徐貴娃

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧沈陽110015）

小型煤礦采空區(qū)勘察評價方法的探討

徐貴娃

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧沈陽110015）

通過對小型煤礦采空區(qū)勘察，選擇多種勘察方法進行勘察驗證采空區(qū)的各項特征，進行分析評價給出準確性結論和合理化建議，對類似小型煤礦采空區(qū)勘察具有一定的指導意義。

小型煤礦采空區(qū)；工程物探；分析評價

0 引言

近些年來，隨著煤炭市場需求，地方煤炭資源的開采不斷加大，小型煤礦亂采、盜采越界開采現(xiàn)象時有發(fā)生。隨著政府及國土部門的打擊力度加大，該現(xiàn)象基本上得到解決，但是遺留下來的滿是瘡痍的采空區(qū)及采空巷，給當?shù)氐乇斫ㄖ霸O施帶來了嚴重的影響。如何準確勘察小型煤礦采空區(qū)及采空巷的分布特征及評價采空區(qū)危害性是我們工作的重點，也是我們值得探討的話題。以遼寧省鳳城市某礦區(qū)采空區(qū)勘察評價為例，系統(tǒng)地對小型煤礦采空區(qū)勘察評價的方法進行討論及分析。

1 小型煤礦采空區(qū)特征

煤礦采空區(qū)一般是指在煤礦作業(yè)過程中，將地下煤炭或煤矸石等開采完成后留下的空洞或空腔[1]。小型煤礦采空區(qū)就是指那些開采規(guī)模小、盜采盜挖形成的不規(guī)律分布廣的采空區(qū)。鳳城某礦區(qū)所在區(qū)域地形地貌類型為構造剝蝕低丘和山間沖洪積谷地。該區(qū)域海拔在257.2～430.0 m，地形坡度15°～22°，高差約160 m。本區(qū)地層總體分為3個部分，分別為煤系地層（中生界侏羅系）；煤系地層的基底巖層（上元古界青白口系和古生代寒武系、奧陶系地層）；煤系地層上覆地層（新生代第四系）。而礦區(qū)可采煤層賦存于中生代侏羅系中統(tǒng)大堡組和下統(tǒng)長梁子組[2]。具體煤層分布特征見表1。

通過煤層賦存特征，加之當?shù)氐匦蔚孛?，煤層出露在剝蝕低丘底緣，就導致該區(qū)域開采后形成的采空區(qū)分布的幾個特征。①采煤歷史悠久，自日滿時期，就開始采煤活動，陸陸續(xù)續(xù)幾十年未間斷；②采空區(qū)埋藏淺，分布不連續(xù)，盜采平峒分布廣，采煤隨意性大；③煤層厚度不大，分布不連續(xù)，采煤無規(guī)律，形成大規(guī)模開采有難度，正規(guī)礦山開采規(guī)模均小于10萬t/a；④開洞即可見煤，導致盜采越界開采比較嚴重，地下已經(jīng)不同程度上形成蜂窩狀的采空洞；⑤收集資料有限；僅能從正規(guī)開采礦山收集到煤層分布特征等，對西安有村莊、道路地帶均無采煤資料記載；⑥現(xiàn)有地表房屋房齡相差較大，老房齡險房分布也較多，地表沉降及地面塌陷調(diào)查難度也較大。

2 采空區(qū)勘察方法的初選及驗證

采空區(qū)常用的勘察方法為收集資料、現(xiàn)場調(diào)查、物探、鉆探等。針對鳳城煤礦礦區(qū)，采取動態(tài)勘察的思想理念，把常用的幾種方法根據(jù)勘察的結果很好的結合起來。這樣既可以做好采空區(qū)勘察工作，又能節(jié)省時間。首先，根據(jù)現(xiàn)有的資料進行調(diào)查、走訪、把這些都反映在圖紙上。根據(jù)圖紙和村莊分布進行物探方法的選擇和布線調(diào)整。物探結束后，根據(jù)結果進行工程鉆探驗證，根據(jù)驗證結果再增加物探的補充勘察及地表的調(diào)查及走訪。這種動態(tài)的循環(huán)式的勘察在本次勘察中得到了很好的效果。它不是單一的每一項工作接續(xù)進行，而是通過相互關系反復相互驗證去真實地反映地下采空區(qū)的分布。具體為以下幾個方面。

