老采空區勘查技術方法研究

吳 彬，李遠強，張國華

（北京市地質研究所，北京 100120）

0 序言

由于各種礦產資源的開采，在地下形成了采空區。特別是各種小煤窯的濫開濫采，導致許多隱性采空區的存在，給人們的生產生活帶來極大的影響，甚至危及到人身安全[1]。老采空區多數缺乏開采的詳細資料，多數開采方式是個人或村集體開采，開采深度較淺，沒有詳細的開采規劃，在空間上確定開采區域和面積比較困難。在老采空區上進行規劃建設，是需要詳細確定采空區的位置、深度、厚度和影響范圍等信息，需要對老采空區開展詳細的勘查工作才能實現。目前沒有單一的勘查方法與技術手段可以直接確定采空區的分布，只能通過地面調查、地球物理勘探、鉆探等多種技術手段綜合對比分析推斷采空區的各項特征。

本文通過對淺層老窯煤礦采空區實施的綜合詳細勘查工作進行了總結與研究分析。主要總結分析了地面調查、地球物理勘探、鉆探等技術方法的實施要點和各類方法的優缺點，并通過多種技術方法的對比驗證，推斷出采空區的位置與深度。對采空區上方的覆巖力學參數進行了實驗與計算，得到推斷的采空塌陷三帶影響區域。最后將計算結果與實際調查得到的結果進行了對比，在空間位置上得到了非常好的驗證。

1 采空塌陷災害地質背景

勘查區位于北京市門頭溝區秋坡村，區內地層主要為奧陶系馬家溝組、石炭系太原組、石炭系—二疊系山西組、二疊系石盒子組地層，地表有薄層第四系覆蓋。

含煤地層主要為石炭系太原組和石炭系—二疊系山西組。自上而下共含4層煤，其中石炭系太原組含2層煤，平行不整合覆蓋于馬家溝組之上，頂板主要以灰色、深灰色細砂巖、粉砂巖和頁巖。石炭系—二疊系山西組含2層煤，整合覆蓋于太原組之上，其下部主要為微-中風化灰色、深灰色細砂巖、粉砂巖、含礫砂巖和礫巖，夾煤線；上部為灰色、灰綠色厚層狀砂巖與薄層狀粉砂巖互層，長石石英砂巖夾泥質粉砂巖。該地區煤層埋藏較淺，地表可見出露。

該地區煤礦開采歷史已有百年，多為個人或村集體開采，開采深度約在100m以內。由于受季節降水影響，很多窯口開采周期僅為1年，礦井充水后就又另起窯口。地表調查可見多處坍塌窯口，同時地表可見多處條帶型塌坑和平行的地裂縫。由于無歷史開采資料和礦產勘查資料，對于以往開采情況無從了解，需要開展詳細的地質勘查工作才能確定采空區的范圍與分布[2]。

2 圈定開采區的勘查技術方法

勘查區內基礎地質資料較少，地質情況較為復雜，勘查工作需要從多個方面入手，采用地面調查、地球物理勘探和鉆探等多種技術手段來推斷采空區的深度、厚度和分布范圍。3項工作都有自身的優缺點，相互對比驗證各項成果推斷出的采空區特征才能更可信(圖1)。

勘查方法的布置原則：①地面調查：大比例尺（1：2000）采空區地面調查宜采用最大10m×10m網格進行控制調查，對發現的塌陷帶和地裂縫采取追索式測量定位，對可見窯口測量定位，并確定巷道方向。②物探工作：根據擬建工程分布密度，網狀布設測線，測線間距不應超過擬建工程間距。如沒有規劃建筑，則以探測目標體規模確定，以采空區大致深度和范圍控制，高密度電法和瞬變電磁測線間距約20～80m，分別控制50m以淺和150m以淺的采空區。探地雷達主要針對20m以淺的采空區進行探測，測線可加密，特別是地裂縫和塌陷帶發育區，可追索布設。③鉆探工作：盡量根據擬建工程分布位置布設。如沒有規劃建筑，則配合勘探線布設，間距約50～100m，鉆孔深度達到灰巖層為止。

圖1 勘查工作布置圖

2.1 地質調查

對勘查區開展的地質調查工作從多方面進行，主要內容有：①收集工作區內相關各類已有的地質資料和勘查成果，包括地形地貌、氣象水文、區域地質、礦山勘探及開采、地質災害勘查、地球物理探測資料和地下工程施工資料，并對這些資料進行分類整理。②野外調查勘查區內的地質環境條件，地球物理勘探和鉆探工作現場施工條件。③調查勘查區內采空塌陷地表的詳細特征，主要有開采窯口、塌陷坑、地裂縫和地面沉降等發生的位置、區域和延伸方向。

