矿区采空塌陷区房屋开裂责任纠纷鉴定一例

崔占锋，陈斌

（河南省煤炭地质勘查研究总院，河南 郑州 450000）

1 案例摘要

由于矿井采空引发上覆地层出现沉降、塌陷、裂缝，进而导致地表建筑物的开裂与破坏，是常见的地质灾害。XJG村在新村竣工不久就出现了矿区周边的新建民居开裂现象，村民认为问题是由于临近的矿山采空区沉降所导致，但矿方认为现有矿井未在新村附近进行过采掘，建筑物开裂与现在矿井活动无关，双方由此产生纠纷。为明确责任，采用瞬变电磁法对新村附近采空区以及地面沉降与裂隙区的分布范围进行调查[1]。

采用大定源回线法进行观测，该方法为在地面布设一个较大供电外框，在框内中部进行信号观测的方式，试验结果经过处理解释分析后认为可以满足工作要求，随即确定了工作参数如下：

使用仪器：加拿大产PROTEM67瞬变电磁仪

观测方式：大回线定源法

观测网度：20m＊20m，测线间距20m，线上点距20m

发射频率：25Hz

供电电流：15A

积分时间 ：30s ＊ 2次

采样门数：30门

同步方式：石英钟同步

初始增益：21

发射框尺寸：200 m ＊ 200m

接收框线圈：高频接收探头，等效面积31.4 m2

2 地质条件与地电特性分析

根据已知资料，该区地层以及其含水性从上到下分别为：

第四系(Q)：厚约50m，由近水平沉积的砂质粘土层、砂土层组成，底部多见砾石层，整体含水性较强。地表及下伏地层基岩面均为近水平分布。

二叠系下统山西组(P1s)：主要由砂泥岩互层组成，砂岩层孔隙度低，整体含水性较差，有部分风化现象。整体形态为一向南倾的简单单斜构造，倾角约15度，区内主采矿层二1矿层赋存于山西组底部，厚5m～6m，最大埋深150m。

石炭系上统太原组(C3t)：主要为泥岩与灰岩互层，含少量碎屑岩。其中灰岩的岩溶裂隙含水性较强，但其分布较不均匀。其下奥陶系灰岩区内未揭露。

一般而言，华北地区完整未开采地段石炭二叠系矿层中通常不存在储积大量水分的较厚含水层，所得到的地层视电阻率通常表现为从上到下随埋藏深度相对平稳、逐渐增加的趋势，且地层剖面上电阻率等值线的横向起伏与地层产状起伏基本一致。

由于矿井瞬变电磁探测区为正常开采矿井，井下一般不会存在大量水体聚积，判断采空异常以及采空沉降破坏的主要途径是通过分析采区含矿层以及上覆地层的整体电性变化，研究它们与正常未被采动地段地层的电性分布之间的差异，探测含水异常的分布规律，了解探测区内岩层的含水性质与裂隙发育程度。

地层中所出现的低电阻率电性异常，通常是由于地层内的含水性质发生显著变化所致。矿物被采出后，其上部矿石因自重力及上部压力作用，内部逐渐发育裂隙、裂缝与断裂，岩层出现垮落、断裂、离层与整体沉降和弯曲等现象。通过瞬变电磁方法探测矿层电性特征的变化情况，就能了解采空区上部矿层的裂隙发育程度，进而分析出矿井中采空区分布情况，以及采空区覆岩的破坏范围，推断它对地面沉降与塌陷的影响程度[2]。

已有邻区物探资料显示，在正常未开采情况下，本区矿层中二叠系砂泥岩互层地段电阻率值估计一般约在20-50 ohmm左右，而石炭系地层电阻率又呈逐渐增高趋势，电阻率值从50-80 ohmm逐渐增高到超过100 ohmm左右。其具体数值随所在地段的构造位置与环境、埋藏深度与风化程度有较大改变。由于沿水平方向上地层沉积基本稳定，通常情况下测区地层横向电性差异变化不大，在同一测区内各岩层段电阻率平均值基本保持一致，电性剖面中同一电阻率走向变化趋势与地层产状应当基本一致，其分布规律与地层构造分布规律应当基本保持一致，仅在其含水性质发生明显变化时才会出现显著改变，这正是电法勘探方法能够得以应用的基础。

本次工作的目标，是查明区内矿层采空区以及采空区所导致的地面沉降及裂隙分布范围，由于采空区所导致的地面沉降及裂隙区内均有积水充填其电阻率值将会有显著降低，通过瞬变电磁工作，分析区内地层的电阻率值异常的分布范围与特征，就可分辨出矿层已开采地段和受采掘影响的上部地层的分布范围，完成此次工作的要求。

一般而言，华北地区石炭二叠系完整未开采地段主采矿层为二1上部地层内通常不存在富含水层，其下部的石炭系灰岩含水层层厚较薄，在较远的探测距离(＞100m)上一般没有明显反映，瞬变电磁方法所观测到的地层视电阻率单点电性曲线通常表现为从上到下相对平稳逐渐增加的趋势，而地层的横向连续性使得在地层剖面上视电阻率等值线的横向起伏与地层产状起伏趋势基本一致。通过瞬变电磁方法对地层的电性特征进行观测，将地层完整未开采情况下的地层电性反应与各种异常电性情况进行分析对比，判断异常电性反映变化特点与特征，从中了解矿井中采空区的分布情况，以及采空区所导致的地面沉降与塌陷情况。

