劉小平

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048)

我國(guó)將長(zhǎng)期處于城鎮(zhèn)化與工業(yè)化進(jìn)程中，城市建設(shè)、交通運(yùn)輸、煤電煤化工、水利水電等重大工程建設(shè)中遇到地下煤礦采空區(qū)威脅將越來越嚴(yán)重，煤礦本身也遭受老采空區(qū)積水突出、瓦斯溢出等災(zāi)害的困擾。自1992 年太舊高速公路采空區(qū)處治工程實(shí)施以來[1-2]，我國(guó)煤礦采空區(qū)場(chǎng)地上方進(jìn)行工程建設(shè)經(jīng)歷了近30年工程實(shí)踐，采空區(qū)勘察、設(shè)計(jì)、施工及質(zhì)量檢測(cè)方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)，并在建筑[3]、公路[4]、地礦[5]、鐵路[6-8]等不同行業(yè)建立了相應(yīng)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，為采空區(qū)場(chǎng)地工程建設(shè)及安全運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)保障。但受我國(guó)煤礦采空區(qū)類型、規(guī)模及賦存條件差異的影響，不同地區(qū)及行業(yè)對(duì)煤礦采空區(qū)勘察技術(shù)的認(rèn)識(shí)仍然存在一定偏差及誤區(qū)。煤礦智能化開采、N00 工法等開采工藝的變革，高速鐵路、超高層建筑、南水北調(diào)等重大工程建設(shè)對(duì)地層強(qiáng)度、變形與滲漏等方面的特殊要求，給采空區(qū)勘察工作帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)，使現(xiàn)有勘察技術(shù)手段及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)依然不能滿足工程快速建設(shè)的實(shí)際需求。筆者全面回顧我國(guó)煤礦采空區(qū)勘察技術(shù)發(fā)展歷程，總結(jié)勘察工作中面臨的主要問題，分析煤礦采空區(qū)勘察技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，展望需要進(jìn)一步研究的技術(shù)問題，以期為防治采空區(qū)災(zāi)害提供參考。

1 我國(guó)煤礦采空區(qū)勘察工作發(fā)展歷程

1.1 太舊高速公路采空區(qū)科研攻關(guān)

1993-1997 年，山西省交通廳成立“太-舊高速公路采空區(qū)勘察處治科研課題組”，針對(duì)我國(guó)第一條高速公路下伏采空區(qū)隱蔽災(zāi)害問題，開展“高等級(jí)公路路基下伏空洞的危害程度勘察、處治及質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)研究”。歷時(shí)5 年研究，課題組構(gòu)建了不同地質(zhì)采礦條件下工程地質(zhì)模型，提出包括工程地質(zhì)測(cè)繪、工程物探、工程鉆探及原位測(cè)試等勘察工作程序(圖1)[1]，研究不同地形及埋深條件下的采空區(qū)平面、剖面的物探最佳組合方法(表1)[1]，得出采空區(qū)頂板垮落帶、導(dǎo)水裂隙帶及彎曲變形帶的具體高度數(shù)據(jù)與開采煤層厚度的比例關(guān)系，提出以有限單元數(shù)值方法和宏觀預(yù)測(cè)方法為主，結(jié)構(gòu)力學(xué)分析法為輔的成套評(píng)價(jià)采空區(qū)穩(wěn)定性的方法，針對(duì)建(構(gòu))筑物不同功能初步提出了相應(yīng)的處治與否的界限標(biāo)準(zhǔn)。該階段所取得的技術(shù)成果，系統(tǒng)性強(qiáng)，實(shí)用價(jià)值高，勘察綜合應(yīng)用技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平和國(guó)際20 世紀(jì)90 年代先進(jìn)水平。本階段的研究成果先后在山西晉焦高速公路、山東京福高速公路、河南晉焦高速公路、新疆烏奎高速公路、陜西西銅高速公路等建設(shè)中得到推廣應(yīng)用。

表1 不同空洞埋深下采空區(qū)地球物理勘探方法組合[1]Table 1 Combination of geophysical exploration methods for goaf under different buried depth[1]