地質調查工作的目的在于詳細了解勘查區內地質環境背景和災害地表的發育特征，繪制基礎的地質礦產圖和塌陷災害特征現狀圖，對調查到的地裂縫位置與延伸方向、窯口位置與延伸方向、塌陷坑的分布區域等進行準確定位。同時詳細了解地形地貌和人類活動情況，指導地球物理勘探和鉆探現場工作部署。

地質調查是采空塌陷勘查工作的必要條件之一，其成果直觀，可信，標注的位置準確，同時可以為地球物理勘探結果的解譯提供判斷依據，也是勘查區內礦層劃分的重要手段。地面調查結果基本可以圈定有可能存在采空區的區域。如果礦產勘查資料和礦產開采資料齊備，可通過地質調查基本確定采空區邊界、深度與厚度，可作為圈定采空區的主要勘查方法，地球物理勘探和鉆探可作為輔助性工作少量部署，用以驗證推斷結果。

在缺乏礦產勘查資料和礦產開采資料的情況下，地質調查雖然重要，但不能準確圈定采空區邊界和深度，只能大致圈定采空區可能分布的范圍。不能將地質調查的成果作為圈定采空區分布范圍的充分條件。

2.2 地球物理探測

（1）地球物理勘探方法的選擇

地球物理勘探工作采用多種方法開展了探測試驗工作，對方法的應用條件和效果進行了總結，見表1。通過試驗效果比選，針對勘查區地質環境條件和目標體探測深度，選用了高密度電法、瞬變電磁和地質雷達3種方法進行探測。

（2）地球物理勘探結果解譯

首先在勘查區進行了試驗鉆孔，根據鉆孔電阻率測試情況，區域內粘土與煤炭礦層電阻率值小于5Ω，表現為低阻異常，其礦層頂板中的砂巖電阻率值較高，但因富水情況復雜，變化較大。開采層電性特征表現為上方和左右電性層突變，根據鉆孔對比分析，采空電阻率范圍視充填物含水情況分別為3～20Ω·m及60～80Ω·m。

①高密度電法：高密度電法對60m以淺低阻電性層反應明顯，對異常區的頂部深度與水平方向邊界反應明顯，如圖2。

表1 地球物理勘探方法試驗效果統計表

圖2 高密度電阻率異常剖面圖

②地質雷達：地質雷達探測深度較淺，但精度較高，對淺部采空塌陷情況反應明顯，其塌陷區域形成明顯的V字形塌陷漏斗，如圖3。淺部地區地質雷達與高密度電法異常位置相似特征見圖4。相同深度，高密度電阻率表現為低阻異常區，地質雷達異常為波形多次強放射。

③瞬變電磁：瞬變電磁探測深度最大，可達到200m，對于斷裂及深部礦層的分布區域性判斷較為明顯，見圖5。由圖像可見：測線淺部視電阻率較高，為淺表松散堆積物的反映，中部的低阻區域為煤巖、青灰、碳質粘土的分布區域，底部的高阻區域為完整巖體的反映。

地球物理勘探技術的優勢在于從勘查區的地球物理場中尋找異常區域，通過互相對比分析推斷采空區的分布位置與深度，對于圈定采空區地下開采邊界的位置起到重要作用，其它方法不可替代。地球物理勘探的缺點，在于其成果是從側面反映探測目標體的空間分布，并不是直視目標體，由于地下水和巖層之間的復雜關系，其探測成果往往存在多解性，因此，該技術方法是勘探工作的必要手段，但并不是圈定采空區的充分條件。

圖3 地質雷達解譯圖

圖4 地質雷達與高密度電法異常對比

圖5 瞬變電磁解譯圖

2.3 鉆探

在地質調查和地球物理勘探成果的基礎上，布置一定的鉆探工作，可對地質調查的推斷和地球物理勘探的解譯起到驗證作用。

鉆探可直接查明某一點位地層結構與巖性特征、巖石破碎程度、巖土體工程地質特征、是否存在采空區及確定礦層或開采層的厚度等，同時測孔工作可提供地球物理勘探所需的巖層電性參數，見圖6。

鉆探工作的優勢非常突出，是勘查方法的必要條件，是采空區勘查工作必不可少的工作內容，對于揭示采空區底板的位置非常重要，可直接區分某一點位的巖層垂向分層，如果礦層開采后未進行放頂，則鉆探成果發現的空層厚度可經過角度計算得出開采厚度。同時鉆探可直接獲取采空塌陷區巖體破壞情況，通過多方面測井工作，可獲悉采空塌陷區的水文情況，為電法勘探提供直接的參考數據。鉆探工作缺點也比較明顯，施工平臺受場地條件限制較大，費用較高，所能揭露的采空區范圍有限，不能準確的圈定采空區邊界。同時受鉆孔工藝所限，在采空塌陷區取芯率較少，有時不能直接判斷是否已經鉆入采空塌陷區還是斷裂破碎帶。鉆探是采空塌陷勘查技術必不可少的手段，但不是圈定采空區范圍的充分條件。