表1 鳳城煤礦礦區(qū)煤層分布特征

1）收集資料、調(diào)查走訪、確定物探方法。通過周邊生產(chǎn)煤礦的地質(zhì)報告及開采方法，了解該地區(qū)地質(zhì)構造、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)的概況。認定采空區(qū)類型至少為充水型及非充水型。通過現(xiàn)場調(diào)查，了解到濫采現(xiàn)象比較嚴重，基本上以巷道開采為主，局部采用常規(guī)支護為主，個人濫采煤層以大堡組為主，過去遺留開采以長梁子組煤層為主，這就說明采空區(qū)分布的立體空間范圍較大，從幾米到上百米。通過走訪當?shù)鼐用瘢敬_定地表沉降范圍及地面塌陷位置。根據(jù)以上基本內(nèi)容我們采取了高密度電法、瞬變電磁法及淺層地震法。高密度電法即是高密度電阻率法，它是以巖、土導電性的差異為基礎，研究人工施加穩(wěn)定電流場的作用下地下傳導電流分布規(guī)律的一種電探方法[3]，礦區(qū)典型剖面如圖1。近些年來，探測采空區(qū)使用該方法比較普遍，得到的數(shù)據(jù)比較準確，適用于大范圍、寬廣的采空區(qū)探測上，但是對于小型煤礦及濫采煤炭資源形成的采空區(qū)來說，尤其在村鎮(zhèn)范圍內(nèi)，受高壓電線、地表建（構）筑物影響，布置勘探線會出現(xiàn)不連續(xù)及局限性，從而影響精度和結果。再一個對充水型采空區(qū)來說，高密度電法顯現(xiàn)出來也是異常電阻，干擾正常分析判斷，所以我們也選取瞬變電磁法進行探測。瞬變電磁法（簡稱TEM）：利用不接地回線或按地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場的間歇期間，利用回線或電極觀測二次渦流場的方法[4]。針對充水型采空區(qū)探測采用該方法是最有效的方法之一,通過該方法及高密度電法的相互補充及驗證，分析出該小型礦區(qū)采空區(qū)充水型和非充水型采空區(qū)的分布解析圖。為了更好地驗證以上2種方法，最后選取了淺層地震法對疑似探明采空區(qū)位置進行了探測。淺層地震法是利用地震波的折射原理，對淺層具有波速差異的地層或構造進行探測的一種地震勘探方法，簡稱淺層折射波法[5]。

圖1 高密度電法試驗線剖面

2）根據(jù)物探結果和地表調(diào)查結果進行工程鉆探驗證，借用井下電視等方法進行綜合分析和勘察。本礦區(qū)采空區(qū)分布零散且不能直接下洞直觀觀察，采用工程鉆探可以解決這類問題并對物探結果進行驗證。但是難點在于工程鉆探的布置孔位位置的選擇，我們通過物探的結果，再分析調(diào)查走訪的情況進行對比分析布置了16個工程鉆孔。具體實施中，發(fā)現(xiàn)部分鉆孔的選擇不具備代表性，為了更好地完成本次勘察工作，項目組及時變更了鉆孔位置。本次勘察工程鉆探驗證選擇主要是以下幾個方面：①物探幾種方法重疊的異常區(qū)或?qū)Ρ葮藴势拭婧罂梢源_認的采空區(qū)位置；②地表調(diào)查走訪能夠確認的地面沉降、地面塌陷的地段，居民認為存在放炮振動嚴重的地段；③不同類型異常區(qū)的地段或針對地表房屋出現(xiàn)墻體開裂、田地地裂縫等地段綜合考慮；④結合諸多因素，盡量少打孔，布置廣，預留1~3個孔位最后再根據(jù)完成情況進行鉆探。針對采空區(qū)勘察來說，巖芯采取率很主要，完整巖石建議達到95%，對于采空區(qū)三帶特征地段，建議達到75%以上。但是實際工作當中會發(fā)現(xiàn)，針對小礦、盜采井巷等來說，往往鉆探取芯上來不是很明顯，對于明顯掉鉆、冒泡等厚度較大的采空區(qū)來說可以直接判斷；對于已充填已塌落的采空來說，不好界定。這樣我們就應該選擇其他輔助方法進行進一步的探明。本次就采用了井下電視方法。井下電視測井以其直觀性、及時性和準確性的特點，優(yōu)于其它方法測井，越來越受到用戶的歡迎[6]。針對采空區(qū)勘察效果比較顯著，尤其是非充水型采空區(qū)，井下電視圖像十分清晰直觀。工程鉆探與井下電視對比如圖2、圖3。

