肖超，魏臺(tái)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）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，伴隨著對(duì)煤炭能源的高速開采與利用但也隨之帶來(lái)對(duì)環(huán)境的破壞。煤炭資源的儲(chǔ)存量在國(guó)內(nèi)的石化能源中占比高達(dá)94%以上（中國(guó)工程院項(xiàng)目組，2011）。近些年來(lái)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(huì)形成大小不一的空洞，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)伴隨而來(lái)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(duì)人民財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)重大威脅，同時(shí)也對(duì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)合瞬變電磁、鉆探等多種手段進(jìn)行勘查驗(yàn)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(guò)物理力學(xué)計(jì)算結(jié)果和開采條件判別法對(duì)采空區(qū)地表穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)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(diǎn)位于勘查區(qū)中部汾河谷底，最高點(diǎn)位于勘查區(qū)最北端山頭上，相對(duì)高差456 m。地理坐標(biāo)：東經(jīng)112°03′～112°07′、北緯38°47′～38°51′。勘查區(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。

1 煤礦開采歷史

勘查區(qū)位于汾河源頭生態(tài)保護(hù)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(shí)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(shí)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(guò)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(guò)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(guó)初期，均已于2008 年之前進(jìn)行關(guān)閉。

2 勘查方案

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(yùn)用結(jié)合實(shí)例來(lái)說(shuō)明勘查方法的可行性和實(shí)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

2.1 資料收集

針對(duì)采空區(qū)范圍內(nèi)礦采活動(dòng)形成的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)資料的收集和走訪當(dāng)?shù)卮迕?，了解采煤歷史、小窯分布、煤層自燃、地面塌陷及危害情況。

2.2 瞬變電磁布設(shè)原則

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(cè)量點(diǎn)無(wú)法按照設(shè)計(jì)布置造成棄點(diǎn)或測(cè)點(diǎn)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(huì)形成較大影響，采取具體的措施是在資料處理中進(jìn)行高程校正和順層切片。瞬變電磁法對(duì)勘查區(qū)進(jìn)行面積性的掃面工作，確定異常區(qū)后，進(jìn)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(qiáng)，2019；楊勇和陳清通，2017；李健，2020）。

在布置測(cè)線方向盡可能垂直被探測(cè)體的走向，在已有勘探工程或設(shè)計(jì)有勘探工程時(shí)，應(yīng)盡可能將測(cè)線垂直設(shè)計(jì)在地質(zhì)勘探線上；測(cè)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(cè)對(duì)象的大小及其異常的特征來(lái)確定，同時(shí)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(cè)線間的實(shí)際距離縮成1cm 時(shí)縮尺為其相應(yīng)工作比例尺（鄭建烽，2020）。

2.3 鉆探工程布設(shè)原則

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(guò)鉆孔對(duì)物探解譯結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)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(jì)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(lái)采空區(qū)塌陷對(duì)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(gè)鉆孔，每個(gè)工段最少設(shè)2～3 個(gè)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(jìn)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(qiáng)度，單位MPa。鉆機(jī)選擇根據(jù)不同的解譯深度選擇不同的鉆機(jī)類型（程慧慧，2020；李雄偉，2020）。

3 勘查結(jié)果和分析

瞬變電磁在不同地質(zhì)條件下的衰減曲線類型不同，通過(guò)對(duì)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(shuō)明測(cè)點(diǎn)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(shuō)明測(cè)點(diǎn)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(cè)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(cè)道曲線在7～10#點(diǎn)即70～110 m 處出現(xiàn)低電壓值異常，異常幅度較小；經(jīng)與擬視電阻率斷面數(shù)據(jù)比對(duì)，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(cè)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(gè)平面圖樣本數(shù)為1369 個(gè)，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(jì)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?yàn)橄鄬?duì)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(shí)際調(diào)查，異常區(qū)為鉆孔ZK03揭露采空，無(wú)積水，無(wú)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(guò)鉆孔驗(yàn)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(hào)煤層處，位于43.26～47.26 m，厚度約4 m；第2 次掉鉆為5 號(hào)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）。

4 穩(wěn)定性分析

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(guò)終采時(shí)間、變形特征、頂板巖性及松散層厚度對(duì)采空區(qū)地表穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估（表1，表2，表3）。

表1 按終采時(shí)間確定采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)

表2 按變形特征確定采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)

表3 按頂板巖性及松散層厚度確定淺采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)

表4 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

圖5 采空區(qū)及窯口平面位置分布圖

T為地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間，無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)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(jì)算地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間T。

勘查區(qū)及周邊共有廢棄煤礦3 座，共有進(jìn)回風(fēng)井口和窯口26 個(gè)。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(shí)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(píng)價(jià)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）。

5 結(jié)論

（1）文中提出了物探先行鉆探驗(yàn)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(yàn)證，綜合多種勘查手段相互驗(yàn)證。快速有效的確定了采空區(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(shí)的基礎(chǔ)。

（2）采空區(qū)的頂板局部區(qū)域進(jìn)入了塑性屈服，沒(méi)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(shí)治理，煤層燃燒后導(dǎo)致踩空區(qū)擴(kuò)張不排除后期繼續(xù)發(fā)生變形塌陷等災(zāi)害。

（3）實(shí)踐證明，以瞬變電磁法作為主要勘察手段，測(cè)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(duì)勘察結(jié)果加以驗(yàn)證的勘察方法，能夠在控制勘察成本的同時(shí)，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。