張立琴 李國(guó)和 苗慶庫(kù)

(1.內(nèi)蒙平莊煤業(yè)高級(jí)技工學(xué)校， 內(nèi)蒙古赤峰 024076; 2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300052)

古窯及近代小型采空區(qū)勘察方法選擇與應(yīng)用

張立琴1李國(guó)和2苗慶庫(kù)2

(1.內(nèi)蒙平莊煤業(yè)高級(jí)技工學(xué)校， 內(nèi)蒙古赤峰 024076; 2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300052)

概要分析了古窯及近代小型采空區(qū)的類(lèi)型及特征，在此基礎(chǔ)上論述了古窯及小型采空區(qū)的主要勘察方法和勘察流程，結(jié)合近年來(lái)的勘察經(jīng)驗(yàn)，對(duì)主要勘察技術(shù)方法的原理、適用性及應(yīng)用效果進(jìn)行了分析和總結(jié)，提出了物探方法組合模式及綜合勘察技術(shù)流程。最后進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用分析。

古窯 小型采空區(qū) 勘察方法 選擇

近年來(lái)，在鐵路工程建設(shè)中，采空區(qū)的影響越來(lái)越大，如京滬線、石太線、太中線等多條鐵路干線及眾多地方鐵路遇到了不同程度的采空區(qū)問(wèn)題。由于古窯及近代小窯采空區(qū)大多數(shù)開(kāi)采時(shí)代久遠(yuǎn)，沒(méi)有采掘資料可供查詢(xún)，且分布隨機(jī)性大，常以突然塌陷的形式對(duì)地表及建筑物造成破壞，難以查明，難于治理，成為多年來(lái)鐵路勘察設(shè)計(jì)中十分棘手的問(wèn)題。

1 古窯及近代小型采空區(qū)類(lèi)型及特點(diǎn)

我國(guó)有非常悠久的用煤歷史，最早可追溯至先秦時(shí)期?？v觀我國(guó)采煤歷史，從古代老窯到現(xiàn)代的個(gè)體經(jīng)營(yíng)小礦，其基本特征是：大多位于煤田的淺部邊緣地帶，開(kāi)拓系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無(wú)完整的地質(zhì)及采礦資料，開(kāi)采隨意性較大，礦井采深小，一般在100 m以?xún)?nèi)，開(kāi)采后形成的采空區(qū)形態(tài)不規(guī)則。由于采用古老落后、低效率的采礦方法，其造成的采空區(qū)地基失穩(wěn)隱患十分嚴(yán)重。

古窯和近代小礦常見(jiàn)的采礦方法和采空區(qū)形態(tài)可概括為以下幾種類(lèi)型：樹(shù)枝式、掛牌式、殘柱式、房式、房柱式、巷柱式、條帶式、短壁式等。在多年的鐵路勘察中遇到的古窯多為樹(shù)枝式、掛牌式和殘柱式，而近代小礦則以房柱式開(kāi)采居多。幾種常見(jiàn)的房柱式開(kāi)采形式見(jiàn)圖1。

古窯及近代小窯采空區(qū)多為人工開(kāi)挖形成，主要分布于礦層露頭附近，采空范圍狹窄，多呈巷道式，埋深較淺，寬度一般為3.0～5.0 m。采空高度視礦層的厚度及開(kāi)采方法而定，一般為1.5～2.0 m，很少超過(guò)3.0 m。由于開(kāi)采隨機(jī)性較大，遺留資料不多，調(diào)查困難。同時(shí)，古窯及小型采空洞埋藏淺，頂板厚度小，常以突然塌陷方式對(duì)地表造成破壞。

圖1 幾種常見(jiàn)的房柱式采煤法

2 古窯及近代小窯采空區(qū)勘察流程

在資料收集、區(qū)域工程地質(zhì)調(diào)繪和采空區(qū)專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)初步認(rèn)定的采空區(qū)進(jìn)行物探工作。當(dāng)重點(diǎn)勘察地段難以施鉆，且單項(xiàng)物探解譯困難時(shí)，應(yīng)使用多種物探方法進(jìn)行組合物探。根據(jù)采空區(qū)埋深，一般選擇2種或多種物探方法進(jìn)行地質(zhì)勘察，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)情況進(jìn)行優(yōu)選組合?；玖鞒桃?jiàn)圖2。

圖2 古窯及近代小型采空區(qū)勘察流程

3 古窯及小型采空區(qū)主要勘察方法

鐵路下伏古窯及小型采空區(qū)地質(zhì)勘察方法主要包括：①地質(zhì)調(diào)查及測(cè)繪；②物探；③鉆探；④地表形變觀測(cè)。其中，采空區(qū)調(diào)查訪問(wèn)、物探結(jié)合鉆探驗(yàn)證是最為常用的方法。

3.1 地質(zhì)調(diào)查及采空區(qū)專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查

