成塌陷坑和地裂縫，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查走訪情況相一致。

5 結(jié)論及建議

（一）本次勘查共圈定采空區(qū)5處，其中有1處充水其余為空洞型，采空區(qū)總面積為9.17ha，采空區(qū)所采煤層為大堡子組I煤、長(zhǎng)梁子III、IV煤組，采空埋深一般為30m～103m，采空高度0.5m～1.8m，且大部分采空區(qū)煤層頂板未塌落。

（二）經(jīng)理論計(jì)算垮落帶和裂隙帶高度之和為16m～39.5m，根據(jù)采空區(qū)埋深和第四系厚度確定除3號(hào)采空區(qū)對(duì)地表影響較大，有可能出現(xiàn)地面塌陷和地裂縫外，其余4個(gè)采空區(qū)僅彎曲帶影響到地表，地表可能會(huì)出現(xiàn)沉陷盆地和不均勻沉降。

（三）勘查區(qū)內(nèi)對(duì)已經(jīng)查明的采空區(qū)及其發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害地段，應(yīng)劃定為采煤沉陷危險(xiǎn)區(qū)，予以公告預(yù)警。在地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育地區(qū)設(shè)立隔離網(wǎng)，并設(shè)置明顯警示標(biāo)志，對(duì)村民進(jìn)行宣傳及提示等工作。對(duì)采空區(qū)預(yù)測(cè)影響范圍內(nèi)地面變形、地質(zhì)災(zāi)害等應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)工作，設(shè)置長(zhǎng)期沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)，定期進(jìn)行地面監(jiān)測(cè)，為查明采空區(qū)地表變形規(guī)律，分析采空區(qū)發(fā)展程度及后期穩(wěn)沉評(píng)價(jià)等提供必要的數(shù)據(jù)，同時(shí)也能夠監(jiān)測(cè)到變形規(guī)律，為各項(xiàng)工作提供預(yù)警及防治基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：張凱（1985-），男，漢族，遼寧阜新，碩士研究生，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害勘查、設(shè)計(jì)及相關(guān)巖土工作。

徐超（1986-），男，漢族，遼寧沈陽，碩士研究生，工程師，從事巖土工程工作。

（作者單位：中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司）