小型煤矿采空区勘察评价方法的探讨

徐贵娃

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

小型煤矿采空区勘察评价方法的探讨

徐贵娃

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015）

通过对小型煤矿采空区勘察，选择多种勘察方法进行勘察验证采空区的各项特征，进行分析评价给出准确性结论和合理化建议，对类似小型煤矿采空区勘察具有一定的指导意义。

小型煤矿采空区；工程物探；分析评价

0 引言

近些年来，随着煤炭市场需求，地方煤炭资源的开采不断加大，小型煤矿乱采、盗采越界开采现象时有发生。随着政府及国土部门的打击力度加大，该现象基本上得到解决，但是遗留下来的满是疮痍的采空区及采空巷，给当地地表建筑及设施带来了严重的影响。如何准确勘察小型煤矿采空区及采空巷的分布特征及评价采空区危害性是我们工作的重点，也是我们值得探讨的话题。以辽宁省凤城市某矿区采空区勘察评价为例，系统地对小型煤矿采空区勘察评价的方法进行讨论及分析。

1 小型煤矿采空区特征

煤矿采空区一般是指在煤矿作业过程中，将地下煤炭或煤矸石等开采完成后留下的空洞或空腔[1]。小型煤矿采空区就是指那些开采规模小、盗采盗挖形成的不规律分布广的采空区。凤城某矿区所在区域地形地貌类型为构造剥蚀低丘和山间冲洪积谷地。该区域海拔在257.2～430.0 m，地形坡度15°～22°，高差约160 m。本区地层总体分为3个部分，分别为煤系地层（中生界侏罗系）；煤系地层的基底岩层（上元古界青白口系和古生代寒武系、奥陶系地层）；煤系地层上覆地层（新生代第四系）。而矿区可采煤层赋存于中生代侏罗系中统大堡组和下统长梁子组[2]。具体煤层分布特征见表1。

通过煤层赋存特征，加之当地地形地貌，煤层出露在剥蚀低丘底缘，就导致该区域开采后形成的采空区分布的几个特征。①采煤历史悠久，自日满时期，就开始采煤活动，陆陆续续几十年未间断；②采空区埋藏浅，分布不连续，盗采平峒分布广，采煤随意性大；③煤层厚度不大，分布不连续，采煤无规律，形成大规模开采有难度，正规矿山开采规模均小于10万t/a；④开洞即可见煤，导致盗采越界开采比较严重，地下已经不同程度上形成蜂窝状的采空洞；⑤收集资料有限；仅能从正规开采矿山收集到煤层分布特征等，对西安有村庄、道路地带均无采煤资料记载；⑥现有地表房屋房龄相差较大，老房龄险房分布也较多，地表沉降及地面塌陷调查难度也较大。

2 采空区勘察方法的初选及验证

采空区常用的勘察方法为收集资料、现场调查、物探、钻探等。针对凤城煤矿矿区，采取动态勘察的思想理念，把常用的几种方法根据勘察的结果很好的结合起来。这样既可以做好采空区勘察工作，又能节省时间。首先，根据现有的资料进行调查、走访、把这些都反映在图纸上。根据图纸和村庄分布进行物探方法的选择和布线调整。物探结束后，根据结果进行工程钻探验证，根据验证结果再增加物探的补充勘察及地表的调查及走访。这种动态的循环式的勘察在本次勘察中得到了很好的效果。它不是单一的每一项工作接续进行，而是通过相互关系反复相互验证去真实地反映地下采空区的分布。具体为以下几个方面。

表1 凤城煤矿矿区煤层分布特征

1）收集资料、调查走访、确定物探方法。通过周边生产煤矿的地质报告及开采方法，了解该地区地质构造、水文地质、工程地质的概况。认定采空区类型至少为充水型及非充水型。通过现场调查，了解到滥采现象比较严重，基本上以巷道开采为主，局部采用常规支护为主，个人滥采煤层以大堡组为主，过去遗留开采以长梁子组煤层为主，这就说明采空区分布的立体空间范围较大，从几米到上百米。通过走访当地居民，基本确定地表沉降范围及地面塌陷位置。根据以上基本内容我们采取了高密度电法、瞬变电磁法及浅层地震法。高密度电法即是高密度电阻率法，它是以岩、土导电性的差异为基础，研究人工施加稳定电流场的作用下地下传导电流分布规律的一种电探方法[3]，矿区典型剖面如图1。近些年来，探测采空区使用该方法比较普遍，得到的数据比较准确，适用于大范围、宽广的采空区探测上，但是对于小型煤矿及滥采煤炭资源形成的采空区来说，尤其在村镇范围内，受高压电线、地表建（构）筑物影响，布置勘探线会出现不连续及局限性，从而影响精度和结果。再一个对充水型采空区来说，高密度电法显现出来也是异常电阻，干扰正常分析判断，所以我们也选取瞬变电磁法进行探测。瞬变电磁法（简称TEM）：利用不接地回线或按地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用回线或电极观测二次涡流场的方法[4]。针对充水型采空区探测采用该方法是最有效的方法之一,通过该方法及高密度电法的相互补充及验证，分析出该小型矿区采空区充水型和非充水型采空区的分布解析图。为了更好地验证以上2种方法，最后选取了浅层地震法对疑似探明采空区位置进行了探测。浅层地震法是利用地震波的折射原理，对浅层具有波速差异的地层或构造进行探测的一种地震勘探方法，简称浅层折射波法[5]。

