肖超,魏臺桂,趙婷婷,鐘鑫,張耀,張赫然
(美麗華夏生態(tài)環(huán)境科技有限公司,北京 100176)
隨著我國經(jīng)濟的快速增長,伴隨著對煤炭能源的高速開采與利用但也隨之帶來對環(huán)境的破壞。煤炭資源的儲存量在國內(nèi)的石化能源中占比高達(dá)94%以上(中國工程院項目組,2011)。近些年來新能源雖然不斷被發(fā)現(xiàn)與利用但今后10 年內(nèi)煤炭資源在能源行列還是占到很大的比重(郎學(xué)聰?shù)龋?020)。在煤炭開采完后會形成大小不一的空洞,隨著時間的增長伴隨而來的地質(zhì)災(zāi)害也不斷發(fā)生,地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害對人民財產(chǎn)安全帶來重大威脅,同時也對自然景觀造成極為嚴(yán)重的破壞(類磊,2020)。
本文以寧武縣東寨鎮(zhèn)寺耳溝煤礦為例,通過現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合瞬變電磁、鉆探等多種手段進行勘查驗證,用以了解和掌握采空區(qū)及周邊的巖層特征、地質(zhì)構(gòu)造,確定采空區(qū)的深度、規(guī)模、和影響范圍等信息,通過物理力學(xué)計算結(jié)果和開采條件判別法對采空區(qū)地表穩(wěn)定性進行評估(梁芳敏等,2014;田玉新和李帥,2019)。
勘查區(qū)位于呂梁山脈北端,管涔山東麓,地處黃土高原東部邊緣。區(qū)內(nèi)地形總體西高東低、北高南低。標(biāo)高為1578~2034 m,最低點位于勘查區(qū)中部汾河谷底,最高點位于勘查區(qū)最北端山頭上,相對高差456 m。地理坐標(biāo):東經(jīng)112°03′~112°07′、北緯38°47′~38°51′??辈閰^(qū)內(nèi)地層由老至新為:下古生界奧陶系中統(tǒng)下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)和峰峰組(O2f),上古生界石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)、上統(tǒng)太原組(C3t),二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)、下統(tǒng)下石盒子組(P1x)、上統(tǒng)上石盒子組(P2s),新生界第四系上更新統(tǒng)(Q3)及全新統(tǒng)(Q4)地層。
勘查區(qū)位于汾河源頭生態(tài)保護區(qū)內(nèi),2008 年后區(qū)內(nèi)已有煤礦均已關(guān)閉或停止開采。由于開采歷史較早,開采時間跨度大,開采狀況復(fù)雜,老窯較多,空洞的規(guī)模、深度、位置均不能確定,且開采深度淺,易造成地面塌陷及地裂縫的發(fā)育。
據(jù)其開采歷史及方式大致分為3 類:古采空區(qū)、私人小窯采空區(qū)、2008 年整合前煤礦采空區(qū)。主要開采2#、5#煤層,局部開采4#煤層。古采空區(qū)其開采時間基本在20 世紀(jì)80 年代以前,由于后期順煤層露頭露天開挖,其淺部采空基本已破壞,最深處采空平均采深不超過50 m。私人小煤窯主要集中開采于2003—2007 年,其開拓基本為露頭淺部平巷,生產(chǎn)中以自然通風(fēng)為主,其最遠(yuǎn)巷道沿走向不超過200 m。整合前煤礦開采方式主要為井工開采,最深處采空平均采深約100~200 m。大部分為20 世紀(jì)70—90 年代集體開采,部分煤礦開采歷史可追溯到建國初期,均已于2008 年之前進行關(guān)閉。
為保證勘查工作的有效性,結(jié)合勘查區(qū)所處的地質(zhì)環(huán)境條件,本文主要探討采用物探與鉆探工程兩者相結(jié)合勘察方法,旨在工程運用結(jié)合實例來說明勘查方法的可行性和實際效果(丁宗煒,2020)。采空區(qū)工作部署流程見圖1。
