喬京亮

（山西華冶勘測工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030000）

一、采空塌陷區(qū)的形成與影響

（一）采空塌陷區(qū)的形成

采空塌陷區(qū)顧名思義就是煤礦在開采過程中，由于煤礦采集是從地表挖洞，從地下進(jìn)行，所以一旦地下洞穴上面部分的土城發(fā)生塌陷，那么對于整個(gè)煤礦洞穴來說，都是非常危險(xiǎn)的事情，相同道理如果煤礦洞穴下層土層發(fā)生偏移或者下陷也會造成整個(gè)煤礦安全問題隱患，這是因?yàn)槊旱V開采過程中，對于煤礦的采集會使得地下形成采空區(qū)，而采空區(qū)會導(dǎo)致地應(yīng)力平衡不均勻，整個(gè)土層是相對來說比較松散的，一旦開采煤礦的過程中采動影響擴(kuò)大，那么就會導(dǎo)致煤礦發(fā)生塌陷的情況。具體闡述如下:

煤礦采集工作是在一個(gè)工作面上進(jìn)行的，這個(gè)工作面會隨著工作時(shí)間與進(jìn)度不斷向前推進(jìn)，推進(jìn)過程中就會帶來采動影響，這一影響不斷擴(kuò)大，會導(dǎo)致煤礦洞穴上層部分形成三個(gè)由于受力不均勻而形成的地帶，這三個(gè)地帶一般是平行的，最深層的第一個(gè)地帶是冒落帶，中間一層第二個(gè)地帶是裂隙帶，更上一層，第三個(gè)地帶是彎曲下沉帶，一般來說，第三個(gè)地帶的最上層就是地表，表現(xiàn)出的情況就是地表下陷，如果采空區(qū)十分巨大，那么上述這三個(gè)地帶就會形成一個(gè)更為巨大的、十分危險(xiǎn)的下沉盆地，所以一般為了避免事故發(fā)生，煤礦采集過程中會對下沉盆地進(jìn)行增加結(jié)構(gòu)支撐的操作。

（二）采空塌陷區(qū)的影響

煤礦開采結(jié)束之后，一般不會對煤礦進(jìn)行回填等一系列的操作，這主要是因?yàn)橐环矫姹苊馊肆εc物力的浪費(fèi)，另一方面是因?yàn)殚_采終結(jié)之后一段時(shí)間煤礦洞穴上方土層覆巖會自動適應(yīng)新的應(yīng)力平衡，自動適應(yīng)的時(shí)間一般會隨著開采深度而有不同變化，一般來說，200m 以內(nèi)的深度恢復(fù)時(shí)間較短，通常七個(gè)月之后，就可以形成新的應(yīng)力適應(yīng)，最長不會超過14 個(gè)月，覆巖層就可以開始新的應(yīng)力適應(yīng)階段，在這一階段當(dāng)中，整個(gè)土層三個(gè)地帶，都屬于暫時(shí)穩(wěn)定的狀態(tài)，在這一暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)中，一般不建議在采空區(qū)上方進(jìn)行修建建筑物等其他對于土層受力影響嚴(yán)重比較大的施工操作，因?yàn)橐坏┻M(jìn)行這些施工操作，就會使得三帶剛剛適應(yīng)好的應(yīng)力平衡被打破，一般打破這種應(yīng)力平衡的操作有四種常見操作，第一種常見操作就是在采空區(qū)上方修建建筑物，第二種常見操作就是在采空區(qū)鄰區(qū)進(jìn)行煤礦或者其他項(xiàng)目的開采，第三種常見操作就是對于煤礦采空區(qū)地下進(jìn)行強(qiáng)排水操作，第四種常見操作就是對煤礦采空區(qū)整個(gè)立體空間內(nèi)，另外還有其他煤層進(jìn)行開采的多煤層開采操作，這四種常見操作都可能會導(dǎo)致采空區(qū)上方土層脫離暫時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)，還有一種自然情況，就是地震也會導(dǎo)致上方土層脫離暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，而導(dǎo)致地表下沉，或者是斷層面滑動變形，再或者是沿層面滑動變形，這些情況嚴(yán)重的話，會產(chǎn)生空洞冒落現(xiàn)象，這最終導(dǎo)致整個(gè)地面塌陷，總之無論是哪種現(xiàn)象產(chǎn)生，都會使得地面上方的建筑物出現(xiàn)不穩(wěn)定偏移，這種不穩(wěn)定偏移有四種狀態(tài)，第一個(gè)狀態(tài)就是建筑物下沉，第二個(gè)狀態(tài)就是局部開裂，第三個(gè)狀態(tài)就是建筑物傾斜，第四個(gè)狀態(tài)就是以上三個(gè)狀態(tài)逐層遞進(jìn)最終導(dǎo)致建筑物坍塌，但是建筑物產(chǎn)生偏移的四個(gè)狀態(tài)推進(jìn)不是一蹴而就的，一般來說都是潛移默化的變形導(dǎo)致的，最終發(fā)生坍塌帶來巨大危險(xiǎn)，這帶來的影響是非常巨大的，不僅嚴(yán)重影響人們生產(chǎn)生活，而且危害人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，為了避免這些現(xiàn)象的發(fā)生，高效的對于采空塌陷區(qū)進(jìn)行綜合物探是非常有必要的，而且需要對于采空塌陷區(qū)域做出評價(jià)，根據(jù)采空塌陷區(qū)實(shí)際情況，提出適宜的防治措施，可以挽回采空塌陷區(qū)帶來的危害。

