地質(zhì)鉆探工程在采空區(qū)地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

關(guān)顯東

摘? 要：地質(zhì)鉆探是通過(guò)機(jī)械設(shè)備和鉆具向地下鉆出柱狀圓孔，并從其中取得巖心、礦芯，以了解地質(zhì)及礦產(chǎn)情況，或者專門作為某種用途的渠道，從而滿足地質(zhì)礦產(chǎn)勘查及國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門需要。采空區(qū)是指地下礦產(chǎn)被采出后留下的空洞區(qū)，按礦產(chǎn)被開采的時(shí)間，可分為老采空區(qū)、現(xiàn)采空區(qū)和未來(lái)采空區(qū)。文中運(yùn)用地質(zhì)鉆探工程開展礦區(qū)勘探，通過(guò)地質(zhì)鉆探工程所確定的煤礦采空區(qū)地表危險(xiǎn)變形區(qū)邊界，與采空區(qū)范圍內(nèi)住宅形變毀壞水平相符合，進(jìn)一步來(lái)說(shuō)明這類開采勘探方式的實(shí)效性。

關(guān)鍵詞：鉆探工程;采空區(qū);地質(zhì)勘查

一、采空區(qū)定義與分類及特征

（一）采空區(qū)定義

人們?cè)诘叵麓竺娣e采礦或?yàn)榱烁黝惸康脑诘叵峦诰蚝筮z留下來(lái)的礦坑或洞穴，稱為采空區(qū)。

（二）采空區(qū)分類及特征

依據(jù)采空水平分為小型采空區(qū)和大型采空區(qū)。

1、小型采空區(qū)的變形和特征

小型采空區(qū)變形種類為表面坍塌和裂痕。小型采空區(qū)范圍狹小，主要是巷道式的，表面不造成移動(dòng)的盆地。但由于開采深度淺，又任其自由坍落，所以地面變化劇烈。表面裂痕的遍布通常與開采工作面的方位平行，并伴隨著開采工作面的推動(dòng)而隨之移動(dòng)。除極淺的采空區(qū)外，縫隙一般上寬下窄，沒有顯著的偏移。

2、大型采空區(qū)的變形和特征

大型采空區(qū)的變形關(guān)鍵是在表面產(chǎn)生移動(dòng)盆地。換句話說(shuō)，在采空區(qū)區(qū)域下方發(fā)生了地表變形，逐漸產(chǎn)生低洼地區(qū)，伴隨著采空區(qū)的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)生了凹痕盆地，這一盆地被稱作移動(dòng)盆地。

（1）依據(jù)地表變形的尺寸和變形特點(diǎn)，從移動(dòng)盆地到邊沿水準(zhǔn)區(qū)劃為三個(gè)區(qū)域。

①勻稱沉降區(qū)：（中間區(qū)）是挪動(dòng)盆地的平整底。

②移動(dòng)區(qū)：又稱內(nèi)邊緣區(qū)或危險(xiǎn)變形區(qū)，區(qū)內(nèi)變形不均勻，對(duì)建筑物破壞作用較大。

③輕微變形區(qū)：外邊沿區(qū)域，表面變形值小，一般并不會(huì)對(duì)建筑導(dǎo)致危害，依據(jù)地表地基沉降值10mm處劃外界限。

（2）垂直方向上的礦帶大規(guī)模開采后，礦帶上端失去支撐點(diǎn)，平衡條件被毀壞，開采區(qū)上方巖石變形。采空區(qū)上方巖石的變形一般過(guò)程是從下向上慢慢發(fā)展的漏斗狀地基沉降，其變形可分成三個(gè)帶。

①冒落帶（崩落帶），采空區(qū)頂板破碎坍落形成，其厚度一般為采礦厚度的3～4倍。

②裂隙帶（破裂彎曲帶）處于冒落帶之上，并產(chǎn)生較大的彎曲和變形，其厚度一般取采礦厚度的12～18倍（從礦層頂板向上的厚度）。

③彎曲帶（不破裂彎曲帶）裂隙帶頂面至地面的厚度。

二、鉆探工程判斷采空區(qū)依據(jù)及布置原則

（一）采空區(qū)垮落帶鉆探判斷依據(jù)

鉆探工程是本次采空區(qū)地質(zhì)勘查的主要工作手段，在鉆探過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)判斷采空區(qū)垮落帶的主要依據(jù)為：

1、正常的鉆進(jìn)過(guò)程中，突然出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，或鉆進(jìn)進(jìn)尺特別快;

2、正常的鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆孔孔口水位突然消失，或孔口出現(xiàn)吸風(fēng)的現(xiàn)象;

