我国建(构)筑物场地下伏煤矿采空区勘察技术进展

刘小平

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安 710048)

我国将长期处于城镇化与工业化进程中，城市建设、交通运输、煤电煤化工、水利水电等重大工程建设中遇到地下煤矿采空区威胁将越来越严重，煤矿本身也遭受老采空区积水突出、瓦斯溢出等灾害的困扰。自1992 年太旧高速公路采空区处治工程实施以来[1-2]，我国煤矿采空区场地上方进行工程建设经历了近30年工程实践，采空区勘察、设计、施工及质量检测方面积累了一定经验，并在建筑[3]、公路[4]、地矿[5]、铁路[6-8]等不同行业建立了相应技术规范与标准，为采空区场地工程建设及安全运营提供技术保障。但受我国煤矿采空区类型、规模及赋存条件差异的影响，不同地区及行业对煤矿采空区勘察技术的认识仍然存在一定偏差及误区。煤矿智能化开采、N00 工法等开采工艺的变革，高速铁路、超高层建筑、南水北调等重大工程建设对地层强度、变形与渗漏等方面的特殊要求，给采空区勘察工作带来新的技术挑战，使现有勘察技术手段及规范标准依然不能满足工程快速建设的实际需求。笔者全面回顾我国煤矿采空区勘察技术发展历程，总结勘察工作中面临的主要问题，分析煤矿采空区勘察技术发展趋势，展望需要进一步研究的技术问题，以期为防治采空区灾害提供参考。

1 我国煤矿采空区勘察工作发展历程

1.1 太旧高速公路采空区科研攻关

1993-1997 年，山西省交通厅成立“太-旧高速公路采空区勘察处治科研课题组”，针对我国第一条高速公路下伏采空区隐蔽灾害问题，开展“高等级公路路基下伏空洞的危害程度勘察、处治及质量检验技术研究”。历时5 年研究，课题组构建了不同地质采矿条件下工程地质模型，提出包括工程地质测绘、工程物探、工程钻探及原位测试等勘察工作程序(图1)[1]，研究不同地形及埋深条件下的采空区平面、剖面的物探最佳组合方法(表1)[1]，得出采空区顶板垮落带、导水裂隙带及弯曲变形带的具体高度数据与开采煤层厚度的比例关系，提出以有限单元数值方法和宏观预测方法为主，结构力学分析法为辅的成套评价采空区稳定性的方法，针对建(构)筑物不同功能初步提出了相应的处治与否的界限标准。该阶段所取得的技术成果，系统性强，实用价值高，勘察综合应用技术达到国内领先水平和国际20 世纪90 年代先进水平。本阶段的研究成果先后在山西晋焦高速公路、山东京福高速公路、河南晋焦高速公路、新疆乌奎高速公路、陕西西铜高速公路等建设中得到推广应用。

表1 不同空洞埋深下采空区地球物理勘探方法组合[1]Table 1 Combination of geophysical exploration methods for goaf under different buried depth[1]

图1 采空区勘察工作程序[1]Fig.1 Procedures of exploration work in goaf[1]

1.2 《采空区公路设计与施工技术细则》制定与发布

针对我国煤矿地质条件复杂、采空区类型多样等特点，科技工作者围绕物探方法的有效性与多解性[9-12]、残余变形预测[13-15]、地基稳定性评价[16-19]等方面开展了有益探索。2008-2011 年，山西省交通规划勘察设计院在充分调研、全面总结太旧高速公路采空区处治后我国近20 年来采空区公路设计与处治工程经验的基础上，主编了我国采空区处治领域的第一部行业规范《采空区公路设计与施工技术细则》[4]，对规范勘察技术活动及提高勘察成果质量起到积极作用。该规范中，规定不同阶段的勘察技术要求及勘察报告编写内容；提出结合公路等级及工程类型、采用定性与定量相结合的方法，对采空区给进行稳定性评价，并区分了公路工程采空区场地稳定性与公路工程地基稳定性评价；规定采空区稳定性评价的标准(表2)；增加了井下测量及工后质量验收标准规定。该阶段研究工作，充分结合我国采空区公路建设的实际情况，以公路工程建设为导向，对太旧高速公路的研究成果及20 多年实践经验进行了全面的批判性吸收、借鉴与提升，也成为建筑、水利、电力等其他行业采空区勘察工作的主要技术依据。

表2 采空区地基容许变形值[4]Table 2 Allowable deformation value of goaf foundation[4]