圖2 井下電視及鉆探巖芯顯示礫巖層巖組

圖3 井下電視及鉆探巖芯顯示煤層采空層巖組

通過多種方法基本上可以確定采空區(qū)分布的空間特征、地層巖性、地質(zhì)構造及地表破壞情況等，不僅提高了可信度，為下一步分析評價采空區(qū)穩(wěn)定性奠定了堅實的基礎。

3 采空區(qū)分析評價

小型煤礦存在的采空區(qū)很不規(guī)律，采空區(qū)形成的原因、時間不同，所處的狀態(tài)不同、對地面建筑的危害也有很大不同。所以針對采空區(qū)進行評價時，單一的方法評價不能滿足所有要求，需要綜合考慮。

1）應確定采空區(qū)影響范圍。按《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》地表移動特征所示，利用采空區(qū)的位置反推地表移動盆地影響范圍，巖層的影響范圍應按走向移動角δ、下山移動角β，上山移動角γ從采空區(qū)頂板巖層逐層向上推算，當基巖上覆蓋有松散層時，應將最外邊的一個點沿最頂層基巖面按φ角向地表推算出地表移動盆地影響范圍[7]。

2）研究采空區(qū)覆巖移動和地表下沉特征，對殘留空洞進行穩(wěn)定性分析。本礦區(qū)盜采亂采情況嚴重，存在小窯“禮堂式”開采形成的采空區(qū)，小窯“禮堂式”開采主要以巷道式或短壁式開采方式為主。采空區(qū)的地表下沉形式主要有塌陷坑和塌陷盆地兩種形式。塌陷盆地一般是一個不深、開闊的盤狀凹地，它是由于煤柱被壓壞或壓入頂、底板導致覆巖向下垮落或彎曲下沉而形成的。老采區(qū)失穩(wěn)破壞并導致地面塌陷的主要機理為：煤柱壓入底板和底鼓、煤柱破壞、頂板的塌陷。不同的破壞機制將造成不同的地面塌陷形態(tài)。了解礦區(qū)采空區(qū)地表下沉特征后，進行殘留空洞的穩(wěn)定性分析。按《巖土工程勘測設計手冊》中的經(jīng)驗公式來判別判定頂板巖層塌陷的可能性：計算時不考慮上覆巖土體的粘聚力，內(nèi)摩擦角為綜合內(nèi)摩擦角。本礦區(qū)充水型采空區(qū)頂板塌陷安全系數(shù)0.6～1.1，均小于1.5?？辈靺^(qū)域內(nèi)的各個采空區(qū)上頂板巖層均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，頂板巖層有塌陷的可能性。

3）要進行采空區(qū)地面塌陷、地裂縫評價、采空區(qū)地表變形特征評價。一般來說，煤層開采后覆巖的原始平衡遭到破壞。在上覆巖層自重和原始應力的作用下，巖層經(jīng)一系列的移動、變形與破壞后直至達到新的平衡。巖層的移動、變形與破壞主要受巖性條件及開采條件的影響，上覆巖層移動區(qū)域具有明顯的分帶性，分別稱為跨落帶（冒落帶）、導水裂隙帶、彎曲帶。