圖1 采空區(qū)勘察工作程序[1]Fig.1 Procedures of exploration work in goaf[1]

1.2 《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》制定與發(fā)布

針對(duì)我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜、采空區(qū)類型多樣等特點(diǎn)，科技工作者圍繞物探方法的有效性與多解性[9-12]、殘余變形預(yù)測(cè)[13-15]、地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[16-19]等方面開展了有益探索。2008-2011 年，山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院在充分調(diào)研、全面總結(jié)太舊高速公路采空區(qū)處治后我國(guó)近20 年來采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與處治工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，主編了我國(guó)采空區(qū)處治領(lǐng)域的第一部行業(yè)規(guī)范《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》[4]，對(duì)規(guī)范勘察技術(shù)活動(dòng)及提高勘察成果質(zhì)量起到積極作用。該規(guī)范中，規(guī)定不同階段的勘察技術(shù)要求及勘察報(bào)告編寫內(nèi)容；提出結(jié)合公路等級(jí)及工程類型、采用定性與定量相結(jié)合的方法，對(duì)采空區(qū)給進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，并區(qū)分了公路工程采空區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性與公路工程地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；規(guī)定采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)(表2)；增加了井下測(cè)量及工后質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。該階段研究工作，充分結(jié)合我國(guó)采空區(qū)公路建設(shè)的實(shí)際情況，以公路工程建設(shè)為導(dǎo)向，對(duì)太舊高速公路的研究成果及20 多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了全面的批判性吸收、借鑒與提升，也成為建筑、水利、電力等其他行業(yè)采空區(qū)勘察工作的主要技術(shù)依據(jù)。

表2 采空區(qū)地基容許變形值[4]Table 2 Allowable deformation value of goaf foundation[4]

在此期間，中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司(2004 年)開展鐵路、公路采空區(qū)勘察設(shè)計(jì)工作，積累了一些工作經(jīng)驗(yàn)，編制了簡(jiǎn)單明了的《采空區(qū)工程地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》。附錄中引用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(2000 年)中的典型工作面觀測(cè)站地表移動(dòng)實(shí)測(cè)參數(shù)表、部分礦區(qū)地表移動(dòng)實(shí)測(cè)參數(shù)表及保護(hù)煤柱留設(shè)算例，實(shí)用性較強(qiáng)。鐵路行業(yè)多年工程實(shí)踐的技術(shù)成果編入了TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]、TB 10120-2019《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》[7]及TB 10027-2012《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》[8]。

1.3 《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》制定與發(fā)布

隨著國(guó)家城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，烏魯木齊、平頂山等礦業(yè)型城市將城市郊區(qū)(縣)煤礦采空區(qū)逐步發(fā)展為城市建設(shè)中心，城市發(fā)展與煤礦采空區(qū)之間的矛盾日益突出，大量工業(yè)與民用建筑無法避讓采空區(qū)。根據(jù)我國(guó)土木工程行業(yè)特點(diǎn)，2014 年中國(guó)煤炭建設(shè)協(xié)會(huì)主編、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》[3]。與《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》相比，該規(guī)范針對(duì)一般土木工程建設(shè)項(xiàng)目，增加了采動(dòng)邊坡勘察與穩(wěn)定性計(jì)算內(nèi)容，完善了施工勘察技術(shù)要求，突出小煤窯采空區(qū)勘察技術(shù)難點(diǎn)，歸納總結(jié)采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的各種方法(開采條件判別法、極限平衡法、概率積分法、數(shù)值計(jì)算法等)，增加了采空區(qū)場(chǎng)地工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)內(nèi)容，提出采空區(qū)場(chǎng)地建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程治理的綜合防治措施規(guī)定(表3)。該階段對(duì)采空區(qū)勘察與評(píng)價(jià)認(rèn)識(shí)更加全面與系統(tǒng)，尤其是將采空區(qū)處治與地面建筑抗變形設(shè)計(jì)統(tǒng)籌考慮，是一種務(wù)實(shí)的處理方法。

表3 采空區(qū)場(chǎng)地工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)分級(jí)[3]Table 3 Grading table for suitability evaluation of engineering construction in goaf sites[3]