图1 高密度电法试验线剖面

2）根据物探结果和地表调查结果进行工程钻探验证，借用井下电视等方法进行综合分析和勘察。本矿区采空区分布零散且不能直接下洞直观观察，采用工程钻探可以解决这类问题并对物探结果进行验证。但是难点在于工程钻探的布置孔位位置的选择，我们通过物探的结果，再分析调查走访的情况进行对比分析布置了16个工程钻孔。具体实施中，发现部分钻孔的选择不具备代表性，为了更好地完成本次勘察工作，项目组及时变更了钻孔位置。本次勘察工程钻探验证选择主要是以下几个方面：①物探几种方法重叠的异常区或对比标准剖面后可以确认的采空区位置；②地表调查走访能够确认的地面沉降、地面塌陷的地段，居民认为存在放炮振动严重的地段；③不同类型异常区的地段或针对地表房屋出现墙体开裂、田地地裂缝等地段综合考虑；④结合诸多因素，尽量少打孔，布置广，预留1~3个孔位最后再根据完成情况进行钻探。针对采空区勘察来说，岩芯采取率很主要，完整岩石建议达到95%，对于采空区三带特征地段，建议达到75%以上。但是实际工作当中会发现，针对小矿、盗采井巷等来说，往往钻探取芯上来不是很明显，对于明显掉钻、冒泡等厚度较大的采空区来说可以直接判断；对于已充填已塌落的采空来说，不好界定。这样我们就应该选择其他辅助方法进行进一步的探明。本次就采用了井下电视方法。井下电视测井以其直观性、及时性和准确性的特点，优于其它方法测井，越来越受到用户的欢迎[6]。针对采空区勘察效果比较显著，尤其是非充水型采空区，井下电视图像十分清晰直观。工程钻探与井下电视对比如图2、图3。

图2 井下电视及钻探岩芯显示砾岩层岩组

图3 井下电视及钻探岩芯显示煤层采空层岩组

通过多种方法基本上可以确定采空区分布的空间特征、地层岩性、地质构造及地表破坏情况等，不仅提高了可信度，为下一步分析评价采空区稳定性奠定了坚实的基础。

3 采空区分析评价

小型煤矿存在的采空区很不规律，采空区形成的原因、时间不同，所处的状态不同、对地面建筑的危害也有很大不同。所以针对采空区进行评价时，单一的方法评价不能满足所有要求，需要综合考虑。

1）应确定采空区影响范围。按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》地表移动特征所示，利用采空区的位置反推地表移动盆地影响范围，岩层的影响范围应按走向移动角δ、下山移动角β，上山移动角γ从采空区顶板岩层逐层向上推算，当基岩上覆盖有松散层时，应将最外边的一个点沿最顶层基岩面按φ角向地表推算出地表移动盆地影响范围[7]。

2）研究采空区覆岩移动和地表下沉特征，对残留空洞进行稳定性分析。本矿区盗采乱采情况严重，存在小窑“礼堂式”开采形成的采空区，小窑“礼堂式”开采主要以巷道式或短壁式开采方式为主。采空区的地表下沉形式主要有塌陷坑和塌陷盆地两种形式。塌陷盆地一般是一个不深、开阔的盘状凹地，它是由于煤柱被压坏或压入顶、底板导致覆岩向下垮落或弯曲下沉而形成的。老采区失稳破坏并导致地面塌陷的主要机理为：煤柱压入底板和底鼓、煤柱破坏、顶板的塌陷。不同的破坏机制将造成不同的地面塌陷形态。了解矿区采空区地表下沉特征后，进行残留空洞的稳定性分析。按《岩土工程勘测设计手册》中的经验公式来判别判定顶板岩层塌陷的可能性：计算时不考虑上覆岩土体的粘聚力，内摩擦角为综合内摩擦角。本矿区充水型采空区顶板塌陷安全系数0.6～1.1，均小于1.5。勘察区域内的各个采空区上顶板岩层均处于不稳定状态，顶板岩层有塌陷的可能性。

3）要进行采空区地面塌陷、地裂缝评价、采空区地表变形特征评价。一般来说，煤层开采后覆岩的原始平衡遭到破坏。在上覆岩层自重和原始应力的作用下，岩层经一系列的移动、变形与破坏后直至达到新的平衡。岩层的移动、变形与破坏主要受岩性条件及开采条件的影响，上覆岩层移动区域具有明显的分带性，分别称为跨落带（冒落带）、导水裂隙带、弯曲带。

