甘志超

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

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東北地區(qū)淺層老采空區(qū)綜合勘察技術(shù)應(yīng)用研究

甘志超

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]結(jié)合吉林省遼源市某棚戶區(qū)改造工程下伏淺層采空區(qū)，采用高密度電法、鉆探和彩色鉆孔電視觀測(cè)的綜合勘察技術(shù)，通過高密度電法準(zhǔn)確地查明了淺層老采空區(qū)的平面分布;通過鉆探與彩色鉆孔電視觀測(cè)查清了老采空區(qū)及其上覆巖層空洞與裂縫的發(fā)育現(xiàn)狀，為地面工程的規(guī)劃建設(shè)提供了基礎(chǔ)資料與依據(jù)。物探+鉆探+彩色鉆孔電視觀測(cè)的綜合勘察技術(shù)可以為類似的淺層老采空區(qū)勘察提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]淺層；老采空區(qū)；高密度電法；彩色鉆孔電視

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.003

[引用格式]甘志超.東北地區(qū)淺層老采空區(qū)綜合勘察技術(shù)應(yīng)用研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：11-14.

東北地區(qū)采礦歷史久遠(yuǎn)，在地下淺部遺留下大量的老采空區(qū)。隨著一些資源城市的發(fā)展，由于土地資源的緊張，許多建(構(gòu))筑物的建設(shè)都會(huì)涉及淺部老采空區(qū)，為了確保建(構(gòu))筑物安全，查明老采空區(qū)的分布及其現(xiàn)狀是重要的基礎(chǔ)工作，為后期的評(píng)估與設(shè)計(jì)等工作提供依據(jù)。

勘察淺部老采空區(qū)主要利用物探和鉆探。通過物探方法查明采空區(qū)的平面分布，鉆探則主要是查清老采空區(qū)及其覆巖垮落的現(xiàn)狀。物探方法中又以高密度電法、淺層地震法和地質(zhì)雷達(dá)等3種方法為主。國內(nèi)學(xué)者在不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件下開展了高密度電法探測(cè)老采空區(qū)的應(yīng)用研究，取得了較好的效果[1-5]。陳鋼、孫洪星等在淺層地震探測(cè)采空區(qū)方面進(jìn)行了正演與應(yīng)用方面的研究工作[6-7]。孫林利用高密度電法和淺層地震法對(duì)兩層煤層的采空區(qū)進(jìn)行了探測(cè)，取得了較好效果[8]。程久龍研究了強(qiáng)電磁干擾區(qū)探地雷達(dá)探測(cè)采空區(qū)的處理技術(shù)[9]。國內(nèi)學(xué)者研究利用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)高速公路和露天煤礦下伏的老采空區(qū)[10-12]。朱超研究了利用鉆探和物探方法勘察淺層采空區(qū)[13]。

本文結(jié)合吉林省遼源市某棚戶區(qū)改造工程下伏淺層采空區(qū)勘察工程，探討東北地區(qū)淺層老采空區(qū)的綜合勘察技術(shù)。

1淺層老采空區(qū)地質(zhì)與電性特征

1.1　淺層老采空區(qū)地質(zhì)特征

淺層老采空區(qū)開采時(shí)間大多較早，一般為小型煤礦開采形成；埋深淺(<50m)，開采厚度一般為1~3m，上覆巖層沒有明顯的破壞變形，開采方式多為人工和半機(jī)械化，留有煤柱進(jìn)行支撐。隨著時(shí)間的延長和地面載荷加大，原來預(yù)留的煤柱可能蠕變失穩(wěn)，造成地面突然塌陷，引發(fā)安全事故。

勘探區(qū)位于吉林省遼源市，為工礦棚戶區(qū)改造項(xiàng)目，擬建建筑采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)采礦資料，勘探區(qū)開發(fā)歷史久遠(yuǎn)，區(qū)內(nèi)分布有十余處偽滿時(shí)期遺留的廢舊礦坑；采空區(qū)部分形成于1945年以前，有的是在解放后開采形成的。采空區(qū)埋深20~50m。

勘探區(qū)內(nèi)地層自上而下依次為：

第四系(Q4)為黏土、亞黏土和亞砂土，厚度在15.0～30.0m之間。

第三系(R)以玄武巖為主，還有同期異相之輝綠玢巖侵入體，厚度0～200m。

白堊系(K1)主要由粗砂巖、礫巖和粉砂巖組成，厚度約400m。

晚侏羅系(J3)由兩個(gè)含煤組組成。

遼源組(長安組)厚度350～700m，由泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖和煤組成，一般含煤2～5層，其中主要可采煤層兩層，其厚度在8.0～25.0m之間。

