深層采空區(qū)勘察工作方法探討
——以魯西萊蕪官廠村煤礦采空區(qū)為例

郭建，邵光宇，周興濤*，張鐵，曹光明，張宇，王榮榮

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(山東省地礦工程勘察院)，山東省地下水環(huán)境保護與修復工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250014；2.金鄉(xiāng)縣自然資源和規(guī)劃局，山東 濟寧 272200)

0 引言

萊蕪作為一個資源型城市，煤、鐵等礦產(chǎn)資源豐富，由于礦產(chǎn)資源的大量開采，形成大面積的煤炭采空區(qū)，不僅給生態(tài)環(huán)境和居民生活安全造成了極大的影響，而且使中心城區(qū)被限制在狹小的空間，嚴重限制了城市的布局發(fā)展。近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市用地日趨緊張，城區(qū)面積急劇擴張，原來的煤礦采空區(qū)可能成為未來的工程建設中心，工業(yè)與民用建筑工程建設已無法避讓煤礦采空區(qū)。

煤礦采空區(qū)屬于隱蔽、復雜、地表變形范圍大、容易引發(fā)地質(zhì)災害的不良場地，對地面工程建設危害性很大，煤礦采空區(qū)問題是世界性難題。其中深層采空區(qū)(采深≥200m，或200m≤采深<300m且采深采厚比≥60m的采空區(qū))因開采深度大，地層條件復雜，造成勘察難度大、投入高、風險高。

目前煤礦采空區(qū)勘察工作主要采用“物探+鉆探”方法[1-4](1)山東省地礦工程勘察院，濟南市萊蕪區(qū)官廠村擬建場地采空區(qū)勘察評價報告，2019年。，其中物探方法主要采用瞬變電磁法和常規(guī)直流電法，因大部分采空區(qū)內(nèi)都有村莊、公路和高壓線路等人文活動的干擾，且這兩種方法有效探測深度小于500m，深度超過500m的采空區(qū)探測難以取得良好的效果。

本文以魯西萊蕪官廠村深層煤礦采空區(qū)為例，在充分搜集和研究區(qū)域地質(zhì)資料、礦山地質(zhì)資料的基礎上，采用了采空區(qū)調(diào)查、地表變形監(jiān)測、地面物探、鉆探、井內(nèi)物探綜合勘察方法，由淺入深地對萊蕪官廠村的深層煤礦采空區(qū)進行了勘察，為類似工程條件煤礦采空區(qū)勘察提供借鑒。

1 地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)條件

研究區(qū)位于魯西萊蕪盆地東南部，地貌為丘陵-平原區(qū)，地形比較平坦。

研究區(qū)地表大部分被第四系覆蓋，厚6mm左右。下伏地層由老至新依次為奧陶紀馬家溝群、石炭-二疊紀月門溝群本溪組、太原組和山西組、二疊紀石盒子群、侏羅-白堊紀淄博群三臺組、白堊紀水南組(圖1)[5]。地層走向一般為290°～300°，傾向NE，傾角一般為10°～27°。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復雜，程度中等。巖漿活動比較強烈，各煤層中均有侵入，局部煤層因侵入巖而變薄，甚至全部侵蝕，靠近部分斷層附近大面積侵蝕、變薄。

1—第四紀沂河組；2—第四紀臨沂組；3—第四紀大站組；4—白堊紀八畝地組；5—白堊紀水南組；6—侏羅—白堊紀三臺組；7—二疊紀萬山組；8—隱伏二疊紀石盒子群；9—隱伏二疊紀山西組；10—隱伏石炭-二疊紀太原組；11—實測地層界線；12—推測地層不整合界線；13—推測斷層；14—地層產(chǎn)狀；15—研究區(qū)范圍圖1 區(qū)域地質(zhì)略圖

1.2 煤礦開采情況

研究區(qū)位于南冶煤礦西北部，大部分位于南冶煤礦礦界內(nèi)。

南冶煤礦采礦權(quán)初設于1989年，2018年7月閉坑關(guān)停。礦井采用斜井開拓，走向長壁后退式采煤，頂板管理采用全部垮落法。2010年礦井改變頂板管理方法，全部采用似膏體及矸石充填開采?？刹擅簩訛?、4、7、9、15、19煤層，允許開采深度+150m～-1000m。2009年以前回采率58.4%，2009—2013年回采率81.9%。

根據(jù)礦井資料及現(xiàn)場調(diào)查分析，研究區(qū)地下分布4層煤礦采空區(qū)，分布可采煤層4層，分別為2、4、7、15煤，開采深度480～870mm。山西組2、4煤層主要為氣煤，太原組的7煤層為焦煤，15煤層主要為氣肥煤。