在此期间，中国铁路设计集团有限公司(2004 年)开展铁路、公路采空区勘察设计工作，积累了一些工作经验，编制了简单明了的《采空区工程地质勘察设计实用手册》。附录中引用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(2000 年)中的典型工作面观测站地表移动实测参数表、部分矿区地表移动实测参数表及保护煤柱留设算例，实用性较强。铁路行业多年工程实践的技术成果编入了TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》[6]、TB 10120-2019《铁路瓦斯隧道技术规范》[7]及TB 10027-2012《铁路工程不良地质勘察规程》[8]。

1.3 《煤矿采空区岩土工程勘察规范》制定与发布

随着国家城镇化进程加快，乌鲁木齐、平顶山等矿业型城市将城市郊区(县)煤矿采空区逐步发展为城市建设中心，城市发展与煤矿采空区之间的矛盾日益突出，大量工业与民用建筑无法避让采空区。根据我国土木工程行业特点，2014 年中国煤炭建设协会主编、住房和城乡建设部发布了《煤矿采空区岩土工程勘察规范》[3]。与《采空区公路设计与施工技术细则》相比，该规范针对一般土木工程建设项目，增加了采动边坡勘察与稳定性计算内容，完善了施工勘察技术要求，突出小煤窑采空区勘察技术难点，归纳总结采空区稳定性评价的各种方法(开采条件判别法、极限平衡法、概率积分法、数值计算法等)，增加了采空区场地工程建设适宜性评价内容，提出采空区场地建筑设计、结构设计与工程治理的综合防治措施规定(表3)。该阶段对采空区勘察与评价认识更加全面与系统，尤其是将采空区处治与地面建筑抗变形设计统筹考虑，是一种务实的处理方法。

表3 采空区场地工程建设适宜性评价分级[3]Table 3 Grading table for suitability evaluation of engineering construction in goaf sites[3]

1.4 《采空塌陷勘查规范》制定与发布

根据国务院第394 号令《地质灾害防治条例》，为避免或减轻采空塌陷灾害造成的损失，维护人民生命财产安全，提高采空塌陷防治技术水平，中国地质灾害防治工程行业协会组织、中煤科工集团西安研究院有限公司牵头主编的《采空塌陷勘查规范》于2018 年发布[5]。该规范以采空区塌陷灾害防治为切入点，针对煤矿及其他地下资源开采形成的采空区可能造成的危害，对不同勘查阶段中采矿情况调查、地表变形测绘等基础性工作做了详细具体的规定，对采空区勘探中钻探的探查验证目的与技术要点进行了要求，稳定性评价中更加突出地质采矿条件分析与类比，弱化了概率积分法、极限平衡法及数值计算的相关规定，对勘查成果的文字章节、附图(件)等方面做了明确规定。该阶段全面汲取了勘察行业一些不规范、脱实就虚做法引起的失败工程经验教训，纠正了勘察中“全场地均匀布置勘探孔，造成勘察成本巨大”“采用潜孔锤钻探工艺”“钻进过程中泥浆护壁”“地质编录缺少采空塌陷特征描述与记录”“岩心中采动裂隙，现场识别不准确”“物探方法选择不正确”“数值计算计算工况及边界条件选择不当”等问题，对采空区勘察与评价工作要求更加务实，使我国采空区勘察与评价技术回归到基本的工程地质问题中。该规范指导下开展了彬长输配水工程、亭口水库、济宁任城区采煤沉陷区综合治理、HJD 隧道等多项重大工程的采空区勘察工作。

1.5 重大工程的建设有力地推动勘察技术进步

为解决重大工程建设采空区勘察中的特殊问题，需要不断地引进与研究新的勘察方法，提高采空区勘察精度与效率，满足工程建设的需求。亭口水库库区采空区[20]、子长红石峁水库坝基采空区处治[21]中，渗漏与渗透破坏是无法回避的问题，勘察中使用压水试验、抽水试验、电测井等手段查明地层的渗透特性，估算地层渗透系数。合凤高速小河沟特大桥采空区勘察中[22]，使用钻探绳索取心、VSP 地震勘探、多参数测井等技术，精细识别地层中采动裂隙分布特征，确定定向钻孔水平段的钻进层位。济宁任城区采煤沉陷区进行城市高强度商业开发中[23]，采用高密度三维地震勘探、VSP 勘探等物探方法查明地层的裂隙优势发育方位(图2)[24]、各向异性(图3)[24]及裂隙密度与主应力场(图4)[25]，反演采动岩体的弹性矩阵系数[26]，估算地层剩余孔隙率，为进一步优化注浆方案、控制场地采空区残余变形提供技术依据。宝日希勒露天煤矿采空区为“扒大窑”式开采所形成，地下残留空洞高度超过20 m，勘察中使用孔内激光扫描技术[27]，精确测量地下残余空洞的位置与范围，大幅减少地面钻探工程量，节省工程投资。HJD 隧道变形研究中采用CPⅢ高精度监测技术与装备[28]，捕捉1～2 mm/mon 的轨道变形矢量，为研究采矿活动与隧道变形时空关系提供直接证据。引入上述新方法，进一步加深了采空区覆岩精细结构、毫米级残余变形、采动覆岩强度等特性的认识。