1.4 《采空塌陷勘查規(guī)范》制定與發(fā)布

根據(jù)國(guó)務(wù)院第394 號(hào)令《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》，為避免或減輕采空塌陷災(zāi)害造成的損失，維護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，提高采空塌陷防治技術(shù)水平，中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害防治工程行業(yè)協(xié)會(huì)組織、中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司牽頭主編的《采空塌陷勘查規(guī)范》于2018 年發(fā)布[5]。該規(guī)范以采空區(qū)塌陷災(zāi)害防治為切入點(diǎn)，針對(duì)煤礦及其他地下資源開采形成的采空區(qū)可能造成的危害，對(duì)不同勘查階段中采礦情況調(diào)查、地表變形測(cè)繪等基礎(chǔ)性工作做了詳細(xì)具體的規(guī)定，對(duì)采空區(qū)勘探中鉆探的探查驗(yàn)證目的與技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了要求，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中更加突出地質(zhì)采礦條件分析與類比，弱化了概率積分法、極限平衡法及數(shù)值計(jì)算的相關(guān)規(guī)定，對(duì)勘查成果的文字章節(jié)、附圖(件)等方面做了明確規(guī)定。該階段全面汲取了勘察行業(yè)一些不規(guī)范、脫實(shí)就虛做法引起的失敗工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，糾正了勘察中“全場(chǎng)地均勻布置勘探孔，造成勘察成本巨大”“采用潛孔錘鉆探工藝”“鉆進(jìn)過程中泥漿護(hù)壁”“地質(zhì)編錄缺少采空塌陷特征描述與記錄”“巖心中采動(dòng)裂隙，現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別不準(zhǔn)確”“物探方法選擇不正確”“數(shù)值計(jì)算計(jì)算工況及邊界條件選擇不當(dāng)”等問題，對(duì)采空區(qū)勘察與評(píng)價(jià)工作要求更加務(wù)實(shí)，使我國(guó)采空區(qū)勘察與評(píng)價(jià)技術(shù)回歸到基本的工程地質(zhì)問題中。該規(guī)范指導(dǎo)下開展了彬長(zhǎng)輸配水工程、亭口水庫(kù)、濟(jì)寧任城區(qū)采煤沉陷區(qū)綜合治理、HJD 隧道等多項(xiàng)重大工程的采空區(qū)勘察工作。

1.5 重大工程的建設(shè)有力地推動(dòng)勘察技術(shù)進(jìn)步

為解決重大工程建設(shè)采空區(qū)勘察中的特殊問題，需要不斷地引進(jìn)與研究新的勘察方法，提高采空區(qū)勘察精度與效率，滿足工程建設(shè)的需求。亭口水庫(kù)庫(kù)區(qū)采空區(qū)[20]、子長(zhǎng)紅石峁水庫(kù)壩基采空區(qū)處治[21]中，滲漏與滲透破壞是無法回避的問題，勘察中使用壓水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)、電測(cè)井等手段查明地層的滲透特性，估算地層滲透系數(shù)。合鳳高速小河溝特大橋采空區(qū)勘察中[22]，使用鉆探繩索取心、VSP 地震勘探、多參數(shù)測(cè)井等技術(shù)，精細(xì)識(shí)別地層中采動(dòng)裂隙分布特征，確定定向鉆孔水平段的鉆進(jìn)層位。濟(jì)寧任城區(qū)采煤沉陷區(qū)進(jìn)行城市高強(qiáng)度商業(yè)開發(fā)中[23]，采用高密度三維地震勘探、VSP 勘探等物探方法查明地層的裂隙優(yōu)勢(shì)發(fā)育方位(圖2)[24]、各向異性(圖3)[24]及裂隙密度與主應(yīng)力場(chǎng)(圖4)[25]，反演采動(dòng)巖體的彈性矩陣系數(shù)[26]，估算地層剩余孔隙率，為進(jìn)一步優(yōu)化注漿方案、控制場(chǎng)地采空區(qū)殘余變形提供技術(shù)依據(jù)。寶日希勒露天煤礦采空區(qū)為“扒大窯”式開采所形成，地下殘留空洞高度超過20 m，勘察中使用孔內(nèi)激光掃描技術(shù)[27]，精確測(cè)量地下殘余空洞的位置與范圍，大幅減少地面鉆探工程量，節(jié)省工程投資。HJD 隧道變形研究中采用CPⅢ高精度監(jiān)測(cè)技術(shù)與裝備[28]，捕捉1～2 mm/mon 的軌道變形矢量，為研究采礦活動(dòng)與隧道變形時(shí)空關(guān)系提供直接證據(jù)。引入上述新方法，進(jìn)一步加深了采空區(qū)覆巖精細(xì)結(jié)構(gòu)、毫米級(jí)殘余變形、采動(dòng)覆巖強(qiáng)度等特性的認(rèn)識(shí)。