仙人溝組(安民組)厚度100～600m，由凝灰?guī)r、火山角礫巖、安山巖、玄武巖組成。

志留奧陶系(S1-O3)由花崗片麻巖、石英片巖、大理巖等變質(zhì)巖組成，構(gòu)成上侏羅統(tǒng)煤系基底。

勘探區(qū)內(nèi)主要可采煤層特征見表1。

表1　可采煤層特征

1.2　淺層老采空區(qū)電性特征分析

煤層開采后多數(shù)采空區(qū)會(huì)發(fā)生頂板垮落，形成垮落帶、裂縫帶和彎曲帶。當(dāng)開采面積小，煤層頂板不垮落(如房柱式采煤)時(shí)，則采空區(qū)以不充水或充水的空洞形式保存下來。無論采空區(qū)頂板垮落與否，煤層開采改變了地層的物性結(jié)構(gòu)，并且會(huì)受地下水的影響，使得采空區(qū)及其覆巖的電性特征發(fā)生顯著變化。

在煤田采空區(qū)勘探中，采空區(qū)的孔隙度及其連通性、含水飽和度及其礦化度是決定采空區(qū)電阻率的主要因素。當(dāng)采空區(qū)中空洞發(fā)育，其連通性較好，無水或是泥質(zhì)等低阻介質(zhì)充填時(shí)，采空區(qū)的電性特征應(yīng)表現(xiàn)為高阻；當(dāng)采空區(qū)中空洞發(fā)育，連通性又較好，有礦化度較高的地下水或是泥質(zhì)等介質(zhì)充填時(shí)，采空區(qū)的電性特征應(yīng)表現(xiàn)為低阻。老采空區(qū)及其與圍巖地層的電性特征差異，是利用高密度電法對(duì)淺層老采空區(qū)進(jìn)行勘察的前提。

1.3　勘察方案

在勘探區(qū)內(nèi)，地面比較平坦，接地條件較好，電力線等較少，但存在部分拆除的房屋，勘探區(qū)的老采空區(qū)大部分埋深在20~50m。根據(jù)勘探區(qū)的地面條件和地質(zhì)任務(wù)，采用高密度電法+鉆探+彩色鉆孔電視的綜合勘察方法，通過高密度電法查明采空區(qū)的平面分布，通過鉆探和彩色鉆孔電視觀測(cè)查清老采空區(qū)及其上覆巖層空洞、裂縫的發(fā)育情況及其充填情況。

2高密度電法探測(cè)

2.1　高密度電法測(cè)線布置

高密度電法選用驕鵬公司生產(chǎn)的E60-DN型高密度電法儀。在勘探區(qū)內(nèi)施工完成高密度電法剖面77條，測(cè)點(diǎn)間距5m，共完成勘探剖面長度36240m。部分區(qū)域受地表建筑物與硬化場(chǎng)地影響未進(jìn)行探測(cè)，但基本未影響測(cè)線對(duì)測(cè)區(qū)的平面控制。

2.2　高密度電法探測(cè)成果

圖1為高密度電法N11線視電阻率反演剖面圖。該測(cè)線方向?yàn)樽员毕蚰?，從反演剖面圖來看，視電阻率在橫向上出現(xiàn)幾處低阻異常，在垂向上呈層狀分布。在測(cè)線方向50~210m，深度10~30m范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)明顯的低阻異常，ZK03鉆孔對(duì)該異常進(jìn)行了驗(yàn)證，該鉆孔終孔深度40m，見煤層，未見采空區(qū)，分析該低阻異常為強(qiáng)風(fēng)化泥巖引起。在測(cè)線方向230~370m，深度50~70m的范圍出現(xiàn)明顯的低阻異常，ZK05鉆孔對(duì)該異常進(jìn)行了驗(yàn)證，該鉆孔終孔深度68m，見采空區(qū)，49m，55m，59m處漏水，分析該低阻異常為采空區(qū)引起，該采空區(qū)異常橫向有140m長(230~370m)，縱向有20m，視電阻率值2~12Ω·m。

圖1　高密度電法N11線視電阻率反演剖面

圖2為高密度電法N17線視電阻率反演剖面圖。該測(cè)線方向?yàn)樽阅舷虮?，從反演剖面圖來看，視電阻率在橫向上出現(xiàn)幾處低阻異常，在垂向上呈層狀分布。在測(cè)線方向0~100m，深度10~30m范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)明顯的低阻異常。ZK06鉆孔對(duì)此低阻異常進(jìn)行了驗(yàn)證，鉆孔終孔深度為40m，見采空區(qū)，未掉鉆，19～20m處漏水嚴(yán)重。分析此低阻異常為采空區(qū)引起，此處采空區(qū)異常橫向有100m長(0~100m)，縱向有10m，視電阻率值1~8Ω·m。