在地下矿层被采动或采空之后，其上部地层因采空重力作用导致发生弯曲沉降变形，地层内部从下到上逐渐出现松动及破碎，同时产生裂缝或裂隙，在有水分充分侵入的情况下，其电阻率迅速降低，形成水平方向上的相对低阻异常。3种电性曲线反映了采空区上部采空沉降的不同发展情况，其中最右侧的电性曲线反映了矿层上部的采空沉降破碎仅仅出现在矿层顶板附近，顶板附近的含水性改变而使得该处视电阻率值有明显降低，但在其上部，视电阻率曲线与完整未采空区接近一致，这说明下部的采空沉降破碎未能继续向上发展，其上部地层保持完整；而中间的电性曲线显示采空矿层顶板附近地层的视电阻率值已经大大降低，而其之上的岩层随着与矿层间距离的不断增大，其视电阻率值的变化幅度也有所降低，这反映了在矿层顶板附近产生了明显的破碎积水现象，而且采空沉降破碎已经不断向上部发展延伸，但其变化程度要明显弱于顶板附近。

在最上部近地表处地层可能尚有部分相对较完整；而左侧的电性曲线反映了矿层上部地层的采空沉降破碎及含水区域已经向上部延伸到接近地面附近的情况，这时整个电性曲线反映矿层之上到地表的全部地层段中存在大量积水，整套岩层的视电阻率值大大降低，在横向上也完全失去其连续性，整个电性曲线在深部由于低阻层的屏蔽作用与延时效应的影响，继续显示为连续的低值，无法反映其下部岩层的真实电性情况。

矿山采空区地层破碎及沉降幅度、沉降范围与矿层的埋深、矿层的开采厚度、工作面的开采方法与方式、采动时间以及矿层顶板和上覆地层的岩性等参数都有所关联，而具体的采空变化数值大小需要与现场的实测结果进行对照。

3 资料分析

经过对区内瞬变电磁数据解释结果的分析处理，可以将观测得到的各点地层深度-视电阻率电性曲线大致分为3类，1早期开层、塌陷已稳定的地层测点的深度-视电阻率,2进气开采已导致塌陷的地层测点的地层深度-视电阻率,3正常完整地层测点的地层深度-视电阻率,第3类曲线反映了区内正常完整地层情况下测点的地层深度-视电阻率特性，所测曲线在上部新地层内视电阻率值较低，一般约在20-25Ω.m左右，并随深度增加其数值略有下降，在基岩面附近降到最低，这是因为新地层底部一般为砾石层所组成，下方基岩面表层为风化残积层，它们的孔隙度与含水性均强于上下层位的缘故。从基岩面向下随着深度的不断增加，矿层的风化程度越来越低，其视电阻率也在不断增高矿层附近的地层视电阻率值为30Ω.m左右，再向下石炭奥陶系地层的视电阻率值急剧增加到超过100Ω.m。

图1 XJG地层深度-视电阻率特征曲线对比图

在地下矿层被采动或采空之后，其上部岩石内部逐渐产生裂隙、裂缝与断块，地层从下到上逐渐出现跨落、断裂与弯曲，在有水分充分侵入的情况下，其电阻率迅速降低，形成水平方向上的相对低阻异常。

对此两种异常的解释是：矿层被采空后，上部岩层从顶板开始向上产生垮落、裂隙及沉降等破坏过程，这种过程逐渐向上部延伸及发展，在早期阶段，矿层被采空的时间不长，所产生的破坏作用主要集中在离矿层上方顶板不远处，导致该处附近的含水性明显增加，视电阻率值有明显下降，而在此之上距矿层顶板较远的地层仍然保持基本完整，内部裂隙尚未明显发育，其含水性尚未发生显著改变，这时其视电阻率值与第3类曲线中最上部的完整地层的视电阻率值相差不大，仅在矿层顶板附近出现较大差异。

若当采空区横向延伸范围很窄或上部岩层厚度较大时，受其两侧完整岩层所支撑，这种向上延伸的破坏过程在进行到一定范围后基本终止，而不会持续进行到地表，这时其电性反映与第2类曲线也基本相似[3]。

采空区上覆岩层完整性已遭完全破坏，其内部的破坏过程已经进行到达地表的情况，这时从矿层到地表之间的上下裂隙空间已经连为一体，成为一个从上到下的渗水通道，其内部各处均积蓄了大量的积水，通道内各处的视电阻率值均明显低于第2类曲线中的情况。

并且由于井下排水的缘故，松散层底部砾石层与基岩风化带地段的含水量要明显高于其下部矿层顶板附近的含水量，使得基岩面附近的视电阻率表现为最低值。

图2 XJG1260线视电阻率剖面

由于瞬变地磁工作方法的限制，无法得到近地表(20m以浅)附近地层的电性数据，但通过现有数据仍能得出以上结论。

图2为测区1260线视电阻率剖面，其中最左侧桩号5000-5100之间的测点电性反映与前节所述的第2类曲线相似，可以推断此区间的矿层刚刚被开采不久，主要的破碎沉降主要发生在矿层顶板附近。

中部桩号5100-5220之间以及右侧桩号5300-5400之间，其电性反映与第1类曲线相一致，显示这些地段的矿层未被开采，或仅少量采动，但未造成上覆地层出现明显破碎与沉降现象。

4 结论

对于矿山采空区的勘查，瞬变电磁法是诸多方法中快速且行之有效的方法，具有广泛的应用前景，选择合理的技术参数，通过瞬变电磁法可以快速获取浅部到中部及大深度地层的电性信息。

根据以上资料结合建筑物所在位置的塌陷情况，可以判断此村中建筑物的开裂为早期开采造成,而非近期开采所引起。