圖2 不同深度地震波反演統(tǒng)計(jì)裂隙方位玫瑰圖[24]Fig.2 Rose diagram of fracture azimuth based on seismic wave inversion at different depths[24]

圖3 不同深度采空區(qū)覆巖各向異性變化曲線[24]Fig.3 Variation curves of overburden anisotropy in goafs of different depths[24]

圖4 采動(dòng)覆巖孔隙度與主應(yīng)力場(chǎng)平面分布[25]Fig.4 Porosity of the overburden rock under mining and plane distribution of the main stress field[25]

2 煤礦采空區(qū)勘察面臨的技術(shù)問題

2.1 勘察大綱編制指導(dǎo)性不強(qiáng)

勘察大綱是采空區(qū)勘察工作的基礎(chǔ)性、指導(dǎo)性技術(shù)文件。工程實(shí)踐中，勘察前期，應(yīng)高度重視現(xiàn)場(chǎng)踏勘，深入研究對(duì)應(yīng)的工程問題，全面認(rèn)識(shí)工程地質(zhì)條件，對(duì)地形、地質(zhì)、采礦等因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，選擇適當(dāng)?shù)奈锾椒椒ǎ贾煤侠淼尿?yàn)證鉆孔，提高測(cè)試方法的適宜性。編制的勘察大綱應(yīng)組織專家進(jìn)行咨詢及評(píng)審，確保所編制的勘察工作大綱的嚴(yán)謹(jǐn)性，具備很強(qiáng)的指導(dǎo)性，從根源上提高實(shí)際勘察外業(yè)成果的質(zhì)量。

2.2 鉆探技術(shù)要求與采空區(qū)勘察工作結(jié)合不夠緊密

因歷史及體制原因，從事鉆探工作的技術(shù)隊(duì)伍除了私人鉆機(jī)老板外，多為各省地礦局下屬地質(zhì)隊(duì)或煤田地質(zhì)局下屬地質(zhì)隊(duì)，他們將從事資源勘探、巖土工程勘察的工程經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到采空區(qū)勘察中。鉆探過程中，不能采用泥漿護(hù)壁方式鉆進(jìn)，需要準(zhǔn)確觀測(cè)采空區(qū)覆巖沖洗液消耗量，如實(shí)記錄采空區(qū)部位掉鉆信息(孔口吸風(fēng)、吹風(fēng)等特殊現(xiàn)象)，提高巖心鑒定與地質(zhì)編錄的針對(duì)性(采動(dòng)裂隙發(fā)育的深度、傾角、裂隙面形態(tài)等)，從基礎(chǔ)工作與原始資料上，提高采空區(qū)勘察成果的準(zhǔn)確性及可靠度。