按照小窑采空区垮落高度计算公式和《矿区水文地质工程地质勘探规范》公式分别计算顶板坍塌的最大高度。不同的上覆岩层垮落方式，其垮落的最大高度不同。假设垮落的破碎岩块能全部充满采空区，则垮落的最大高度可按覆岩为矩形坍塌区、楔形坍塌区、锥形坍塌区的公式估算。该地区煤层顶板以上的岩石基本为中等坚硬岩层，局部为较软~软岩层，按覆岩为矩形考虑坍塌区的最大高度，岩石碎涨系数K按经验取值1.20考虑。再根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》，本矿区煤层顶板基本为中等坚硬岩石，跨落带和导水裂隙带由附录F计算得出[8]。为定量分析开采后地表变形特征，依据国家煤炭工业局制定的三下《规程》中的经验公式，对各煤层开采后地表最大移动、变形和倾斜值进行预测。根据分析结果矿区地表沉降将达到1 040~1 255 mm，最大水平位移达到312~377 mm，地面影响半径将达到15.0~29.1 m。充水型采空在地下水长期作用下，顶板围岩可能发生突然性塌落，地表将形成地表盆地或塌陷坑。

小型煤矿采空区勘察除了以上工作，还应注意地表房屋的破损性调查、采空区现状发育的分布特征及危害程度，可能引起采空区“活化”现象的因素分析等。

4 明确勘察结论，提出合理化建议

针对小型煤矿采空区勘察评价的结论，把各项工作的结论总结在一起，充分体现勘察评价的完整性和准确性。在结论中，不仅说明矿区的水文、气象、地形地貌、地质构造、岩土体水文地质工程地质性质、含煤地层及顶底板情况、周边开采情况等，还应把收集调查的地表地物形态、现状地面沉降、地面塌陷发育特征及正规开采矿山、停采矿山及盗采位置关系等。通过这些勘察方法，及每种方法得出的结论及建议。最后通过现有评价方法针对不同的采空区类型进行采空区的危害性评价，并提出下一步治理或避让等合理化建议。

5 结论

探讨凤城市某小型煤矿采空区的勘察评价方法，来分析小型煤矿采空区的勘察评价方法的选择及优化，具体为以下几个方面。

1）接到任务委托后，要从充分分析矿区含煤地层及顶底板情况，地表破坏情况，制定详细的勘察纲要。

2）要充分收集现有煤矿、区域地质、水文地质等资料、调查走访矿区及周边人类活动情况，全面做好记录。

3）选择合适的地球物理勘探方法，最好是2种或2种以上方法相互验证相互分析。

4）进行工程地质钻探、取样化验、井下电视及测井等手段对物探结果进行验证分析。

5）结合以上工作，预留少量工程量进行反复论证，结论充分后给出采空区的分布特征、发育情况。

6）对采空区危害性评价一定要多元化评价，小型煤矿采空区形成先后时间长，类型多、分布广、比较复杂化。分析评价后给出准确性结论和合理化建议。

随着凤城市小型煤矿采空区勘察项目工程验收，证明了该勘察方法可行，对类似小型煤矿采空区勘察具有一定的指导意义。

［1］白如鸿.榆神矿区地方煤矿采空区隐患类型分析［J］.中国煤炭工业，2015（10）：58-59.

［2］韩洪德，徐贵娃.凤城市爱阳镇顾家矿区地质灾害勘察［R］.沈阳：中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，2012.

［3］李昊.三维高密度电阻率法数值及物理模拟实验研究［D］.长春：吉林大学，2012.

［4］李海波，韩冬，赵秀玲.瞬变电磁法在煤矿采空区中的应用［J］.硅谷，2011（14）：124-124.

［5］王奇.浅层地震折射波法在工程应用中的研究［D］.成都：成都理工大学，2010.

［6］郭嗣杰，孟刚，蔡晓波.井下电视技术的发展和应用［J］.舰船防化，2010（3）：6-9.

［7］国家煤炭工业局．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］．北京：煤炭工业出版社，2004．

［8］昝雅玲，吴慧琦.矿区水文地质工程地质勘探规范附录F经验公式适用条件的探讨［J］.科技情报开发与经济，2010，20（34）：220-221.

【责任编辑：解连江】

Discussion on investigation evaluation method in the small coal mine goaf

XU Guiwa
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Through investigating small coal mine goaf,we choose a variety of investigation methods to verify the characteristics of goaf,and give the accurate conclusions and suggestions,which has a certain directive significance to the similar small coal mine goaf.

small coal mine goaf;engineering geophysical prospecting;analysis and evaluation

TD854

B

1671－9816（2017）02－0034－04

徐贵娃.小型煤矿采空区勘察评价方法的探讨［J］.露天采矿技术，2017，32（2）：34－37.

2016－07－19

徐贵娃（1980—），男，内蒙古科左后旗人，注册岩土工程师，学士，毕业于辽宁工程技术大学地质工程专业，从事岩土工程及地质灾害评估勘察设计施工工作。

DOI∶10.13235/j.cnki.ltcm.2017.02.010