綜合物探探測煤礦采空塌陷區

喬京亮

（山西華冶勘測工程技術有限公司，山西 太原 030000）

一、采空塌陷區的形成與影響

（一）采空塌陷區的形成

采空塌陷區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，從地下進行，所以一旦地下洞穴上面部分的土城發生塌陷，那么對于整個煤礦洞穴來說，都是非常危險的事情，相同道理如果煤礦洞穴下層土層發生偏移或者下陷也會造成整個煤礦安全問題隱患，這是因為煤礦開采過程中，對于煤礦的采集會使得地下形成采空區，而采空區會導致地應力平衡不均勻，整個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大，那么就會導致煤礦發生塌陷的情況。具體闡述如下:

煤礦采集工作是在一個工作面上進行的，這個工作面會隨著工作時間與進度不斷向前推進，推進過程中就會帶來采動影響，這一影響不斷擴大，會導致煤礦洞穴上層部分形成三個由于受力不均勻而形成的地帶，這三個地帶一般是平行的，最深層的第一個地帶是冒落帶，中間一層第二個地帶是裂隙帶，更上一層，第三個地帶是彎曲下沉帶，一般來說，第三個地帶的最上層就是地表，表現出的情況就是地表下陷，如果采空區十分巨大，那么上述這三個地帶就會形成一個更為巨大的、十分危險的下沉盆地，所以一般為了避免事故發生，煤礦采集過程中會對下沉盆地進行增加結構支撐的操作。

（二）采空塌陷區的影響

煤礦開采結束之后，一般不會對煤礦進行回填等一系列的操作，這主要是因為一方面避免人力與物力的浪費，另一方面是因為開采終結之后一段時間煤礦洞穴上方土層覆巖會自動適應新的應力平衡，自動適應的時間一般會隨著開采深度而有不同變化，一般來說，200m 以內的深度恢復時間較短，通常七個月之后，就可以形成新的應力適應，最長不會超過14 個月，覆巖層就可以開始新的應力適應階段，在這一階段當中，整個土層三個地帶，都屬于暫時穩定的狀態，在這一暫時穩定狀態當中，一般不建議在采空區上方進行修建建筑物等其他對于土層受力影響嚴重比較大的施工操作，因為一旦進行這些施工操作，就會使得三帶剛剛適應好的應力平衡被打破，一般打破這種應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上方修建建筑物，第二種常見操作就是在采空區鄰區進行煤礦或者其他項目的開采，第三種常見操作就是對于煤礦采空區地下進行強排水操作，第四種常見操作就是對煤礦采空區整個立體空間內，另外還有其他煤層進行開采的多煤層開采操作，這四種常見操作都可能會導致采空區上方土層脫離暫時的穩定狀態，還有一種自然情況，就是地震也會導致上方土層脫離暫時穩定狀態，而導致地表下沉，或者是斷層面滑動變形，再或者是沿層面滑動變形，這些情況嚴重的話，會產生空洞冒落現象，這最終導致整個地面塌陷，總之無論是哪種現象產生，都會使得地面上方的建筑物出現不穩定偏移，這種不穩定偏移有四種狀態，第一個狀態就是建筑物下沉，第二個狀態就是局部開裂，第三個狀態就是建筑物傾斜，第四個狀態就是以上三個狀態逐層遞進最終導致建筑物坍塌，但是建筑物產生偏移的四個狀態推進不是一蹴而就的，一般來說都是潛移默化的變形導致的，最終發生坍塌帶來巨大危險，這帶來的影響是非常巨大的，不僅嚴重影響人們生產生活，而且危害人們的生命財產安全，為了避免這些現象的發生，高效的對于采空塌陷區進行綜合物探是非常有必要的，而且需要對于采空塌陷區域做出評價，根據采空塌陷區實際情況，提出適宜的防治措施，可以挽回采空塌陷區帶來的危害。

二、采空塌陷區的綜合探測方法

目前來說，采空塌陷區探測研究已經脫離發展階段，雖然依舊存在著研究手段和理論不是十分完善的情況，但是基于以往關于采空塌陷區探測方面的許多經驗和資料，并且結合實驗室的許多數值模擬實驗，以下將討論關于采空塌陷區探測的三點地球物理基礎：

