老采空区勘查技术方法研究

吴 彬，李远强，张国华

（北京市地质研究所，北京 100120）

0 序言

由于各种矿产资源的开采，在地下形成了采空区。特别是各种小煤窑的滥开滥采，导致许多隐性采空区的存在，给人们的生产生活带来极大的影响，甚至危及到人身安全[1]。老采空区多数缺乏开采的详细资料，多数开采方式是个人或村集体开采，开采深度较浅，没有详细的开采规划，在空间上确定开采区域和面积比较困难。在老采空区上进行规划建设，是需要详细确定采空区的位置、深度、厚度和影响范围等信息，需要对老采空区开展详细的勘查工作才能实现。目前没有单一的勘查方法与技术手段可以直接确定采空区的分布，只能通过地面调查、地球物理勘探、钻探等多种技术手段综合对比分析推断采空区的各项特征。

本文通过对浅层老窑煤矿采空区实施的综合详细勘查工作进行了总结与研究分析。主要总结分析了地面调查、地球物理勘探、钻探等技术方法的实施要点和各类方法的优缺点，并通过多种技术方法的对比验证，推断出采空区的位置与深度。对采空区上方的覆岩力学参数进行了实验与计算，得到推断的采空塌陷三带影响区域。最后将计算结果与实际调查得到的结果进行了对比，在空间位置上得到了非常好的验证。

1 采空塌陷灾害地质背景

勘查区位于北京市门头沟区秋坡村，区内地层主要为奥陶系马家沟组、石炭系太原组、石炭系—二叠系山西组、二叠系石盒子组地层，地表有薄层第四系覆盖。

含煤地层主要为石炭系太原组和石炭系—二叠系山西组。自上而下共含4层煤，其中石炭系太原组含2层煤，平行不整合覆盖于马家沟组之上，顶板主要以灰色、深灰色细砂岩、粉砂岩和页岩。石炭系—二叠系山西组含2层煤，整合覆盖于太原组之上，其下部主要为微-中风化灰色、深灰色细砂岩、粉砂岩、含砾砂岩和砾岩，夹煤线；上部为灰色、灰绿色厚层状砂岩与薄层状粉砂岩互层，长石石英砂岩夹泥质粉砂岩。该地区煤层埋藏较浅，地表可见出露。

该地区煤矿开采历史已有百年，多为个人或村集体开采，开采深度约在100m以内。由于受季节降水影响，很多窑口开采周期仅为1年，矿井充水后就又另起窑口。地表调查可见多处坍塌窑口，同时地表可见多处条带型塌坑和平行的地裂缝。由于无历史开采资料和矿产勘查资料，对于以往开采情况无从了解，需要开展详细的地质勘查工作才能确定采空区的范围与分布[2]。

2 圈定开采区的勘查技术方法

勘查区内基础地质资料较少，地质情况较为复杂，勘查工作需要从多个方面入手，采用地面调查、地球物理勘探和钻探等多种技术手段来推断采空区的深度、厚度和分布范围。3项工作都有自身的优缺点，相互对比验证各项成果推断出的采空区特征才能更可信(图1)。

勘查方法的布置原则：①地面调查：大比例尺（1：2000）采空区地面调查宜采用最大10m×10m网格进行控制调查，对发现的塌陷带和地裂缝采取追索式测量定位，对可见窑口测量定位，并确定巷道方向。②物探工作：根据拟建工程分布密度，网状布设测线，测线间距不应超过拟建工程间距。如没有规划建筑，则以探测目标体规模确定，以采空区大致深度和范围控制，高密度电法和瞬变电磁测线间距约20～80m，分别控制50m以浅和150m以浅的采空区。探地雷达主要针对20m以浅的采空区进行探测，测线可加密，特别是地裂缝和塌陷带发育区，可追索布设。③钻探工作：尽量根据拟建工程分布位置布设。如没有规划建筑，则配合勘探线布设，间距约50～100m，钻孔深度达到灰岩层为止。

图1 勘查工作布置图

2.1 地质调查

对勘查区开展的地质调查工作从多方面进行，主要内容有：①收集工作区内相关各类已有的地质资料和勘查成果，包括地形地貌、气象水文、区域地质、矿山勘探及开采、地质灾害勘查、地球物理探测资料和地下工程施工资料，并对这些资料进行分类整理。②野外调查勘查区内的地质环境条件，地球物理勘探和钻探工作现场施工条件。③调查勘查区内采空塌陷地表的详细特征，主要有开采窑口、塌陷坑、地裂缝和地面沉降等发生的位置、区域和延伸方向。

