東北地區淺層老采空區綜合勘察技術應用研究

甘志超

(天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

?

東北地區淺層老采空區綜合勘察技術應用研究

甘志超

(天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

[摘要]結合吉林省遼源市某棚戶區改造工程下伏淺層采空區，采用高密度電法、鉆探和彩色鉆孔電視觀測的綜合勘察技術，通過高密度電法準確地查明了淺層老采空區的平面分布;通過鉆探與彩色鉆孔電視觀測查清了老采空區及其上覆巖層空洞與裂縫的發育現狀，為地面工程的規劃建設提供了基礎資料與依據。物探+鉆探+彩色鉆孔電視觀測的綜合勘察技術可以為類似的淺層老采空區勘察提供借鑒。

[關鍵詞]淺層；老采空區；高密度電法；彩色鉆孔電視

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.003

[引用格式]甘志超.東北地區淺層老采空區綜合勘察技術應用研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：11-14.

東北地區采礦歷史久遠，在地下淺部遺留下大量的老采空區。隨著一些資源城市的發展，由于土地資源的緊張，許多建(構)筑物的建設都會涉及淺部老采空區，為了確保建(構)筑物安全，查明老采空區的分布及其現狀是重要的基礎工作，為后期的評估與設計等工作提供依據。

勘察淺部老采空區主要利用物探和鉆探。通過物探方法查明采空區的平面分布，鉆探則主要是查清老采空區及其覆巖垮落的現狀。物探方法中又以高密度電法、淺層地震法和地質雷達等3種方法為主。國內學者在不同地區、不同地質條件下開展了高密度電法探測老采空區的應用研究，取得了較好的效果[1-5]。陳鋼、孫洪星等在淺層地震探測采空區方面進行了正演與應用方面的研究工作[6-7]。孫林利用高密度電法和淺層地震法對兩層煤層的采空區進行了探測，取得了較好效果[8]。程久龍研究了強電磁干擾區探地雷達探測采空區的處理技術[9]。國內學者研究利用地質雷達探測高速公路和露天煤礦下伏的老采空區[10-12]。朱超研究了利用鉆探和物探方法勘察淺層采空區[13]。

本文結合吉林省遼源市某棚戶區改造工程下伏淺層采空區勘察工程，探討東北地區淺層老采空區的綜合勘察技術。

1淺層老采空區地質與電性特征

1.1　淺層老采空區地質特征

淺層老采空區開采時間大多較早，一般為小型煤礦開采形成；埋深淺(<50m)，開采厚度一般為1~3m，上覆巖層沒有明顯的破壞變形，開采方式多為人工和半機械化，留有煤柱進行支撐。隨著時間的延長和地面載荷加大，原來預留的煤柱可能蠕變失穩，造成地面突然塌陷，引發安全事故。

勘探區位于吉林省遼源市，為工礦棚戶區改造項目，擬建建筑采用鋼筋混凝土結構。根據采礦資料，勘探區開發歷史久遠，區內分布有十余處偽滿時期遺留的廢舊礦坑；采空區部分形成于1945年以前，有的是在解放后開采形成的。采空區埋深20~50m。

勘探區內地層自上而下依次為：

第四系(Q4)為黏土、亞黏土和亞砂土，厚度在15.0～30.0m之間。

第三系(R)以玄武巖為主，還有同期異相之輝綠玢巖侵入體，厚度0～200m。

白堊系(K1)主要由粗砂巖、礫巖和粉砂巖組成，厚度約400m。

晚侏羅系(J3)由兩個含煤組組成。

遼源組(長安組)厚度350～700m，由泥巖、砂質泥巖、粉砂巖和煤組成，一般含煤2～5層，其中主要可采煤層兩層，其厚度在8.0～25.0m之間。

仙人溝組(安民組)厚度100～600m，由凝灰巖、火山角礫巖、安山巖、玄武巖組成。

志留奧陶系(S1-O3)由花崗片麻巖、石英片巖、大理巖等變質巖組成，構成上侏羅統煤系基底。

勘探區內主要可采煤層特征見表1。

表1　可采煤層特征

1.2　淺層老采空區電性特征分析

煤層開采后多數采空區會發生頂板垮落，形成垮落帶、裂縫帶和彎曲帶。當開采面積小，煤層頂板不垮落(如房柱式采煤)時，則采空區以不充水或充水的空洞形式保存下來。無論采空區頂板垮落與否，煤層開采改變了地層的物性結構，并且會受地下水的影響，使得采空區及其覆巖的電性特征發生顯著變化。