2 采空區(qū)勘察工作

2.1 采空區(qū)調(diào)查

采空區(qū)調(diào)查范圍為場地邊界外擴500m，調(diào)查面積約5km2，調(diào)查內(nèi)容包括采礦調(diào)查、采空區(qū)踏勘測量、地面建筑物破壞情況調(diào)查等[6]。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，研究區(qū)東部見有多處采空塌陷變形地段，部分建筑物見有明顯的房屋開裂、墻體裂縫，裂縫寬度1～15cm不等,可貫穿整個墻體，嚴重地段地面下沉約0.3m，涉及房屋十余套，范圍約3000m2。建筑物開裂現(xiàn)象主要發(fā)生在2005—2007年，2007年后未發(fā)現(xiàn)房屋開裂、地面下沉現(xiàn)象。結(jié)合煤田地質(zhì)資料，推測為2004—2007年本區(qū)域內(nèi)采煤塌陷引起，或者地面不均勻沉降引起[7]。

2.2 地表變形監(jiān)測

根據(jù)區(qū)內(nèi)煤層開采情況、采空區(qū)分布以及工程建設需要，布置了170個觀測點，觀測周期15～30d，觀測6次，共計觀測1020點次。

從觀測數(shù)據(jù)可以看出，觀測期內(nèi)未出現(xiàn)地面突然大量沉降、不均勻沉降現(xiàn)象，地面沉降均勻，且沉降變化不大，沒有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，各沉降點沉降差均符合《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范(2017年版)》中規(guī)定的采空區(qū)穩(wěn)定性評價標準[8]。累計沉降量最大未超過20mm，其中，沉降量最大的觀測點累計沉降量為11.85mm，最大沉降速度為0.20mm/d，沉降量最小的觀測點累計沉降量為0mm，最小沉降速度為0.00mm/d；觀測點各期沉降量在整個監(jiān)測期間一直比較平緩，推斷采空區(qū)地表變形已進入殘余變形階段[9]。

2.3 地面物探

由于區(qū)內(nèi)建筑物密集，且采空區(qū)埋藏較深，大部分超過500m，各地層之間具有明顯的電性差異，本次物探工作采用了可控源音頻大地電磁法(CSAMT)[10-11]，CSAMT法較其他電磁法抗干擾能力相對較強，施工方便，表現(xiàn)出較為良好的探測能力。根據(jù)場地特點，布置了27條CASMT測線條(圖2)，點距10m，測點1494個，剖面長300m，EW向、SN向均有布置，共長14.12km，基本實現(xiàn)全區(qū)覆蓋。

1—物探測線及其編號；2—鉆孔及其編號；3—等高線(m)；4—場地范圍圖2 場地物探測線及鉆孔布置圖

CSAMT依據(jù)各地層、采空區(qū)的物性特征，形成了電阻率擬斷面圖。從圖上可以看出，礦體采空后，上覆地層中裂隙廣為發(fā)育，地層變得松散失水，甚至坍塌，使得地層的導電性明顯變化，采空區(qū)內(nèi)若無積水，電阻率剖面圖上表現(xiàn)為局部的高阻異常，采空區(qū)內(nèi)若積水，電阻率剖面圖上表現(xiàn)為局部的低阻異常。

L8線位于大橋路以東區(qū)域(圖3)，近SN向布設，由南往北點號逐漸增大，點距10m，總長420m，共計42個點；由其視電阻率等值線斷面圖顯示，視電阻率值在縱向上呈現(xiàn)淺部低阻深部高阻，為沉積地層的電性反映，局部視電阻率較高可能是由電線或道路干擾造成。

1—推測2煤采空區(qū)；2—推測4煤采空區(qū)；3—推測15煤采空區(qū)；4—推測斷裂構(gòu)造圖3 L8線視電阻率等值線斷面圖

在橫向上視電阻率值呈現(xiàn)西部高東部低的特征，在地面位置50～310m，埋深520～625m，地面位置360～415m，埋深635～685m處視電阻率值相對較低，結(jié)合地質(zhì)資料推斷為2煤采空區(qū)反應，由南往北逐漸變深；在地面位置70～300m，埋深560～645m處視電阻率值相對較低，結(jié)合地質(zhì)資料推斷為4煤采空區(qū)反應,由南往北逐漸變深；在地面位置5～180m，埋深680～730m處視電阻率值相對較低，結(jié)合地質(zhì)資料推斷為15煤采空區(qū)反應，由南往北逐漸變深。

2.4 鉆探

根據(jù)收集地質(zhì)資料及物探解譯成果，結(jié)合區(qū)內(nèi)建筑物分布及規(guī)范要求，在區(qū)內(nèi)有針對性地布置了5個鉆探驗證孔(圖2)，均布置在物探異常區(qū)域和建筑物輪廓線范圍內(nèi)，孔深660.46～834.20m。經(jīng)驗證，各鉆孔在鉆探過程中出現(xiàn)嚴重漏水、進尺快、埋鉆等現(xiàn)象[12]，未發(fā)現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象。對比收集到的煤礦地質(zhì)資料，可準確判斷場地內(nèi)鉆孔揭露的采空區(qū)層數(shù)及其編號(表1)。

表1 鉆探施工情況一覽表

通過鉆探異常地層上下頂板巖性對比，判斷了2煤、4煤、7煤、15煤采空區(qū)及其上垮落斷裂帶。2煤垮落斷裂帶高度約29.6m，4煤垮落斷裂帶高度約25.3m，15煤垮落斷裂帶高度約29.0m；7煤采空區(qū)采用膏體材料充填，頂板巖心完整，未垮落。