地質(zhì)調(diào)查是采空區(qū)勘察的基礎(chǔ)，調(diào)查研究采空區(qū)及其附近的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、礦床特征及采礦條件、水文地質(zhì)條件、地下采空區(qū)的分布位置、采礦狀況、地面塌陷程度等。需要注意的是，在既有資料分析和區(qū)域地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上，若區(qū)內(nèi)有埋藏較淺的含礦地層存在，就有古窯及近代小窯采空存在的可能，尤其在有礦山開(kāi)采歷史的地區(qū)，古窯及近代小窯采空區(qū)存在的機(jī)率就有所增大。因此，在有可采礦體存在的地區(qū)內(nèi)，有關(guān)采空區(qū)的調(diào)查與訪問(wèn)就成為鐵路沿線工程地質(zhì)調(diào)查中一項(xiàng)十分重要的工作內(nèi)容。

當(dāng)區(qū)內(nèi)古窯及小窯采空區(qū)數(shù)量較多、分布范圍較大、特征復(fù)雜時(shí)，應(yīng)在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上進(jìn)行采空區(qū)的專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查與訪問(wèn)，調(diào)查內(nèi)容包括含礦地層分布特征、開(kāi)采礦種、開(kāi)采規(guī)模、開(kāi)采層位、開(kāi)采方式、回采率、頂板管理方式及開(kāi)采的起始及終止時(shí)間等，古窯及小窯采空的埋深、高度、長(zhǎng)度、寬度、空間形態(tài)、頂板支護(hù)情況、頂板垮落情況、地下水變化情況，采空坍塌引起的地表塌陷特征，采空區(qū)附近地表建筑物變形破壞情況等。

對(duì)于重點(diǎn)地段還要開(kāi)展專(zhuān)門(mén)的測(cè)繪和監(jiān)測(cè)工作。采空區(qū)專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查應(yīng)貫穿于鐵路勘察過(guò)程的始終，隨勘察精度要求的提高，調(diào)查工作應(yīng)逐漸深入。方案研究中的調(diào)查工作主要在踏勘及初測(cè)階段完成，重點(diǎn)包括采空區(qū)調(diào)查及塌陷現(xiàn)狀調(diào)查。

3.2 地球物理勘探

對(duì)于埋藏較淺的古窯及近代小型采空區(qū)探測(cè)，物探方法主要有地震映像、地震折射和反射、瑞雷波、瞬變電磁、高密度電法、測(cè)氡及孔間CT等。

在古窯及近代小型采空區(qū)等淺層洞穴式采空區(qū)勘察中，采用地震映像法可取得很好的探測(cè)效果。地震映像法是反射波法的一種，數(shù)據(jù)采集采用單點(diǎn)激發(fā)、單點(diǎn)接收及足夠小的固定偏移距。因接收點(diǎn)距震源較近，可以避開(kāi)直達(dá)波、面波、折射波等干擾，受測(cè)線彎曲和地形起伏的影響較小。地震映像法外業(yè)施測(cè)簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)采集速度快，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，顯示較為直觀。在適用性方面，多采用錘擊震源，震源能量有限，勘探深度較淺，一般在100 m以?xún)?nèi)時(shí)效果比較好，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下空區(qū)探測(cè)解釋困難，探測(cè)精度不高。

地震反射法也是目前采空區(qū)勘探中最為常用的方法之一，但在煤層埋深較淺時(shí)，煤層的反射波直達(dá)波、面波等疊加在一起，在記錄上難以分辨而影響勘探效果。另外，地形復(fù)雜或測(cè)線彎曲較大時(shí)，在資料處理時(shí)很難得到好的時(shí)間剖面，影響勘探效果。

高密度電法和瞬變電磁對(duì)高阻異常不敏感，對(duì)低阻異常反映敏感，主要用于地表?xiàng)l件較好且充水坍塌的古窯及小型采空區(qū)的探測(cè)。地震CT和電磁波CT為采空精細(xì)勘探的方法，須有鉆孔才能開(kāi)展工作，且地震CT需孔中有水，而電磁波CT在低阻地層中勘探效果受到限制。測(cè)氡需采空區(qū)至地表地層發(fā)生變形而裂隙發(fā)育，氡氣上升至地面而產(chǎn)生異常。

在對(duì)古窯及小型采空區(qū)地質(zhì)地球物理特征和多種物探方法適用性深入研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)國(guó)內(nèi)外采空區(qū)勘察資料的充分分析，參考相關(guān)規(guī)范，推薦不同條件下采空區(qū)的物探組合方式(如表1所示)。

表1 不同深度條件下采空區(qū)的物探方法組合方式

在物探方法使用選擇上，可選用單種物探方法，也可選用兩種以上物探方法組合使用。單種物探方法適用于周邊及鄰區(qū)已有勘探資料而只需物探佐證等情況。兩種以上物探手段組合則使用適用于重大工程部位勘察、地形復(fù)雜難以實(shí)施鉆探、多層采空區(qū)勘察及單項(xiàng)物探手段解釋困難等情況。對(duì)于埋深大于200 m的采空區(qū)，工程物探方法及其組合要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。