圖1 采空區(qū)勘查工作部署流程圖
針對采空區(qū)范圍內(nèi)礦采活動形成的礦山地質(zhì)環(huán)境問題進行了相關(guān)資料的收集和走訪當(dāng)?shù)卮迕瘢私獠擅簹v史、小窯分布、煤層自燃、地面塌陷及危害情況。
瞬變電磁工程在勘查區(qū)內(nèi)布設(shè)上由于采空區(qū)在空間分布上較為繁雜凌亂、地形起伏多變、溝壑縱橫,切割形成溝谷深陡,使有些測量點無法按照設(shè)計布置造成棄點或測點偏移。局部地表高程和煤層埋深變化很大,給地面電法的資料處理和異常解釋精度會形成較大影響,采取具體的措施是在資料處理中進行高程校正和順層切片。瞬變電磁法對勘查區(qū)進行面積性的掃面工作,確定異常區(qū)后,進一步確定異常區(qū)的范圍和性質(zhì),確保解釋結(jié)果的可靠性(李繼強,2019;楊勇和陳清通,2017;李健,2020)。
在布置測線方向盡可能垂直被探測體的走向,在已有勘探工程或設(shè)計有勘探工程時,應(yīng)盡可能將測線垂直設(shè)計在地質(zhì)勘探線上;測網(wǎng)密度與工作比例尺應(yīng)根據(jù)任務(wù)的性質(zhì)和探測對象的大小及其異常的特征來確定,同時并應(yīng)盡量與已經(jīng)完成的地質(zhì)工作或其他物探方法的工作比例尺取得一致,一般可將測線間的實際距離縮成1cm 時縮尺為其相應(yīng)工作比例尺(鄭建烽,2020)。
鉆探主要布置在物探解譯結(jié)果圈定采空區(qū)大致范圍內(nèi)或有代表性的區(qū)域中,并通過鉆孔對物探解譯結(jié)果進行驗證(王騰飛,2019)。鉆孔布置應(yīng)根據(jù)地形、空洞、構(gòu)造斷裂帶等不良因素綜合考慮,鉆孔孔深要打穿空洞冒落堆積物打至底版設(shè)計標(biāo)高5~10 m。鉆孔應(yīng)布設(shè)于踩空區(qū)上部30~50 m 范圍上的山體中,防止因施工帶來采空區(qū)塌陷對人員及設(shè)備造成危害。鉆孔橫斷面位置和數(shù)量,一般每100 m 設(shè)一個鉆孔,每個工段最少設(shè)2~3 個鉆孔以控制踩空區(qū)邊緣位置,也可根據(jù)公式(1)H=0.5kl,進行鉆孔布設(shè)。公式(1)中H為鉆孔布設(shè)距離,K為安全系數(shù),L為采空區(qū)寬度,P為采空區(qū)受壓,單位MPa,KP為巖石抗拉強度,單位MPa。鉆機選擇根據(jù)不同的解譯深度選擇不同的鉆機類型(程慧慧,2020;李雄偉,2020)。
瞬變電磁在不同地質(zhì)條件下的衰減曲線類型不同,通過對衰減曲線分類,可以初步確定勘查區(qū)的地層變化情況。本次瞬變電磁法衰減曲線類型主要有兩類,一類曲線中段衰減較慢,說明測點處的地層電阻率較低,另一類曲線從中段到尾支衰減較快,說明測點處的地層電阻率較高,從側(cè)面可以反映出采空區(qū)及未采區(qū)的區(qū)別(張三敏等,2014;葉兆勇和袁世沖,2019)。
圖2 測線瞬變電磁綜合剖面圖
圖3 視電阻率等值線平面圖
從瞬變電磁綜合剖面圖(圖2)上,中、晚期測道曲線在7~10#點即70~110 m 處出現(xiàn)低電壓值異常,異常幅度較??;經(jīng)與擬視電阻率斷面數(shù)據(jù)比對,在100 m 深度附近位置處,70~110 m 處等值線的視電阻率值較高,且大于200 Ω·m,結(jié)合地表情況及地質(zhì)資料分析認(rèn)為:70~110 m 處附近有地表塌陷,推測該異常是采空區(qū)引起的高視電阻率異常的反映。