在煤田采空區勘探中，采空區的孔隙度及其連通性、含水飽和度及其礦化度是決定采空區電阻率的主要因素。當采空區中空洞發育，其連通性較好，無水或是泥質等低阻介質充填時，采空區的電性特征應表現為高阻；當采空區中空洞發育，連通性又較好，有礦化度較高的地下水或是泥質等介質充填時，采空區的電性特征應表現為低阻。老采空區及其與圍巖地層的電性特征差異，是利用高密度電法對淺層老采空區進行勘察的前提。

1.3　勘察方案

在勘探區內，地面比較平坦，接地條件較好，電力線等較少，但存在部分拆除的房屋，勘探區的老采空區大部分埋深在20~50m。根據勘探區的地面條件和地質任務，采用高密度電法+鉆探+彩色鉆孔電視的綜合勘察方法，通過高密度電法查明采空區的平面分布，通過鉆探和彩色鉆孔電視觀測查清老采空區及其上覆巖層空洞、裂縫的發育情況及其充填情況。

2高密度電法探測

2.1　高密度電法測線布置

高密度電法選用驕鵬公司生產的E60-DN型高密度電法儀。在勘探區內施工完成高密度電法剖面77條，測點間距5m，共完成勘探剖面長度36240m。部分區域受地表建筑物與硬化場地影響未進行探測，但基本未影響測線對測區的平面控制。

2.2　高密度電法探測成果

圖1為高密度電法N11線視電阻率反演剖面圖。該測線方向為自北向南，從反演剖面圖來看，視電阻率在橫向上出現幾處低阻異常，在垂向上呈層狀分布。在測線方向50~210m，深度10~30m范圍內出現一個明顯的低阻異常，ZK03鉆孔對該異常進行了驗證，該鉆孔終孔深度40m，見煤層，未見采空區，分析該低阻異常為強風化泥巖引起。在測線方向230~370m，深度50~70m的范圍出現明顯的低阻異常，ZK05鉆孔對該異常進行了驗證，該鉆孔終孔深度68m，見采空區，49m，55m，59m處漏水，分析該低阻異常為采空區引起，該采空區異常橫向有140m長(230~370m)，縱向有20m，視電阻率值2~12Ω·m。

圖1　高密度電法N11線視電阻率反演剖面

圖2為高密度電法N17線視電阻率反演剖面圖。該測線方向為自南向北，從反演剖面圖來看，視電阻率在橫向上出現幾處低阻異常，在垂向上呈層狀分布。在測線方向0~100m，深度10~30m范圍內出現一個明顯的低阻異常。ZK06鉆孔對此低阻異常進行了驗證，鉆孔終孔深度為40m，見采空區，未掉鉆，19～20m處漏水嚴重。分析此低阻異常為采空區引起，此處采空區異常橫向有100m長(0~100m)，縱向有10m，視電阻率值1~8Ω·m。

圖2　高密度電法N17線視電阻率反演剖面

圖3為高密度電法N60線視電阻率反演剖面圖。測線方向為自西向東，從反演剖面圖來看，視電阻率在橫向比較均一，在垂向上呈層狀分布。高密度電法資料推斷測線上無采空區異常，但在采掘圖中，在測線方向300~360m標示該區域在淺層有老采空區存在，在該范圍施工了鉆孔ZK10，鉆孔施工至60m終孔，未見采空區，說明高密度電法資料較可靠。

圖3　高密度電法N60線視電阻率反演剖面

3鉆探勘察

3.1　鉆孔布置

根據高密度電法成果和勘察任務，設計了12個鉆孔，一方面是對物探成果進行驗證，另一方面將鉆探作為一種補充勘察(后期的采空區治理孔)。

3.2　鉆探成果

在采空區物探異常區域布置的6個鉆孔(ZK3，ZK5，ZK6，ZK7，ZK9，ZK11)中，ZK3號孔見煤層，未見采空區；ZK5，ZK6，ZK7，ZK9號鉆孔見采空區，頂板都已經垮落；ZK11號鉆孔未見煤層，巖芯破碎。在沒有物探異常，但根據采礦資料標示有采空區的區域布置了1個鉆孔，即ZK10號鉆孔未見煤層(采空區)。考慮對勘查區域的控制，布置了3個鉆孔，即ZK1，ZK2，ZK12號鉆孔，均未見煤層(采空區)。在其他物探異常區域布置了2個鉆孔，即ZK4和ZK8號鉆孔未見煤層，原始地層破碎。在巖土勘察孔中的3號鉆孔在18m掉鉆，掉鉆4m，進尺容易，判斷為井筒。