4 實(shí)例分析

對(duì)于淺層采空區(qū)，首先要圈定邊界，然后確定深度。地震映像法施工簡(jiǎn)單，適應(yīng)地形能力強(qiáng)，但其勘探深度小，能夠判定采空位置及邊界，結(jié)合鉆探驗(yàn)證，對(duì)于淺層空洞型采空區(qū)的勘察較為實(shí)用。

在某鐵路采空區(qū)勘探中，采用錘擊震源，點(diǎn)距2 m，偏移距2 m，采用美國(guó)產(chǎn)R24地震儀及配套設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣率0.25 ms，記錄長(zhǎng)度512 ms，為提高信噪比，采用5個(gè)檢波器組合，從地震映像反射時(shí)間剖面看，90 ms左右(深度110 m左右)，有一反射波同相軸，結(jié)合既有地質(zhì)資料，推斷為來(lái)自煤層的反射波，該反射波同相軸在85號(hào)點(diǎn)～105號(hào)點(diǎn)間反射波同相軸中斷或連續(xù)性差，推斷為采空區(qū)的反映，鉆探驗(yàn)證在66 m深度有采空區(qū)(如圖3所示)。

圖3 地震映像時(shí)間剖面

高密度電法的基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法完全相同，不同的是在觀測(cè)中設(shè)置了較高密度的測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，只需將全部電極布置在一定間隔的測(cè)點(diǎn)上，然后進(jìn)行觀測(cè)。由于使用電極數(shù)量多，而且電極之間可以自由組合，這樣可以提供更多的地電信息，使電法勘探能像地震勘探一樣使用覆蓋式的測(cè)量方式。實(shí)際應(yīng)用中，高密度電法對(duì)于低阻體敏感，常用于淺層充水采空區(qū)的探測(cè)。

在某城際鐵路勘探中，采用法國(guó)IRIS instruments公司生產(chǎn)的大功率IP勘探系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)場(chǎng)地的地形、地貌特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)特性，大功率三極激電測(cè)深點(diǎn)距20 m。觀測(cè)方式采用單極-偶極裝置，(混)雙邊測(cè)量，其特點(diǎn)是中淺部數(shù)據(jù)密度大，精度較高。圖4為本次高密度電法勘探的一個(gè)成果斷面。在1125～1245、1340～1460兩段距地面深度60～120 m范圍內(nèi)電阻率值在橫向上整體顯示為低阻，對(duì)應(yīng)區(qū)域充電率值相對(duì)較低，推斷為煤礦采空區(qū)影響范圍，塌陷的可能性較大，且充泥充水。

圖4 高密度電法電阻率剖面

實(shí)例表明，對(duì)于淺層洞穴式采空，采用地震映像法可取得良好的探測(cè)效果。而對(duì)于淺層充水采空區(qū)，配合高密度電法進(jìn)行對(duì)比，探測(cè)準(zhǔn)確率會(huì)有較大程度提高。

對(duì)于較深層的煤礦采空區(qū)，采用地震反射較為適用，尤其對(duì)于已塌陷的采空區(qū)，成果反映會(huì)更加明顯。當(dāng)采空區(qū)充水時(shí)，配合瞬變電磁可取得理想的勘察效果。

5 結(jié)論及建議

采空區(qū)調(diào)查與訪問(wèn)工作是古窯及小型采空區(qū)綜合地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)，對(duì)于準(zhǔn)確確定采空范圍及性質(zhì)起到舉足輕重的作用。一般通過(guò)收集資料和地質(zhì)調(diào)查訪問(wèn)，初步確定采空區(qū)的分布區(qū)域及大致位置，根據(jù)物探及鉆探驗(yàn)證確定相對(duì)準(zhǔn)確的位置和邊界。

物探方法的選擇應(yīng)結(jié)合地形、采空區(qū)埋深及地球物理前提條件，在采空區(qū)調(diào)查訪問(wèn)的基礎(chǔ)上，合理選擇物探方法和布置物探工作量。每種物探方法都有其適用范圍和特點(diǎn)，且物探解釋具有多解性，單一的物探方法往往得不到確切的結(jié)論。因此，對(duì)于分布較復(fù)雜的古窯及小型采空區(qū)，有必要選用兩至三種適宜的物探方法進(jìn)行適當(dāng)組合來(lái)提高勘測(cè)精度。

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TheSurveyingMethodsandApplicationfortheAncientandModernsmall-scaleGoaf

ZHANG Li-qin LI Guo-he MIAO Qing-ku

2014-04-08

張立琴(1969—)，女，1991年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)煤田地質(zhì)與勘探專(zhuān)業(yè)，講師。

1672-7479(2014)04-0058-03

P631

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