2.3 物探成果難以滿足工程勘察需求

房柱式、巷柱式等小煤窯開采所形成采空區(qū)的地面建(構(gòu))筑物存在重大安全隱患，且開采歷史久遠(yuǎn)，采礦資料缺失，走訪調(diào)查困難，有限的地面垂直鉆孔難以準(zhǔn)確查明地下殘留空洞，只能依靠物探手段對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)。勘察實(shí)踐中，常規(guī)地面物探方法及若干井孔地球物理測(cè)試技術(shù)：如高密度電阻率法[29]、高分辨率地震勘探[30]、地質(zhì)雷達(dá)[31]、井內(nèi)電法[32]、激光掃描[33]等方法手段的簡(jiǎn)單運(yùn)用較多。但受科研氛圍、市場(chǎng)環(huán)境、技術(shù)水平等諸多因素影響，我國(guó)煤礦采空區(qū)物探成果可靠度與可信度總體偏低，物探資料存在多解性與模糊性，采空區(qū)準(zhǔn)確定性、精準(zhǔn)定位與量化評(píng)價(jià)技術(shù)現(xiàn)狀，依然不滿足工程建設(shè)對(duì)采空區(qū)勘察工作實(shí)際需求。

2.4 勘察成果綜合分析不夠深入

我國(guó)煤炭資源賦存條件復(fù)雜、地下煤炭資源開采方式多樣、煤炭生產(chǎn)管理不規(guī)范等因素，導(dǎo)致地下采空區(qū)類型、分布及范圍非常復(fù)雜?？辈旃ぷ髦?，電法、地震等物探數(shù)據(jù)往往獨(dú)立解釋與分析，需要對(duì)各種物探成果進(jìn)行對(duì)比解釋與綜合分析，開展多種物探方法聯(lián)合反演工作；充分有效利用測(cè)井、VSP 勘探數(shù)據(jù)為地面地震勘提供反演參數(shù)；提高物探異常區(qū)驗(yàn)證鉆孔布置的針對(duì)性。加強(qiáng)地質(zhì)調(diào)查和測(cè)繪工作及鉆探、物探成果的相互驗(yàn)證與解釋工作的嚴(yán)謹(jǐn)性與科學(xué)性；提高勘察成果三維可視化程度，利于成果的展示與應(yīng)用，全面系統(tǒng)地對(duì)地質(zhì)、采礦、測(cè)繪、物探及鉆探等成果進(jìn)行總結(jié)與分析。

2.5 采空區(qū)場(chǎng)地特殊巖土問題研究不足

對(duì)于場(chǎng)地穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的采空區(qū)，殘余變形預(yù)測(cè)是關(guān)鍵。采用數(shù)值計(jì)算方法預(yù)測(cè)時(shí)，需要將采空區(qū)引起覆巖移動(dòng)的長(zhǎng)期時(shí)間效應(yīng)考慮進(jìn)去，不能僅模擬開采結(jié)束后的總變形量，保持計(jì)算工況與工程實(shí)際的一致性。采用概率積分法預(yù)測(cè)時(shí)，常應(yīng)用等效采高法、下沉系數(shù)折減等方法進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)結(jié)果精度較低。對(duì)于采空區(qū)影響水利工程滲漏與滲透破壞時(shí)，不僅需要覆巖“三帶”發(fā)育高度探測(cè)、防(隔)水巖柱設(shè)計(jì)等煤礦防治水方面的知識(shí)，還要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采動(dòng)地層滲透性、完整性進(jìn)行原位測(cè)試，緊密結(jié)合工程實(shí)際。對(duì)于利用地下巨型鹽腔空洞儲(chǔ)存石油、液化天然氣的工程，加強(qiáng)對(duì)巖層完整性、溶腔密閉性、污染物遷移等方面的研究工作。這些特殊巖土工程問題的解決，既要遵循煤礦采空區(qū)勘察的一般性原則，還要緊密圍繞特殊的工程條件與地質(zhì)環(huán)境開展工作。

3 煤礦采空區(qū)勘察技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 勘察工作趨向規(guī)范化和系統(tǒng)化

隨著《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》《公路采空區(qū)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》《采空塌陷勘查規(guī)范》的實(shí)施，勘察工作趨向規(guī)范化。逐步形成以工程地質(zhì)專業(yè)為主導(dǎo)，地球物理勘探等多專業(yè)配合的勘察技術(shù)路線：以采礦情況調(diào)查和地表變形觀測(cè)為基礎(chǔ)，選擇適宜的物探方法進(jìn)行探測(cè)，利用適量鉆孔探查驗(yàn)證，然后預(yù)測(cè)計(jì)算采空區(qū)殘余變形量、滲透量等，開展建(構(gòu))筑物地基、場(chǎng)地穩(wěn)定性與適宜性評(píng)價(jià)，結(jié)合地面建(構(gòu))筑物功能特征及允許變形量，評(píng)價(jià)采空區(qū)對(duì)擬建工程的危害程度，建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與采空區(qū)治理一體化。