2.4 初步推斷采空區范圍

綜合地質調查、地球物理勘探和鉆探的成果，可初步推斷采空區范圍。依靠地質調查判斷采空區可能存在的區域，并將地表塌坑、裂隙等災害發育位置確定；依靠地球物理勘探推斷采空區地下埋深和邊界；用鉆孔驗證地質調查和地球物理勘探成果，并確定采空區塌陷情況、空洞厚度等準確信息。綜合成果基本可以初步推斷采空區的平面位置、深度、厚度和覆巖塌陷情況。門頭溝秋坡地區采空塌陷勘查各類方法綜合統計部分結果見表2。

表2 鉆探、物探與地質調查結果綜合統計

圖6 鉆孔電阻率測試

為能驗證推斷采空區空間位置分布的準確性，還需要進行理論計算與實際發生情況的對比分析。通過對推斷采空區塌陷影響范圍和深度的計算，可在理論上圈定塌陷影響到地表的范圍和主要特征。用理論推導結果與實際地質調查結果的配比程度，來驗證推測采空區空間位置分布的準確性。

3 采空塌陷影響范圍計算與勘查結果對比

3.1 采空塌陷三帶分布深度計算

理論計算采空塌陷影響范圍，主要是計算采空塌陷帶、裂隙帶和地面下沉帶的深度范圍，計算采空塌陷影響到地表的平面范圍。用鉆孔取得采空區上方各層巖芯，進行巖石力學試驗，取得覆巖力學參數，用實際參數進行計算可得到更準確科學深度范圍值。

計算方法采用《煤礦床水文地質、工程地質及環境地質勘查評價標準》，計算采空區導水裂隙帶最大高度。門頭溝秋坡地區由于采深較淺，覆巖多為砂質頁巖、泥質砂巖、頁巖等，其巖石抗壓強度多數在30～60MPa之間。

冒落帶最大高度：Hc=(4～5)M

導水裂隙帶（包括冒落帶）最大高度：

以MC1采空區為例，經計算，冒落帶厚度在18.4～23m之間，通過圖2高密度電阻率法剖圖可以看出，推測采空區厚度最厚處為21m，與計算結果較為符合。

冒落裂隙帶計算深度為113.4m，MC1大部分開采深度小于裂隙帶最大高度，見表3，表明裂隙會直達地表，這與實際地面調查災害情況相符。

表3 MC1采空區冒落裂隙帶計算結果

3.2 采空塌陷地表影響區計算

采空塌陷影響區域采用建筑物留設保護煤柱垂線法計算，反向推算采空塌陷變形范圍。

對采空一區（MC1）進行了計算，采空的垂線高度西部為59m，東部為140m；γ=δ=55°，β=65°-0.6α，θ=0°；松散層厚度11m，煤層平均傾角α=16°；分別在上山方向和走向方向0m、120m、157m、201m處進行計算垂線長度，上山方向為39m，走向方向四段垂線長度為52m、86m、96m、109m。計算圈定采空塌陷影響范圍見圖7。

圖7 推測采空塌陷影響范圍與地表災害現狀對比分析圖

通過圖7可看出，根據地球物理勘探和鉆探推斷的采空區各項參數進行計算后，圈定的采空塌陷影響范圍邊界附近存在地表裂縫，且裂縫的延伸方向與計算邊界延伸方向一致，表明理論計算結果與實際發生的結果較為一致，證明推斷采空區的空間位置是比較準確的，計算的采空塌陷影響范圍是比較精確的。可以推斷采空區內并未全部塌陷，依然存在較厚的空層，仍有發生地面塌陷的可能。

4 結論

通過以上分析研究，主要有以下經驗總結：

采空區的勘查工作需要多種技術方法相互配合解釋，每一項技術方法的成果只是必要條件，并不是推斷采空區特征的充分條件。

采空區的勘查工作需要將地質調查、地球物理勘探、鉆探、巖石力學實驗等每一項勘查技術方法協調配合，每項的結果要相互驗證，形成完整的技術鏈條，以此推斷的采空區各項特征才更真實可靠，對規劃工程建設提供的基礎信息才更加準確可信。

[1]吳成平，胡祥云.采空區的物探勘查方法[J].地質找礦論叢，2007，22(1)：19～23.

[2]北京市地質研究所. 北京市門頭溝區永定鎮秋坡村旅游綜合開發項目地質災害勘查[R]. 2013.