地质调查工作的目的在于详细了解勘查区内地质环境背景和灾害地表的发育特征，绘制基础的地质矿产图和塌陷灾害特征现状图，对调查到的地裂缝位置与延伸方向、窑口位置与延伸方向、塌陷坑的分布区域等进行准确定位。同时详细了解地形地貌和人类活动情况，指导地球物理勘探和钻探现场工作部署。

地质调查是采空塌陷勘查工作的必要条件之一，其成果直观，可信，标注的位置准确，同时可以为地球物理勘探结果的解译提供判断依据，也是勘查区内矿层划分的重要手段。地面调查结果基本可以圈定有可能存在采空区的区域。如果矿产勘查资料和矿产开采资料齐备，可通过地质调查基本确定采空区边界、深度与厚度，可作为圈定采空区的主要勘查方法，地球物理勘探和钻探可作为辅助性工作少量部署，用以验证推断结果。

在缺乏矿产勘查资料和矿产开采资料的情况下，地质调查虽然重要，但不能准确圈定采空区边界和深度，只能大致圈定采空区可能分布的范围。不能将地质调查的成果作为圈定采空区分布范围的充分条件。

2.2 地球物理探测

（1）地球物理勘探方法的选择

地球物理勘探工作采用多种方法开展了探测试验工作，对方法的应用条件和效果进行了总结，见表1。通过试验效果比选，针对勘查区地质环境条件和目标体探测深度，选用了高密度电法、瞬变电磁和地质雷达3种方法进行探测。

（2）地球物理勘探结果解译

首先在勘查区进行了试验钻孔，根据钻孔电阻率测试情况，区域内粘土与煤炭矿层电阻率值小于5Ω，表现为低阻异常，其矿层顶板中的砂岩电阻率值较高，但因富水情况复杂，变化较大。开采层电性特征表现为上方和左右电性层突变，根据钻孔对比分析，采空电阻率范围视充填物含水情况分别为3～20Ω·m及60～80Ω·m。

①高密度电法：高密度电法对60m以浅低阻电性层反应明显，对异常区的顶部深度与水平方向边界反应明显，如图2。

表1 地球物理勘探方法试验效果统计表

图2 高密度电阻率异常剖面图

②地质雷达：地质雷达探测深度较浅，但精度较高，对浅部采空塌陷情况反应明显，其塌陷区域形成明显的V字形塌陷漏斗，如图3。浅部地区地质雷达与高密度电法异常位置相似特征见图4。相同深度，高密度电阻率表现为低阻异常区，地质雷达异常为波形多次强放射。

③瞬变电磁：瞬变电磁探测深度最大，可达到200m，对于断裂及深部矿层的分布区域性判断较为明显，见图5。由图像可见：测线浅部视电阻率较高，为浅表松散堆积物的反映，中部的低阻区域为煤岩、青灰、碳质粘土的分布区域，底部的高阻区域为完整岩体的反映。

地球物理勘探技术的优势在于从勘查区的地球物理场中寻找异常区域，通过互相对比分析推断采空区的分布位置与深度，对于圈定采空区地下开采边界的位置起到重要作用，其它方法不可替代。地球物理勘探的缺点，在于其成果是从侧面反映探测目标体的空间分布，并不是直视目标体，由于地下水和岩层之间的复杂关系，其探测成果往往存在多解性，因此，该技术方法是勘探工作的必要手段，但并不是圈定采空区的充分条件。

图3 地质雷达解译图

图4 地质雷达与高密度电法异常对比

图5 瞬变电磁解译图

2.3 钻探

在地质调查和地球物理勘探成果的基础上，布置一定的钻探工作，可对地质调查的推断和地球物理勘探的解译起到验证作用。

钻探可直接查明某一点位地层结构与岩性特征、岩石破碎程度、岩土体工程地质特征、是否存在采空区及确定矿层或开采层的厚度等，同时测孔工作可提供地球物理勘探所需的岩层电性参数，见图6。

钻探工作的优势非常突出，是勘查方法的必要条件，是采空区勘查工作必不可少的工作内容，对于揭示采空区底板的位置非常重要，可直接区分某一点位的岩层垂向分层，如果矿层开采后未进行放顶，则钻探成果发现的空层厚度可经过角度计算得出开采厚度。同时钻探可直接获取采空塌陷区岩体破坏情况，通过多方面测井工作，可获悉采空塌陷区的水文情况，为电法勘探提供直接的参考数据。钻探工作缺点也比较明显，施工平台受场地条件限制较大，费用较高，所能揭露的采空区范围有限，不能准确的圈定采空区边界。同时受钻孔工艺所限，在采空塌陷区取芯率较少，有时不能直接判断是否已经钻入采空塌陷区还是断裂破碎带。钻探是采空塌陷勘查技术必不可少的手段，但不是圈定采空区范围的充分条件。