按照小窯采空區(qū)垮落高度計算公式和《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》公式分別計算頂板坍塌的最大高度。不同的上覆巖層垮落方式，其垮落的最大高度不同。假設垮落的破碎巖塊能全部充滿采空區(qū)，則垮落的最大高度可按覆巖為矩形坍塌區(qū)、楔形坍塌區(qū)、錐形坍塌區(qū)的公式估算。該地區(qū)煤層頂板以上的巖石基本為中等堅硬巖層，局部為較軟~軟巖層，按覆巖為矩形考慮坍塌區(qū)的最大高度，巖石碎漲系數(shù)K按經(jīng)驗取值1.20考慮。再根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》，本礦區(qū)煤層頂板基本為中等堅硬巖石，跨落帶和導水裂隙帶由附錄F計算得出[8]。為定量分析開采后地表變形特征，依據(jù)國家煤炭工業(yè)局制定的三下《規(guī)程》中的經(jīng)驗公式，對各煤層開采后地表最大移動、變形和傾斜值進行預測。根據(jù)分析結果礦區(qū)地表沉降將達到1 040~1 255 mm，最大水平位移達到312~377 mm，地面影響半徑將達到15.0~29.1 m。充水型采空在地下水長期作用下，頂板圍巖可能發(fā)生突然性塌落，地表將形成地表盆地或塌陷坑。

小型煤礦采空區(qū)勘察除了以上工作，還應注意地表房屋的破損性調(diào)查、采空區(qū)現(xiàn)狀發(fā)育的分布特征及危害程度，可能引起采空區(qū)“活化”現(xiàn)象的因素分析等。

4 明確勘察結論，提出合理化建議

針對小型煤礦采空區(qū)勘察評價的結論，把各項工作的結論總結在一起，充分體現(xiàn)勘察評價的完整性和準確性。在結論中，不僅說明礦區(qū)的水文、氣象、地形地貌、地質(zhì)構造、巖土體水文地質(zhì)工程地質(zhì)性質(zhì)、含煤地層及頂?shù)装迩闆r、周邊開采情況等，還應把收集調(diào)查的地表地物形態(tài)、現(xiàn)狀地面沉降、地面塌陷發(fā)育特征及正規(guī)開采礦山、停采礦山及盜采位置關系等。通過這些勘察方法，及每種方法得出的結論及建議。最后通過現(xiàn)有評價方法針對不同的采空區(qū)類型進行采空區(qū)的危害性評價，并提出下一步治理或避讓等合理化建議。

5 結論

探討鳳城市某小型煤礦采空區(qū)的勘察評價方法，來分析小型煤礦采空區(qū)的勘察評價方法的選擇及優(yōu)化，具體為以下幾個方面。

1）接到任務委托后，要從充分分析礦區(qū)含煤地層及頂?shù)装迩闆r，地表破壞情況，制定詳細的勘察綱要。

2）要充分收集現(xiàn)有煤礦、區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)等資料、調(diào)查走訪礦區(qū)及周邊人類活動情況，全面做好記錄。

3）選擇合適的地球物理勘探方法，最好是2種或2種以上方法相互驗證相互分析。

4）進行工程地質(zhì)鉆探、取樣化驗、井下電視及測井等手段對物探結果進行驗證分析。

5）結合以上工作，預留少量工程量進行反復論證，結論充分后給出采空區(qū)的分布特征、發(fā)育情況。

6）對采空區(qū)危害性評價一定要多元化評價，小型煤礦采空區(qū)形成先后時間長，類型多、分布廣、比較復雜化。分析評價后給出準確性結論和合理化建議。

隨著鳳城市小型煤礦采空區(qū)勘察項目工程驗收，證明了該勘察方法可行，對類似小型煤礦采空區(qū)勘察具有一定的指導意義。

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【責任編輯：解連江】

Discussion on investigation evaluation method in the small coal mine goaf

XU Guiwa
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Through investigating small coal mine goaf,we choose a variety of investigation methods to verify the characteristics of goaf,and give the accurate conclusions and suggestions,which has a certain directive significance to the similar small coal mine goaf.

small coal mine goaf;engineering geophysical prospecting;analysis and evaluation

TD854

B

1671－9816（2017）02－0034－04

徐貴娃.小型煤礦采空區(qū)勘察評價方法的探討［J］.露天采礦技術，2017，32（2）：34－37.

2016－07－19

徐貴娃（1980—），男，內(nèi)蒙古科左后旗人，注冊巖土工程師，學士，畢業(yè)于遼寧工程技術大學地質(zhì)工程專業(yè)，從事巖土工程及地質(zhì)災害評估勘察設計施工工作。

DOI∶10.13235/j.cnki.ltcm.2017.02.010