2.5 井內(nèi)物探

為探查采空區(qū)覆巖破壞現(xiàn)狀、垮落斷裂帶高度、采空區(qū)的充填密實程度等，鉆孔中進行了測井工作。該工作主要利用電位電阻率曲線、自然伽瑪曲線、井徑曲線來綜合劃分巖層巖性，劃分的巖性主要有泥巖、細砂巖、粉砂巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等。共測試鉆孔5個，以鉆孔ZK1測井為例(圖4)，從鉆孔ZK1綜合測井曲線上截取555～620m段分析如下：561～586m處為泥巖層，曲線特征表現(xiàn)為電位電阻率相對偏低，自然伽瑪數(shù)值偏高；586～620m處為粉砂巖、細砂巖，曲線特征表現(xiàn)為電位電阻率相對偏高，自然伽瑪數(shù)值偏低；594.2～595.2m為2煤采空區(qū)，618.4～619.4m為4煤采空區(qū)，與圍巖相比，采空區(qū)巖層曲線特征表現(xiàn)為電阻率稍低，自然伽瑪值偏高，井徑值較大。結(jié)合地質(zhì)鉆探取芯結(jié)果分析，采空區(qū)已塌落，充填破碎覆巖，導致巖石孔隙度增大，自然伽瑪表現(xiàn)為放射性高異常；電阻率曲線由于采空區(qū)充水而偏低，井徑曲線在采空區(qū)位置表現(xiàn)為大異常值[13-16]。

圖4 ZK1鉆孔測井曲線圖

3 采空區(qū)勘察成果

(1)本次采空區(qū)勘察基本查明了區(qū)內(nèi)采空區(qū)分布、規(guī)模、歷史、覆巖破壞類型及分布等基本要素特征。

研究區(qū)內(nèi)分布有2煤采空區(qū)、4煤采空區(qū)、7煤采空區(qū)和15煤采空區(qū)，均為深層采空區(qū)。各采空區(qū)分布特征見表2、圖5。區(qū)內(nèi)2煤采空區(qū)普遍分布，于1991年—2005年形成；4煤采空區(qū)分布于研究區(qū)西部、北部，于1998年—2008年形成；7煤采空區(qū)分布于研究區(qū)東部，于2011年—2013年形成；15煤采空區(qū)分布于研究區(qū)中部、東部、西北部，于2001年—2013年形成。受地層產(chǎn)狀影響，各采空區(qū)均由SW向NE方向逐漸變深。

表2 研究區(qū)及附近采空區(qū)一覽表

(2)本次采空區(qū)勘察在搜集整理和分析研究各類地質(zhì)資料、礦山資料的基礎上,通過對研究區(qū)重要建(構(gòu))筑物、地面塌陷及地裂縫等進行的采空區(qū)調(diào)查工作，初步掌握了深層采空區(qū)的位置、大小和范圍；通過地表變形監(jiān)測工作，確定了研究區(qū)地表變形現(xiàn)狀；通過地面物探工作，較為準確地圈定了深層采空區(qū)的位置、范圍；通過鉆探工作來揭露地層、采空區(qū)，并對物探成果進行驗證；通過測井工作和地質(zhì)資料的對比，對覆巖破壞現(xiàn)狀、“三帶”分布、采空區(qū)的充填密實程度進行了精準解釋，并校對了地層層位與地層地質(zhì)年代。

1—2煤采空區(qū)分布范圍；2—4煤采空區(qū)分布范圍；3—7煤采空區(qū)分布范圍；4—15煤采空區(qū)分布范圍；5—鉆孔及編號；6—研究區(qū)范圍圖5 研究區(qū)各煤層采空區(qū)分布圖

(3)本次勘察工作中，物探工作圈定的采空異常范圍與搜集地質(zhì)資料、采空區(qū)調(diào)查的采空區(qū)分布范圍基本吻合；經(jīng)現(xiàn)場鉆探驗證,物探解譯推斷的采空區(qū)埋深及厚度與鉆探所揭露的深度及厚度吻合得較好；測井分析的覆巖破壞現(xiàn)狀、垮落斷裂帶高度、采空區(qū)的充填密實程度等與鉆探巖心揭露情況基本吻合。

4 結(jié)論

(1)對深層采空區(qū)，采用“采空區(qū)調(diào)查+地表變形監(jiān)測+地面物探+鉆探+井內(nèi)物探”方法，多種勘察方法有機結(jié)合并相互驗證，對采空區(qū)的圈定更為詳細準確，保證了勘察精度,使勘察結(jié)果可信度更高。

(2)對深層采空區(qū)，采用以資料搜集、采空區(qū)調(diào)查及地表變形觀測為主，以適量的物探、鉆探工作為輔，并加以適當?shù)臏y井工作，有效地減少了鉆探工作量，避免了大規(guī)模鉆探施工對研究區(qū)地表及地下的破壞擾動,節(jié)約了勘察成本和時間,降低了工作風險，提高了工作效率，達到了事半功倍的效果。