3、鉆探所獲取的巖芯破碎混雜，有巖粉、煤灰等，或巖芯中夾雜淤泥、粉末狀煤渣、坑木、磚瓦碎片等。

（二）鉆孔布置原則

采空區(qū)核實(shí)鉆孔具有較強(qiáng)的目的性，鉆孔的布置要考慮多方面的因素，以保證用少的工程量達(dá)到核實(shí)清楚采空區(qū)分布的目的。本次核實(shí)鉆孔的布置主要依據(jù)以下原則：

1、地面變形特征明顯處及居民反映地表沉降量最大處，為最有可能存在采空區(qū)的部位，在該部位布置鉆探驗(yàn)證孔加以核實(shí)，針對(duì)性較強(qiáng)，本次施工2號(hào)鉆孔即為依據(jù)此原則布置。

2、依據(jù)核實(shí)區(qū)附近已有的地質(zhì)成果確定的煤層賦存的厚度、埋深、層位特征及煤層發(fā)育的范圍、傾角等，預(yù)測(cè)采空區(qū)可能存在的空間及平面位置，從而布置核實(shí)鉆孔加以驗(yàn)證。

3、依據(jù)居民區(qū)建筑物的分布特征，結(jié)合其下煤層的埋深及賦存特征，初步確定建筑物下需要留設(shè)的保安煤柱范圍，即采空區(qū)對(duì)建筑物的影響邊界，在可能的影響邊界附近布置采空區(qū)核實(shí)鉆孔。

4、核實(shí)鉆孔施工過(guò)程中查明確定存在采空區(qū)時(shí)，根據(jù)煤層特征及建筑物方位，進(jìn)一步布置控制鉆孔來(lái)控制采空區(qū)。

三、采空區(qū)地表變形危險(xiǎn)性分區(qū)

（一）項(xiàng)目概括

海拉爾農(nóng)墾集團(tuán)第八生產(chǎn)隊(duì)住宅區(qū)位于拉布大林煤田的中北部接近煤層露頭位置，煤層埋深較淺。上世紀(jì)九十年代后期該區(qū)域內(nèi)地下有過(guò)小煤窯采礦活動(dòng)，經(jīng)過(guò)之后的整頓，小煤窯撤去，近幾年來(lái)受煤礦采空區(qū)地表變形的影響該處居住村民發(fā)現(xiàn)其住宅主房產(chǎn)生裂痕，為此需查明此處采空區(qū)的分布范圍及其地表變形危險(xiǎn)區(qū)影響范圍。

（二）采空區(qū)地表變形理論

由于小煤窯采礦活動(dòng)的影響，在采空區(qū)上方的地表形成移動(dòng)盆地，依據(jù)對(duì)地表建筑物和構(gòu)造的危害，在移動(dòng)盆地內(nèi)區(qū)劃2個(gè)區(qū)域：風(fēng)險(xiǎn)變形區(qū)域（移動(dòng)盆地內(nèi)很有可能對(duì)各種各樣建筑物和構(gòu)造導(dǎo)致危害的區(qū)域）、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)變形區(qū)域（移動(dòng)盆地內(nèi)不容易對(duì)各種各樣建筑物和構(gòu)造導(dǎo)致危害的區(qū)域）。

非危險(xiǎn)變形區(qū)的臨界邊界用地表臨界變形值來(lái)圈定，地表臨界變形值是指不需要維護(hù)即能保持建筑物正常使用所允許的最大變形值。依據(jù)《建筑物、水質(zhì)、鐵路線及關(guān)鍵巷道煤柱留設(shè)與壓煤采掘技術(shù)規(guī)范》，針對(duì)一般砌體，臨界值變形值設(shè)定為斜率i=3mm/m，曲率K=0.2×10-3/m，水平變形ε=2mm/m。

理論計(jì)算非危險(xiǎn)變形區(qū)的臨界邊界需要用到移動(dòng)角，移動(dòng)角指在充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)的情況下，移動(dòng)盆地主要斷面上臨界變形值點(diǎn)和采空區(qū)邊界的連線與水平線之間在煤壁一側(cè)的夾角。移動(dòng)角分為松散層移動(dòng)角和基巖移動(dòng)角。松散層移動(dòng)角的符號(hào)為ψ，下山移動(dòng)角的符號(hào)為β，上山移動(dòng)角的符號(hào)為γ（見圖1）。

（三）臨界邊界計(jì)算及采空區(qū)地表變形分區(qū)

