綜合勘查技術在東北某老采空區探測中的應用

張凱 徐超

摘要：由老采空區引發的地災災害在東北地區比較常見，嚴重威脅當地人民生命財產安全，本文對某采空區在地質調查的基礎上開展了高密度電法和瞬變電磁法的物探工作，初步確定了采空區的位置和特征，據此進行了鉆探和井下電視等驗證工作，得到了該區5個采空區的具體特征參數，進而利用理論計算和實際對比的方法分析了每個采空區的影響及危害，最后提出了當地采空區引發地質災害的防治措施與建議。

關鍵詞：采空區；高密度電法；瞬變電磁法；鉆探；井下電視

前言

煤炭為東北地區40、50年代主要的經濟支柱產業，長期無節制開采形成許多老采空區，近些年因地質環境條件的變化常出現地面塌陷、地面沉陷和地裂縫等地質災害，導致房屋開裂和道路、農田等不同程度的受到損害。本文以東北某老采空區為實例，首先通過收集勘查區的礦山地質、水文地質、工程地質、環境地質及氣象水文資料，然后進行工程物探、工程鉆探、井下電視等工作，再對各巖層、采空區及煤層頂板的巖芯又進行了工程地質試驗，最后采用相似工程經驗及相關規范對采空區穩定性進行評價。

1 地質環境條件

勘查區為山間沖洪積谷地，海拔在280.0～330.0m，溝谷寬度在80～700m。區內地層為侏羅系中統、下統，新生界第四系以及晚侏羅世侵入巖，第四系主要為礫石、砂和黏性土，侏羅系地層為本區內主要的富煤地層，巖性為礫巖、砂巖、頁巖和煤，侵入巖為斑巖。區內斷裂構造不發育，為一略向北西傾伏的寬緩單斜構造。地表水以季節性河流為主，受大氣降水影響較大，地下水主要為松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水。

2地球物理勘探

本次采空區勘查工程物探在調查走訪和參考相鄰地區經驗基礎上采用直流高密度電測深法和瞬變電磁法完成。勘查區民房密集致使測線很難規則布設，因此本次電法勘探的測網布設以能實際施工為準，共布設測線20條，基本電極距為5m。完成觀測斷面長度13130m，完成物理點2706個，其中線上物理點2466個，試驗點160個，檢測點80個。完成瞬變電磁8條測線，測線總長800m，點距5m，線距20m，完成物理點184個，其中測線物理點166個，檢測點10個，試驗點8個。

2.1 高密度電法

高密度電法利用人工電場發生畸變的基本原理，通過對不同電阻率的巖層或孔洞探測時電場變化的特點，獲得不同介質的電阻率變化規律，達到對孔洞探測的目的。本次工作數據采集采用重慶地質儀器廠研制的DZD-6A多功能直流電法（激電）儀與一臺MIS-120型多路電極轉換器及電極數為120根為基本觀測斷面組成的DUK-2A高密度電法測量系統。從該區現場得到的物探影像圖上可知整個測區視電阻率變化情況大體一致，總體趨勢是上高下低，變化范圍在幾百至上千歐姆之間，上部電阻率較高層是地表第四系粉砂、亞砂土的反映，往下電阻率值逐漸降低，為基巖（砂巖等）層的反映。推斷采空區部位的測線中表現為半封閉高阻圈或在下部有對應的高阻突起，電阻率大于1200Ωm為不含水的采空區，電阻率小于200Ωm且出現封閉圈的認定為含水采空區。

根據高密度電法解譯成果基本判定勘查區內共存在大小采空區共5個，其中有4個為非充水采空區，1個為充水型采空區。采空區形狀以長方形和橢圓形為主，高度2米左右，埋深在30～100米之間，平面投影面積為0.29×104～2.63×104㎡，圖1為非充水型采空區典型剖面解譯圖。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是以電磁感應原理為基礎，即導電介質在階躍變化的激勵磁場激發下產生渦流場問題。它利用接地線源（電偶源）或不接地回線（磁源）向地下發送一次脈沖磁場（一次場），在其激發下，地下地質體中激勵起的感應渦流將產生隨時間變化的感應電磁場（二次場），由于二次場含有地下地質體豐富的地電信息，在一次場間歇期間，通過接地電極或線圈觀測二次場，并提取和分析響應信息，從而達到探測地下地質體的目的。

為了驗證物探勘探方法有效性在高密度電法資料的基礎上，在適合的地段施工了8條瞬變電磁測線已驗證高密度電法的可靠度。本次施工采用的加拿大產的V8數字電法儀，施工點距5m，線距20m。

以B4測線為例（圖2），B4線貫穿1號、3號、5號三個采空區，其中0-26m范圍內為高密度電法解釋的1號采空區范圍，由剖面可知在0-40m范圍內B4線呈高阻封閉狀態與周圍地層電性差異明顯，可以確定為可靠采空區，與高密度電法解釋吻合；同理，在75-90m范圍內為高密度電法解釋的采空區，剖面上在70-105m范圍內基本呈高阻封閉狀態，可以確定為采空區，也與高密度電法解釋的吻合。在剖面50-60m范圍內為高密度電法解釋的低阻采空區5號，瞬變資料表明在均勻電性層上有一個跳點，基本可以認定其與高密度解釋的一致性。通過對瞬變電磁法解譯資料的分析比較可以綜合認定高密度電法勘探的有效性和準確性。