（一）高分辨地震勘探

高分辨地震探測是地面地震勘測發展而來的衍生技術，這個技術是地面地震勘測應用到煤礦的一個較為成熟的勘測技術，具體的探測方法就是根據煤礦區域資料進行分析。將顯示的煤層情況通過一定技術手段區別探索出主煤層的各層分布，根據主煤層的分布情況，控制三個重要結構的分布，第一個重要結構就是采空邊界，第二個重要結構就是斷層，第三個重要結構就是煤柱，將這三個重要結構進行位置控制之后就可以根據反射波進行具體的勘探判斷。這一方法理論依據就是依據發射波的物理基礎進行的，反射波可以從同一反射界面進行反射，也可以通過同一薄層的不同反射界面進行反射，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的各種特性進行判斷與分析，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狀，第四種影響因素就是覆蓋巖層的性質，如果這四種影響因素在兩個反射點之間存在著差異，那么這兩個反射點所接收反射波信號會表現出不同的振幅、同相軸與波形，地震勘測表現不同會直接影響判斷目的層的反射特性。

（二）鉆孔彈性波CT

我國經濟飛速發展，這使得CT 技術也水漲船高，相關的科技水平不斷進步，直接推動了彈性波CT 技術朝著十分喜人的方向發展，彈性波CT在煤礦勘測當中，應用的范圍越來越廣。具體操作方法就是在煤礦探測進行之前，應用探測鉆按照實際需要探測的點鉆鉆孔，這些鉆孔都是地質構造情況判斷的依據，在一個鉆孔當中可以進行多次測試，一般來說就是在一個鉆孔當中不同深度按順序放炮，這時其他狀況內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候地震縱波的記錄數據，而且將這些檢測裝置連接計算機，就可以迅速的在計算機上得到相映繪制線圖，這些繪制線圖是通過不同數學方法在計算機上分析得來的，給出兩個鉆孔之間的地質異常體賦存狀態，根據這一異常狀態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，對于煤礦地質勘測來說可以做到無損檢測，是現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，再根據不同點之間氡射氣含量大小進行比較，從而將兩點之間的區域段及性質分析出來，這樣就可以分析出具體的地質問題。這種方式相對來說較為簡單，因為只要巖層存在裂隙或者斷層破碎帶，再或者是巖層出現風化帶或者松散帶，那么氡氣就會通過這些出現的縫隙，由地底深處向地表。進行擴散，在老窖采空區存在著許多由于各種各樣的原因出現的地層縫隙，這些縫隙就是氡氣傳輸的良好通道，只要在老窖采空區不同地點之間對氡氣含量進行檢測，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量，氡氣再向上擴散的過程當中一般都含有α 粒子強度增強的現象，所以可以依據這些α 法粒子進行檢測，從而分析出煤礦采空區的位置和范圍，而且這種方法在施工過程中相對方便而且經濟性高，在施工過程中也不會受到電、磁、聲的影響，所以工程領域應用十分廣泛。

三、對于三種物探方法對比

由表1 對比內容可以看出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，應用范圍廣，不會受到電磁聲三方面的影響，在其他方法應用有限的時候，這一方法也可以作為輔助方法進行輔佐。

表1 三種物探方法的使用及效果對比表

準確度最高的就是高分辨地震勘測，這一方法可以得到連續深度各個剖面，而且每個剖面與實際地質剖面較為符合，但是這一方法不適宜應用到陡峭的地區當中。所以存在一定的限制性，而且在使用這一方法的時候，一般都需要專業的地震隊進行，操作的也是多道地震儀，需要較強的專業性人員進行，所以一般應用不是十分廣泛，許多煤礦小項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行勘測。

如果需要呈現出容易識別，而且直觀的剖面效果，那么就必須應用到彈性波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，而且呈現出的剖面效果也是較為準確的，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用范圍要更廣一些。

四、結語

實際上對于煤礦的采空塌陷區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行，因為多種物探方法的結合，可以對于煤礦采空區進行更為細致、準確的判斷，這樣就可以減少煤礦采空區因勘測失誤出現坍塌現象，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的勘測來說也是十分有效的，在日常中應用相對以上三種來說較少。對于采空塌陷區的探測，主要是為了形成采空區的具體范圍，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知，是治理采空塌陷區有效的科學依據之一。