3.2 更加重視地質(zhì)調(diào)查、變形監(jiān)測(cè)與分析

物探解譯的多解性及地面垂直鉆孔“點(diǎn)式”勘探的局限性，仍將長(zhǎng)期制約著采空區(qū)勘察成果的可靠性與準(zhǔn)確性。采空區(qū)是人類在開采地下資源中形成的，總會(huì)遺留一定的采礦線索?？辈熘袘?yīng)根據(jù)礦產(chǎn)資源露頭線、礦產(chǎn)等厚線、含水層等地質(zhì)資料，初步判斷采空區(qū)的層位與范圍；根據(jù)井筒位置、開拓方式、回風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等采礦資料，估算采空區(qū)巷道延伸的方向、開采的區(qū)域；根據(jù)礦區(qū)邊界、井田邊界、盤區(qū)界限、礦權(quán)設(shè)置、采礦歷史沿革、開采方式、產(chǎn)量規(guī)模等，初步分析采空區(qū)是否存在越界開采；根據(jù)礦山開采方式、工作面布置、頂板管理方法，初步判斷采空區(qū)覆巖完整性、殘余空洞體積、場(chǎng)地穩(wěn)定性等工程地質(zhì)條件。高精度遙感、雷達(dá)、無人機(jī)測(cè)繪、Insar 監(jiān)測(cè)等新技術(shù)與傳統(tǒng)的調(diào)查測(cè)繪進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)空間位置及塌陷變形范圍的宏觀判斷。列車動(dòng)檢測(cè)等新型監(jiān)測(cè)技術(shù)[34]、分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)[35]等不斷引入到采動(dòng)巖體變形監(jiān)控中。調(diào)查與監(jiān)測(cè)的作用進(jìn)一步凸顯，尤其對(duì)于小煤窯、不規(guī)范礦山開采所形成的采空區(qū)勘察更為有效。

3.3 定向鉆進(jìn)技術(shù)在勘察中廣泛應(yīng)用

對(duì)嚴(yán)重威脅建(構(gòu))筑物安全的地下采空區(qū)，可以采用定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行“靶向”勘察，定向鉆孔主孔軌跡沿著采空區(qū)的礦產(chǎn)層位鉆進(jìn)、也可以順著較為完整的采空區(qū)頂板巖層鉆進(jìn)并向采空區(qū)層位開分支孔進(jìn)行勘察。當(dāng)對(duì)于遇到大的空洞或裂隙，可以根據(jù)地質(zhì)采礦條件及地面建筑物功能要求，采用前進(jìn)式注漿的方式進(jìn)行充填后繼續(xù)向前勘察，也可以使用重新開分支、造斜等技術(shù)避開后繼續(xù)向目標(biāo)層鉆進(jìn)探測(cè)，地面、井下定向鉆進(jìn)技術(shù)在采空區(qū)勘察中將廣泛應(yīng)用。

3.4 高效工程物探技術(shù)引進(jìn)與研發(fā)

重大工程中采空區(qū)的特殊巖土問題、工程實(shí)施環(huán)境條件硬約束，使得常規(guī)的采空區(qū)空間位置與分布范圍的勘察，逐步提升至采動(dòng)地層裂隙精細(xì)描述與覆巖滲透性、強(qiáng)度及變形特性定量測(cè)試。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要不斷引進(jìn)油氣藏地震勘探方法中前沿性技術(shù)，比如多方位、寬頻帶、全數(shù)字三維地震勘探技術(shù)[24]，井中多波多參數(shù)VSP 方法及三維R-VSP 技術(shù)[24]，多參數(shù)測(cè)井與反演技術(shù)、鉆孔窺視與成像技術(shù)等。根據(jù)煤炭資源賦存的埋深、厚度、結(jié)構(gòu)以及采空區(qū)規(guī)模、地層完整性等工程特性，進(jìn)一步研發(fā)低成本震源激發(fā)裝置、高效率的地面觀測(cè)系統(tǒng)和特別適用于地下采空區(qū)勘察的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，開發(fā)滿足采空區(qū)勘察要求的數(shù)據(jù)處理流程、方法與配套軟件，使煤礦采空區(qū)精細(xì)勘察水平滿足重大工程建設(shè)技術(shù)要求。