圖2　高密度電法N17線視電阻率反演剖面

圖3為高密度電法N60線視電阻率反演剖面圖。測(cè)線方向?yàn)樽晕飨驏|，從反演剖面圖來看，視電阻率在橫向比較均一，在垂向上呈層狀分布。高密度電法資料推斷測(cè)線上無采空區(qū)異常，但在采掘圖中，在測(cè)線方向300~360m標(biāo)示該區(qū)域在淺層有老采空區(qū)存在，在該范圍施工了鉆孔ZK10，鉆孔施工至60m終孔，未見采空區(qū)，說明高密度電法資料較可靠。

圖3　高密度電法N60線視電阻率反演剖面

3鉆探勘察

3.1　鉆孔布置

根據(jù)高密度電法成果和勘察任務(wù)，設(shè)計(jì)了12個(gè)鉆孔，一方面是對(duì)物探成果進(jìn)行驗(yàn)證，另一方面將鉆探作為一種補(bǔ)充勘察(后期的采空區(qū)治理孔)。

3.2　鉆探成果

在采空區(qū)物探異常區(qū)域布置的6個(gè)鉆孔(ZK3，ZK5，ZK6，ZK7，ZK9，ZK11)中，ZK3號(hào)孔見煤層，未見采空區(qū)；ZK5，ZK6，ZK7，ZK9號(hào)鉆孔見采空區(qū)，頂板都已經(jīng)垮落；ZK11號(hào)鉆孔未見煤層，巖芯破碎。在沒有物探異常，但根據(jù)采礦資料標(biāo)示有采空區(qū)的區(qū)域布置了1個(gè)鉆孔，即ZK10號(hào)鉆孔未見煤層(采空區(qū))。考慮對(duì)勘查區(qū)域的控制，布置了3個(gè)鉆孔，即ZK1，ZK2，ZK12號(hào)鉆孔，均未見煤層(采空區(qū))。在其他物探異常區(qū)域布置了2個(gè)鉆孔，即ZK4和ZK8號(hào)鉆孔未見煤層，原始地層破碎。在巖土勘察孔中的3號(hào)鉆孔在18m掉鉆，掉鉆4m，進(jìn)尺容易，判斷為井筒。

4彩色鉆孔電視觀測(cè)

為了更好地查清采空區(qū)及其上覆巖層的空洞與裂縫發(fā)育情況，對(duì)ZK3，ZK7，ZK8，ZK9和ZK11 5個(gè)鉆孔進(jìn)行了彩色鉆孔電視觀測(cè)。

圖4為ZK8號(hào)孔的彩色鉆孔電視觀測(cè)結(jié)果，該鉆孔從深度0m開始觀測(cè)，至38.10m結(jié)束。從圖4中可以看出，該孔深度16.64~21.88m地層破碎，裂縫十分發(fā)育，23.20~38.00m裂縫比較發(fā)育。可以看出彩色鉆孔電視能直觀地觀測(cè)到采空區(qū)及其上覆巖層的空洞和裂縫發(fā)育情況。

圖4　ZK8號(hào)孔鉆孔電視觀測(cè)結(jié)果之一

5結(jié)論

(1)對(duì)于淺層老采空區(qū)，采用物探+鉆探+彩色鉆孔電視觀測(cè)的綜合勘察技術(shù)，可以查明采空區(qū)的平面分布，查清老采空區(qū)及其上覆巖層的空洞與裂縫發(fā)育情況，為淺層老采空區(qū)的評(píng)估與治理提供基礎(chǔ)資料與依據(jù)。

(2)高密度電法在淺層老采空區(qū)的勘察中，在接地條件好的區(qū)域，可以取得準(zhǔn)確度較高的成果，可以作為查明老采空區(qū)平面分布的主要勘察手段。

(3)彩色鉆孔電視觀測(cè)成果直觀、準(zhǔn)確、精度高，是勘察老采空區(qū)及其上覆巖層空洞與裂縫發(fā)育情況的一種好方法。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

Comprehensive Exploration Technology Application of Gob in North-east Area

GAN Zhi-chao

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：Applying high-density electrical method，drilling exploration and borehole color TV，plane distribution of gob in shallow buried layer under shantytowns transformation engineering of Liaoyuan Municipality，Jilin Province was found out with high-density electrical method，caves and fissure development state of gob and its overlying strata was observed with drilling and borehole color TV，which provided basis for planning and constructing of surface engineering.Comprehensive exploration technology could provide reference for exploring shallow buried gob.

Keywords：shallow layer；gob；high-density electrical method；borehole color TV

[作者簡(jiǎn)介]甘志超(1983-)，男，四川鄰水人，助理研究員，主要從事地球物理勘探與煤礦地質(zhì)災(zāi)害防治等方面的研究工作。

[基金項(xiàng)目]國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助 (2012BAB13B02 -04)； 中國煤炭科工集團(tuán)創(chuàng)新基金項(xiàng)目 ( 2012MS004) ；天地科技技術(shù)創(chuàng)新基金(KJ-2014-TDKC-02)

[收稿日期]2015-03-16

[中圖分類號(hào)]TD15；P62

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)05-0011-04