從視電阻率等值線平面圖(圖3)可以看出,整個平面圖樣本數(shù)為1369 個,視電阻率在87.21~220.6 Ω·m(電阻率)范圍內(nèi),變化幅度較大,平均視電阻率約為110.29 Ω·m,標(biāo)準(zhǔn)偏差23.17 Ω·m,根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計分析,參考上述劃分異常的標(biāo)準(zhǔn)即為小于平均值減1/3 偏差即高于120 Ω·m 的區(qū)域為相對高阻異常區(qū)。按上述標(biāo)準(zhǔn)分別劃分高阻異常區(qū)在圖中顯示為紅色圈定區(qū)域,較為明顯的一處高阻異常區(qū)。后經(jīng)實際調(diào)查,異常區(qū)為鉆孔ZK03揭露采空,無積水,無充填,因此,異常區(qū)的可靠性較高。
圖4 寺耳溝煤礦鉆孔剖面圖
通過鉆孔驗證ZK02 鉆孔存在1 次掉鉆現(xiàn)象,經(jīng)分析:采空區(qū)位于53.80~56.15 m,厚度約2.35 m;ZK05 鉆孔采空區(qū)位于77.00~89.55 m,厚度約12.55 m。ZK11 鉆孔存在兩次掉鉆現(xiàn)象,第1 次掉鉆為4號煤層處,位于43.26~47.26 m,厚度約4 m;第2 次掉鉆為5 號煤層及其頂板冒落帶處,位于61.52~64.00 m,厚度約2.48 m(圖4)。
按照《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》。本文采用開采條件判別法(白云等,2019;安文偉,2019;羅佳竺等,2019;崔楊洋和梁卓,2020)通過終采時間、變形特征、頂板巖性及松散層厚度對采空區(qū)地表穩(wěn)定性進行評估(表1,表2,表3)。
表1 按終采時間確定采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級
表2 按變形特征確定采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級
表3 按頂板巖性及松散層厚度確定淺采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級
表4 采空區(qū)穩(wěn)定性評價
圖5 采空區(qū)及窯口平面位置分布圖
T為地表移動延續(xù)時間,無實測資料時按照下列公式確定:
H0為采空區(qū)平均采深,礦區(qū)內(nèi)H0都小于400 m,因此,采用公式(2)計算地表移動延續(xù)時間T。
勘查區(qū)及周邊共有廢棄煤礦3 座,共有進回風(fēng)井口和窯口26 個。結(jié)合收集到的采空區(qū)資料,本次瞬變電磁圈定的采空區(qū)基本分布在70~130 m 深度范圍內(nèi),采空區(qū)面積為15000 m2。一般采深小于50 m,局部采深大于等于50 m 小于200 m,同時采深采厚比小于30,存在多層復(fù)采,屬淺層采空區(qū),地表發(fā)生不連續(xù)變形的可能性大。依據(jù)開采條件判別法,治理區(qū)內(nèi)采空區(qū)已全部處于穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定性評價結(jié)果見表4,采空區(qū)及窯口分布見圖5(陳明剛和李賢飛,2019;唐鶴鳴,2019;張永雨,2020)。
(1)文中提出了物探先行鉆探驗證的工作方法,在前期基礎(chǔ)調(diào)查配合瞬變電磁圈定采空區(qū)范圍,然后結(jié)合鉆孔驗證,綜合多種勘查手段相互驗證??焖儆行У拇_定了采空區(qū)的空間位置,并做出了相應(yīng)的穩(wěn)定性分析給后期治理工作奠定了扎實的基礎(chǔ)。
(2)采空區(qū)的頂板局部區(qū)域進入了塑性屈服,沒有發(fā)生整體的破壞情況,現(xiàn)狀下模型較為穩(wěn)定。因采空區(qū)具有煤層燃火現(xiàn)狀如果不能及時治理,煤層燃燒后導(dǎo)致踩空區(qū)擴張不排除后期繼續(xù)發(fā)生變形塌陷等災(zāi)害。
(3)實踐證明,以瞬變電磁法作為主要勘察手段,測定出勘查區(qū)內(nèi)的地下采空區(qū)情況,并以鉆探工程作為輔助手段對勘察結(jié)果加以驗證的勘察方法,能夠在控制勘察成本的同時,較快速的得到地下采空區(qū)的大致空間展布情況及規(guī)模情況。