2.4 初步推断采空区范围

综合地质调查、地球物理勘探和钻探的成果，可初步推断采空区范围。依靠地质调查判断采空区可能存在的区域，并将地表塌坑、裂隙等灾害发育位置确定；依靠地球物理勘探推断采空区地下埋深和边界；用钻孔验证地质调查和地球物理勘探成果，并确定采空区塌陷情况、空洞厚度等准确信息。综合成果基本可以初步推断采空区的平面位置、深度、厚度和覆岩塌陷情况。门头沟秋坡地区采空塌陷勘查各类方法综合统计部分结果见表2。

表2 钻探、物探与地质调查结果综合统计

图6 钻孔电阻率测试

为能验证推断采空区空间位置分布的准确性，还需要进行理论计算与实际发生情况的对比分析。通过对推断采空区塌陷影响范围和深度的计算，可在理论上圈定塌陷影响到地表的范围和主要特征。用理论推导结果与实际地质调查结果的配比程度，来验证推测采空区空间位置分布的准确性。

3 采空塌陷影响范围计算与勘查结果对比

3.1 采空塌陷三带分布深度计算

理论计算采空塌陷影响范围，主要是计算采空塌陷带、裂隙带和地面下沉带的深度范围，计算采空塌陷影响到地表的平面范围。用钻孔取得采空区上方各层岩芯，进行岩石力学试验，取得覆岩力学参数，用实际参数进行计算可得到更准确科学深度范围值。

计算方法采用《煤矿床水文地质、工程地质及环境地质勘查评价标准》，计算采空区导水裂隙带最大高度。门头沟秋坡地区由于采深较浅，覆岩多为砂质页岩、泥质砂岩、页岩等，其岩石抗压强度多数在30～60MPa之间。

冒落带最大高度：Hc=(4～5)M

导水裂隙带（包括冒落带）最大高度：

以MC1采空区为例，经计算，冒落带厚度在18.4～23m之间，通过图2高密度电阻率法剖图可以看出，推测采空区厚度最厚处为21m，与计算结果较为符合。

冒落裂隙带计算深度为113.4m，MC1大部分开采深度小于裂隙带最大高度，见表3，表明裂隙会直达地表，这与实际地面调查灾害情况相符。

表3 MC1采空区冒落裂隙带计算结果

3.2 采空塌陷地表影响区计算

采空塌陷影响区域采用建筑物留设保护煤柱垂线法计算，反向推算采空塌陷变形范围。

对采空一区（MC1）进行了计算，采空的垂线高度西部为59m，东部为140m；γ=δ=55°，β=65°-0.6α，θ=0°；松散层厚度11m，煤层平均倾角α=16°；分别在上山方向和走向方向0m、120m、157m、201m处进行计算垂线长度，上山方向为39m，走向方向四段垂线长度为52m、86m、96m、109m。计算圈定采空塌陷影响范围见图7。

图7 推测采空塌陷影响范围与地表灾害现状对比分析图

通过图7可看出，根据地球物理勘探和钻探推断的采空区各项参数进行计算后，圈定的采空塌陷影响范围边界附近存在地表裂缝，且裂缝的延伸方向与计算边界延伸方向一致，表明理论计算结果与实际发生的结果较为一致，证明推断采空区的空间位置是比较准确的，计算的采空塌陷影响范围是比较精确的。可以推断采空区内并未全部塌陷，依然存在较厚的空层，仍有发生地面塌陷的可能。

4 结论

通过以上分析研究，主要有以下经验总结：

采空区的勘查工作需要多种技术方法相互配合解释，每一项技术方法的成果只是必要条件，并不是推断采空区特征的充分条件。

采空区的勘查工作需要将地质调查、地球物理勘探、钻探、岩石力学实验等每一项勘查技术方法协调配合，每项的结果要相互验证，形成完整的技术链条，以此推断的采空区各项特征才更真实可靠，对规划工程建设提供的基础信息才更加准确可信。

[1]吴成平，胡祥云.采空区的物探勘查方法[J].地质找矿论丛，2007，22(1)：19～23.

[2]北京市地质研究所. 北京市门头沟区永定镇秋坡村旅游综合开发项目地质灾害勘查[R]. 2013.