1、計(jì)算公式

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》及《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》（上冊(cè)）第七章“保護(hù)煤柱留設(shè)”的相關(guān)內(nèi)容及圖2所示，采空區(qū)地表非危險(xiǎn)變形區(qū)的臨界邊界距采空區(qū)邊緣的距離可按下面公式計(jì)算：

式中：L—采空區(qū)地表非危險(xiǎn)變形區(qū)的臨界邊界距采空區(qū)邊緣的距離（m）

W—建筑物保護(hù)煤柱的圍護(hù)帶寬度（m）

H1—第四系松散層厚度（m）

H2—基巖層厚度（m）

ψ—第四系松散層移動(dòng)角（°）

β—基巖下山移動(dòng)角（°）

2、計(jì)算參數(shù)

（1）建筑物保護(hù)煤柱的圍護(hù)帶寬度（w）

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中關(guān)于礦區(qū)建（構(gòu)）筑物保護(hù)等級(jí)劃分，第八生產(chǎn)隊(duì)住宅區(qū)磚混結(jié)構(gòu)房屋保護(hù)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，建（構(gòu)）筑物各保護(hù)等級(jí)煤柱的保護(hù)寬度（見表1），第八生產(chǎn)隊(duì)住宅區(qū)磚混結(jié)構(gòu)房屋保護(hù)煤柱的圍護(hù)帶寬度取10m。

（2）第四系松散層厚度H1

傾向上采空區(qū)邊界位于2號(hào)鉆孔、4號(hào)鉆孔之間，第四系松散層厚度取2個(gè)鉆孔第四系松散層厚度的平均值為6.74m。

（3）基巖層厚度H2

傾向上采空區(qū)邊界位于2號(hào)鉆孔、4號(hào)鉆孔之間，基巖層厚度在傾向2-4線剖面圖上直接量取，量取范圍為煤層頂板中點(diǎn)至第四系底板中點(diǎn)的垂直距離，剖面上量取基巖層厚度為60m。

（4）第四系松散層移動(dòng)角ψ

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》（松散層移動(dòng)角取值），本區(qū)松散層厚度小于40m，松散層含水性較強(qiáng)，查得本區(qū)第四系松散層移動(dòng)角為45°。

（5）基巖下山移動(dòng)角β

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》（按上覆巖性區(qū)分的地表移動(dòng)角一般參數(shù)綜合表），本區(qū)煤層上覆巖層巖性主要以泥巖、粉砂巖及各類砂巖為主，附近勘查區(qū)工程地質(zhì)資料表明，巖層的單向抗壓強(qiáng)度平均值為20MPa左右，小于30MPa，覆巖類別為軟弱巖層，煤層的傾角α為18°，查得本區(qū)巖層移動(dòng)角為70°，按表中公式傾角α系數(shù)取0.3計(jì)算下山巖層移動(dòng)角β為65°。

3、計(jì)算結(jié)果及分區(qū)

將上面確定的參數(shù)值帶入采空區(qū)地表非危險(xiǎn)變形區(qū)的臨界邊界距采空區(qū)邊緣的距離的計(jì)算公式：

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得到采空區(qū)地表非危險(xiǎn)變形區(qū)的臨界邊界距采空區(qū)邊緣的距離為45m，以此為依據(jù)圈定采空區(qū)地表非危險(xiǎn)變形區(qū)的臨界邊界（如圖3），邊界線以內(nèi)為采空區(qū)地表危險(xiǎn)變形區(qū)，邊界線以外為采空區(qū)地表非危險(xiǎn)變形區(qū)。

調(diào)查走訪資料顯示，磚混住宅區(qū)東側(cè)五棟房屋受采空區(qū)地表變形破壞最嚴(yán)重，影響房屋的正常使用并存在較大的安全隱患，該五棟房屋在計(jì)算確定的采空區(qū)地表危險(xiǎn)變形區(qū)內(nèi)，地表現(xiàn)象與計(jì)算結(jié)果一致。

四、結(jié)論

鉆探工程是地質(zhì)勘查工作中應(yīng)用最廣的一種技術(shù)手段，其同樣適用于采空區(qū)地質(zhì)勘查，本文在調(diào)查訪問大致圈定采空區(qū)范圍的基礎(chǔ)上，確定第八生產(chǎn)隊(duì)住宅區(qū)北側(cè)存在一處開采煤層所形成的采空區(qū)，鉆探工程所確定的采空區(qū)地表變形危險(xiǎn)區(qū)邊界與磚混房屋的變形破壞程度高度一致，說(shuō)明鉆探工程所確定的采空區(qū)地表變形危險(xiǎn)區(qū)較為合理，為今后類似采空區(qū)地質(zhì)勘查提供較好的借鑒意義。

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