二、采空塌陷區(qū)的綜合探測方法

目前來說，采空塌陷區(qū)探測研究已經(jīng)脫離發(fā)展階段，雖然依舊存在著研究手段和理論不是十分完善的情況，但是基于以往關(guān)于采空塌陷區(qū)探測方面的許多經(jīng)驗(yàn)和資料，并且結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的許多數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，以下將討論關(guān)于采空塌陷區(qū)探測的三點(diǎn)地球物理基礎(chǔ)：

（一）高分辨地震勘探

高分辨地震探測是地面地震勘測發(fā)展而來的衍生技術(shù)，這個(gè)技術(shù)是地面地震勘測應(yīng)用到煤礦的一個(gè)較為成熟的勘測技術(shù)，具體的探測方法就是根據(jù)煤礦區(qū)域資料進(jìn)行分析。將顯示的煤層情況通過一定技術(shù)手段區(qū)別探索出主煤層的各層分布，根據(jù)主煤層的分布情況，控制三個(gè)重要結(jié)構(gòu)的分布，第一個(gè)重要結(jié)構(gòu)就是采空邊界，第二個(gè)重要結(jié)構(gòu)就是斷層，第三個(gè)重要結(jié)構(gòu)就是煤柱，將這三個(gè)重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行位置控制之后就可以根據(jù)反射波進(jìn)行具體的勘探判斷。這一方法理論依據(jù)就是依據(jù)發(fā)射波的物理基礎(chǔ)進(jìn)行的，反射波可以從同一反射界面進(jìn)行反射，也可以通過同一薄層的不同反射界面進(jìn)行反射，無論是哪種反射情況，都可以通過接收反射波對與反射界面各點(diǎn)的各種特性進(jìn)行判斷與分析，這些特性的影響因素一般包括四種，第一種影響因素就是埋藏深度，第二種影響因素就是炎性。第三種影響因素就是產(chǎn)狀，第四種影響因素就是覆蓋巖層的性質(zhì)，如果這四種影響因素在兩個(gè)反射點(diǎn)之間存在著差異，那么這兩個(gè)反射點(diǎn)所接收反射波信號會表現(xiàn)出不同的振幅、同相軸與波形，地震勘測表現(xiàn)不同會直接影響判斷目的層的反射特性。

（二）鉆孔彈性波CT

我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，這使得CT 技術(shù)也水漲船高，相關(guān)的科技水平不斷進(jìn)步，直接推動了彈性波CT 技術(shù)朝著十分喜人的方向發(fā)展，彈性波CT在煤礦勘測當(dāng)中，應(yīng)用的范圍越來越廣。具體操作方法就是在煤礦探測進(jìn)行之前，應(yīng)用探測鉆按照實(shí)際需要探測的點(diǎn)鉆鉆孔，這些鉆孔都是地質(zhì)構(gòu)造情況判斷的依據(jù)，在一個(gè)鉆孔當(dāng)中可以進(jìn)行多次測試，一般來說就是在一個(gè)鉆孔當(dāng)中不同深度按順序放炮，這時(shí)其他狀況內(nèi)需要安裝對于放炮聲波接收的檢測波接受裝置，這些接收裝置可以獲得地震時(shí)候地震縱波的記錄數(shù)據(jù)，而且將這些檢測裝置連接計(jì)算機(jī)，就可以迅速的在計(jì)算機(jī)上得到相映繪制線圖，這些繪制線圖是通過不同數(shù)學(xué)方法在計(jì)算機(jī)上分析得來的，給出兩個(gè)鉆孔之間的地質(zhì)異常體賦存狀態(tài)，根據(jù)這一異常狀態(tài)可以判斷得出異常范圍。這種探測方法是非常有成效的，而且對于工程物探者來說非常直觀，對于煤礦地質(zhì)勘測來說可以做到無損檢測，是現(xiàn)今許多煤礦勘測者常用的煤礦探測手段之一。