圖1 非充水型采空區解譯斷面 圖2 B4線瞬變電磁斷面圖

3 鉆探

為了對地球物理勘探結果進行驗證和進一步分析，在5個物探確定采空區內共布置了16個鉆孔進行鉆探取樣以及井下電視等相關工作，直觀地獲得了直接頂底板厚度、巖性，采空區埋深、厚度、層數以及煤組類型等基礎信息，鉆探成果匯總于表1，對比分析后為下一步評價提供了直接依據。

綜合以上地球物理勘探和鉆探工作成果，勘查區內共確定采空區5處（表2），基本查明了采空區的分布特征與情況，驗證了幾種綜合勘探技術的有效性和適用性。

4 采空區評價

4.1 理論計算

本例按照小窯采空區垮落高度計算公式和礦區水文地質工程地質勘探規范公式分別計算頂板坍塌的最大高度，計算結果匯總于表3。

（1）小窯采空區垮落高度計算

不同的上覆巖層垮落方式，其垮落的最大高度不同，假設垮落的破碎巖塊能全部充滿采空區，本勘查區煤層頂板以上巖石基本為中等堅硬巖層，局部為較軟～軟巖層，覆巖按矩形坍塌區考慮，巖石碎漲系數K按經驗取值1.20，則垮落的最大高度可按公式（1）估算：

式中m—煤房厚度，K—覆巖的碎漲系數

（2）根據礦區水文地質工程地質勘探規范，本勘查區煤層頂板基本為中等堅硬巖石，跨落帶和導水裂隙帶由公式（2）（3）計算。

4.2 采空區評價

綜合對比以上兩種計算方法，既有采空區的垮落帶高度計算結果基本相近，證實兩種計算方法基本可靠。

1號采空區跨落帶高度和裂隙帶的高度合值為37.7m～39.5m，小于煤層上覆正常基巖厚度，采空區埋深約72m，上覆第四系厚度7.5m，裂隙帶至地面距離32.0m左右，則地表主要受彎曲帶影響，不會出現塌陷及地裂縫等地質災害。同理，2，4，5三個采空區對地表的影響均不大，亦不會出現塌陷及地裂縫等地質災害。

3號采空區跨落帶高度和裂隙帶的高度合值接近40m，大于其頂板埋深，裂隙帶直接影響到地表，地面易形成塌陷坑和地裂縫，與現場調查走訪情況相一致。

5 結論及建議

（一）本次勘查共圈定采空區5處，其中有1處充水其余為空洞型，采空區總面積為9.17ha，采空區所采煤層為大堡子組I煤、長梁子III、IV煤組，采空埋深一般為30m～103m，采空高度0.5m～1.8m，且大部分采空區煤層頂板未塌落。

（二）經理論計算垮落帶和裂隙帶高度之和為16m～39.5m，根據采空區埋深和第四系厚度確定除3號采空區對地表影響較大，有可能出現地面塌陷和地裂縫外，其余4個采空區僅彎曲帶影響到地表，地表可能會出現沉陷盆地和不均勻沉降。

（三）勘查區內對已經查明的采空區及其發生地質災害地段，應劃定為采煤沉陷危險區，予以公告預警。在地面塌陷地質災害發育地區設立隔離網，并設置明顯警示標志，對村民進行宣傳及提示等工作。對采空區預測影響范圍內地面變形、地質災害等應進行長期觀測工作，設置長期沉降監測標，定期進行地面監測，為查明采空區地表變形規律，分析采空區發展程度及后期穩沉評價等提供必要的數據，同時也能夠監測到變形規律，為各項工作提供預警及防治基礎。

參考文獻

[1]路軍臣，蘇維濤，張濟懷.瞬變電磁法在探測小窯采空區中的應用[J].河北煤炭，2002，（2）：39，61.

[2]孫宗東，劉強，朱吉勝，等.沿空掘巷采空區積水探放技術[J].煤炭工程，2012，44（8）：37-39.

[3]郭恩惠，劉玉忠，趙炯，等.綜合物探探測煤礦采空區塌陷區[J].煤田地質與勘探，1997，25（5）：8-11.

[4]GENG H，ZHANG K，ZHANG H.Research on sustainable development of resource-based small industrial and mining cities-a case study of yangquanqu town，Xiaoyi，Shanxi province，China [J].Procedia Engineering，2011，21：633-640.

[5]張淑婷.地球物理勘查技術在探測煤礦采空區中的應用[J].物探與化探，2012（增刊1）：83-87.

[6]胡承林.綜合物探技術在煤礦采空區的應用研究[D].成都：成都理工大學，2011

[7]魏勇，周韜.瞬變電磁法在探測煤礦采空區的應用分析[J].中州煤炭，2012（10）：26-30.

[8]楊鏡明，魏周政，高曉偉.高密度電阻率法和瞬變電磁法在煤田采空區勘查及注漿檢測中的應用[J].地球物理學進展，2014，29（1）：362-369.

作者簡介：張凱（1985-），男，漢族，遼寧阜新，碩士研究生，工程師，主要從事地質災害勘查、設計及相關巖土工作。

徐超（1986-），男，漢族，遼寧沈陽，碩士研究生，工程師，從事巖土工程工作。

（作者單位：中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司）