3.5 信息化技術(shù)與勘察工作深度融合

智能化礦山建設(shè)速度持續(xù)加快，融合鉆探、物探等多元信息的透明礦山技術(shù)，將礦山采掘活動(dòng)中的所有信息(地質(zhì)、采礦等)全部數(shù)字化并進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)存。很多地方政府已全面啟動(dòng)區(qū)域性采空區(qū)調(diào)查與評(píng)價(jià)工作，海量的測(cè)繪、鉆探、物探及測(cè)試數(shù)據(jù)將被采集，并進(jìn)行數(shù)字化、系統(tǒng)化的管理、儲(chǔ)存與分析。復(fù)雜環(huán)境(地形陡峭、井下有毒有害氣體等)中智能機(jī)器人將在地表裂縫測(cè)量、地下空洞探測(cè)[36]等方面發(fā)揮重要作用。利用高精度的遙感[37]、Insar[38]等技術(shù)進(jìn)行大尺度地表變形特征分析，研究地下采空區(qū)與地表變形的時(shí)空演化關(guān)系。圖像識(shí)別、云計(jì)算、區(qū)塊鏈存儲(chǔ)等技術(shù)使得地下采空區(qū)三維建模、可視化與處治管理成為可能。將逐步實(shí)現(xiàn)的各種勘探方法的融合與互補(bǔ)，勘察數(shù)據(jù)的深度挖掘與解譯，使采空區(qū)勘察技術(shù)向高精度、高效率、低成本、智能化與三維可視化方向不斷發(fā)展，將為采空區(qū)上方重大工程建設(shè)全過程管理BIM技術(shù)應(yīng)用提供海量的勘察信息。

4 煤礦采空區(qū)勘察技術(shù)發(fā)展方向

煤礦開采工藝的持續(xù)進(jìn)步和煤炭資源高強(qiáng)度開采形成了大量廢棄采空區(qū)，工程建設(shè)對(duì)可建設(shè)土地資源需求持續(xù)增強(qiáng)，高速鐵路、大型廠礦等重大工程對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，這些變化給采空區(qū)勘察工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。大量的關(guān)鍵技術(shù)問題需要進(jìn)一步研究：

(1) 礦區(qū)地下殘留空洞地球物理響應(yīng)與反演；

(2) 巖體采動(dòng)裂隙識(shí)別、各向異性參數(shù)反演與定量評(píng)價(jià)；

(3) 采動(dòng)地層強(qiáng)度及變形參數(shù)反演與評(píng)價(jià)；

(4) 采空區(qū)覆巖殘留空隙率及滲透系數(shù)測(cè)試與評(píng)價(jià)；

(5) 部分煤層開采(房柱式、巷柱式、條帶式)覆巖及地表殘余變形預(yù)測(cè)技術(shù)；

(6) 超大工作面快速回采地表及覆巖殘余變形預(yù)測(cè)技術(shù)；

(7) 采空區(qū)覆巖毫米級(jí)殘余變形監(jiān)測(cè)技術(shù)；

(8) 裂隙巖體水平定向鉆進(jìn)層位優(yōu)選與成孔工藝；

(9) 煤礦覆巖“三帶”測(cè)井反演與判別技術(shù)；

(10) 復(fù)雜地表?xiàng)l件下采動(dòng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算與評(píng)價(jià)；

(11) 山區(qū)煤礦采動(dòng)地層中隧道(洞室)結(jié)構(gòu)變形機(jī)理與評(píng)價(jià)。