（三）α-卡法

這是通過天然放射性檢測煤礦地質(zhì)的一種方法，簡單來說，就是通過放射性檢測裝置，測量出地表氡射氣含量多少，再根據(jù)不同點(diǎn)之間氡射氣含量大小進(jìn)行比較，從而將兩點(diǎn)之間的區(qū)域段及性質(zhì)分析出來，這樣就可以分析出具體的地質(zhì)問題。這種方式相對來說較為簡單，因?yàn)橹灰獛r層存在裂隙或者斷層破碎帶，再或者是巖層出現(xiàn)風(fēng)化帶或者松散帶，那么氡氣就會通過這些出現(xiàn)的縫隙，由地底深處向地表。進(jìn)行擴(kuò)散，在老窖采空區(qū)存在著許多由于各種各樣的原因出現(xiàn)的地層縫隙，這些縫隙就是氡氣傳輸?shù)牧己猛ǖ?，只要在老窖采空區(qū)不同地點(diǎn)之間對氡氣含量進(jìn)行檢測，那么就可以明顯判斷出存在裂縫的位置以及存在裂縫的數(shù)量，氡氣再向上擴(kuò)散的過程當(dāng)中一般都含有α 粒子強(qiáng)度增強(qiáng)的現(xiàn)象，所以可以依據(jù)這些α 法粒子進(jìn)行檢測，從而分析出煤礦采空區(qū)的位置和范圍，而且這種方法在施工過程中相對方便而且經(jīng)濟(jì)性高，在施工過程中也不會受到電、磁、聲的影響，所以工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

三、對于三種物探方法對比

由表1 對比內(nèi)容可以看出α-卡法在施工方法上是最為方便快捷，而且需用人員最少的，同時(shí)需要使用的儀器也較為方便，總體來說施工十分簡單，并且效果也十分好，可以展示出較為良好的平面效果，應(yīng)用范圍廣，不會受到電磁聲三方面的影響，在其他方法應(yīng)用有限的時(shí)候，這一方法也可以作為輔助方法進(jìn)行輔佐。

表1 三種物探方法的使用及效果對比表

準(zhǔn)確度最高的就是高分辨地震勘測，這一方法可以得到連續(xù)深度各個(gè)剖面，而且每個(gè)剖面與實(shí)際地質(zhì)剖面較為符合，但是這一方法不適宜應(yīng)用到陡峭的地區(qū)當(dāng)中。所以存在一定的限制性，而且在使用這一方法的時(shí)候，一般都需要專業(yè)的地震隊(duì)進(jìn)行，操作的也是多道地震儀，需要較強(qiáng)的專業(yè)性人員進(jìn)行，所以一般應(yīng)用不是十分廣泛，許多煤礦小項(xiàng)目在其他方式可以滿足的條件下也會避免使用這一方式進(jìn)行勘測。

如果需要呈現(xiàn)出容易識別，而且直觀的剖面效果，那么就必須應(yīng)用到彈性波CT，這一物探方法相對于高分辨地震勘測來說是較為方便的一種物探方法，而且呈現(xiàn)出的剖面效果也是較為準(zhǔn)確的，可以滿足一般需要，受地形影響不大，因此相對于高分辨地震勘測來說應(yīng)用范圍要更廣一些。

四、結(jié)語

實(shí)際上對于煤礦的采空塌陷區(qū)探測往往不是只采用一種物探方法，而是綜合利用兩種或者多種物探方式進(jìn)行，因?yàn)槎喾N物探方法的結(jié)合，可以對于煤礦采空區(qū)進(jìn)行更為細(xì)致、準(zhǔn)確的判斷，這樣就可以減少煤礦采空區(qū)因勘測失誤出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，除了以上介紹的三種物探方法，還有電法勘探，這種方法對煤礦采空區(qū)的勘測來說也是十分有效的，在日常中應(yīng)用相對以上三種來說較少。對于采空塌陷區(qū)的探測，主要是為了形成采空區(qū)的具體范圍，使得治理人員對于老窖和開采量巨大的煤礦在治理過程中有清晰的認(rèn)知，是治理采空塌陷區(qū)有效的科學(xué)依據(jù)之一。