4彩色鉆孔電視觀測

為了更好地查清采空區及其上覆巖層的空洞與裂縫發育情況，對ZK3，ZK7，ZK8，ZK9和ZK11 5個鉆孔進行了彩色鉆孔電視觀測。

圖4為ZK8號孔的彩色鉆孔電視觀測結果，該鉆孔從深度0m開始觀測，至38.10m結束。從圖4中可以看出，該孔深度16.64~21.88m地層破碎，裂縫十分發育，23.20~38.00m裂縫比較發育。可以看出彩色鉆孔電視能直觀地觀測到采空區及其上覆巖層的空洞和裂縫發育情況。

圖4　ZK8號孔鉆孔電視觀測結果之一

5結論

(1)對于淺層老采空區，采用物探+鉆探+彩色鉆孔電視觀測的綜合勘察技術，可以查明采空區的平面分布，查清老采空區及其上覆巖層的空洞與裂縫發育情況，為淺層老采空區的評估與治理提供基礎資料與依據。

(2)高密度電法在淺層老采空區的勘察中，在接地條件好的區域，可以取得準確度較高的成果，可以作為查明老采空區平面分布的主要勘察手段。

(3)彩色鉆孔電視觀測成果直觀、準確、精度高，是勘察老采空區及其上覆巖層空洞與裂縫發育情況的一種好方法。

[參考文獻]

[1]肖敏，陳昌彥，白朝旭，等.北京地區淺層采空區高密度電法探測應用分析[J].工程地球物理學報，2014，11(1)：29-35.

[2]張騰，萬雪林，童婷婷,等.高密度電法探測老窯采空區試驗研究[J].北京工業職業技術學院學報，2010，9(2)：11-16.

[3]辛思華，宋仁成，楊建軍,等.高密度電法在煤礦采空區勘查中的應用[J].中國煤炭地質，2008，20(1)：59-61.

[4]張建強，張全錄，湯躍超,等.高壓輸電線塔基煤礦采空區的高密度電阻率法探查研究[J].地球物理學進展，2004，19(3)：684-689.

[5]張彬，牟義，張永超,等.三維高密度電阻率成像探測技術在煤礦采空區勘查中的應用[J].煤礦安全，2011，42(6)：104-107.

[6]陳鋼，許維進，梁京華,等.淺層地震采空區探測計算機仿真正演[J].煤炭學報，1996，21(1)：18-23 .

[7]孫洪星，康永華，耿德庸,等.煤層采空區淺層地震法探測效果[J].工程勘察，1998(4)：66-68.

[8]孫林.高密度電阻率法與淺層地震在探測煤田采空區中的應用[J].物探與化探，2012，36(S)：88-91.

[9]程久龍，潘冬明，李偉,等.強電磁干擾區災害性采空區探地雷達精細探測研究[J].煤炭學報，2010，35(2)：227-231.

[10]邱鈺，童立元，方磊.地質雷達在華南山區高速公路下伏典型小煤窯采空區探測中的應用研究[J].公路交通科技，2012，90(6)：115-117.

[11]李永銘，潘冬明，陳濤,等.地質雷達在露天煤礦采空區探測中的應用[J].能源技術與管理，2010(2)：13-15.

[12]許錫昌，陳衛東，劉偉.地質雷達和高密度電法在廢棄礦井探測中的應用[J].巖土力學，2002，23(S)：126-132.

[13]朱超.鉆探-物探方法在淺層采空區探查中應用[J].中國科技信息，2012(17)：57.

[14]趙敏，甘志超.小線框瞬變電磁法在探測煤礦充水巷道中的應用[J].煤礦開采，2012，17(6)：21-22.

[責任編輯：施紅霞]

Comprehensive Exploration Technology Application of Gob in North-east Area

GAN Zhi-chao

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：Applying high-density electrical method，drilling exploration and borehole color TV，plane distribution of gob in shallow buried layer under shantytowns transformation engineering of Liaoyuan Municipality，Jilin Province was found out with high-density electrical method，caves and fissure development state of gob and its overlying strata was observed with drilling and borehole color TV，which provided basis for planning and constructing of surface engineering.Comprehensive exploration technology could provide reference for exploring shallow buried gob.

Keywords：shallow layer；gob；high-density electrical method；borehole color TV

[作者簡介]甘志超(1983-)，男，四川鄰水人，助理研究員，主要從事地球物理勘探與煤礦地質災害防治等方面的研究工作。

[基金項目]國家科技支撐計劃項目資助 (2012BAB13B02 -04)； 中國煤炭科工集團創新基金項目 ( 2012MS004) ；天地科技技術創新基金(KJ-2014-TDKC-02)

[收稿日期]2015-03-16

[中圖分類號]TD15；P62

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0011-04