图2 不同深度地震波反演统计裂隙方位玫瑰图[24]Fig.2 Rose diagram of fracture azimuth based on seismic wave inversion at different depths[24]

图3 不同深度采空区覆岩各向异性变化曲线[24]Fig.3 Variation curves of overburden anisotropy in goafs of different depths[24]

图4 采动覆岩孔隙度与主应力场平面分布[25]Fig.4 Porosity of the overburden rock under mining and plane distribution of the main stress field[25]

2 煤矿采空区勘察面临的技术问题

2.1 勘察大纲编制指导性不强

勘察大纲是采空区勘察工作的基础性、指导性技术文件。工程实践中，勘察前期，应高度重视现场踏勘，深入研究对应的工程问题，全面认识工程地质条件，对地形、地质、采矿等因素进行系统分析，选择适当的物探方法，布置合理的验证钻孔，提高测试方法的适宜性。编制的勘察大纲应组织专家进行咨询及评审，确保所编制的勘察工作大纲的严谨性，具备很强的指导性，从根源上提高实际勘察外业成果的质量。

2.2 钻探技术要求与采空区勘察工作结合不够紧密

因历史及体制原因，从事钻探工作的技术队伍除了私人钻机老板外，多为各省地矿局下属地质队或煤田地质局下属地质队，他们将从事资源勘探、岩土工程勘察的工程经验应用到采空区勘察中。钻探过程中，不能采用泥浆护壁方式钻进，需要准确观测采空区覆岩冲洗液消耗量，如实记录采空区部位掉钻信息(孔口吸风、吹风等特殊现象)，提高岩心鉴定与地质编录的针对性(采动裂隙发育的深度、倾角、裂隙面形态等)，从基础工作与原始资料上，提高采空区勘察成果的准确性及可靠度。

2.3 物探成果难以满足工程勘察需求

房柱式、巷柱式等小煤窑开采所形成采空区的地面建(构)筑物存在重大安全隐患，且开采历史久远，采矿资料缺失，走访调查困难，有限的地面垂直钻孔难以准确查明地下残留空洞，只能依靠物探手段对采空区进行探测。勘察实践中，常规地面物探方法及若干井孔地球物理测试技术：如高密度电阻率法[29]、高分辨率地震勘探[30]、地质雷达[31]、井内电法[32]、激光扫描[33]等方法手段的简单运用较多。但受科研氛围、市场环境、技术水平等诸多因素影响，我国煤矿采空区物探成果可靠度与可信度总体偏低，物探资料存在多解性与模糊性，采空区准确定性、精准定位与量化评价技术现状，依然不满足工程建设对采空区勘察工作实际需求。

2.4 勘察成果综合分析不够深入

我国煤炭资源赋存条件复杂、地下煤炭资源开采方式多样、煤炭生产管理不规范等因素，导致地下采空区类型、分布及范围非常复杂。勘察工作中，电法、地震等物探数据往往独立解释与分析，需要对各种物探成果进行对比解释与综合分析，开展多种物探方法联合反演工作；充分有效利用测井、VSP 勘探数据为地面地震勘提供反演参数；提高物探异常区验证钻孔布置的针对性。加强地质调查和测绘工作及钻探、物探成果的相互验证与解释工作的严谨性与科学性；提高勘察成果三维可视化程度，利于成果的展示与应用，全面系统地对地质、采矿、测绘、物探及钻探等成果进行总结与分析。

2.5 采空区场地特殊岩土问题研究不足

对于场地稳定性要求严格的采空区，残余变形预测是关键。采用数值计算方法预测时，需要将采空区引起覆岩移动的长期时间效应考虑进去，不能仅模拟开采结束后的总变形量，保持计算工况与工程实际的一致性。采用概率积分法预测时，常应用等效采高法、下沉系数折减等方法进行计算，预测结果精度较低。对于采空区影响水利工程渗漏与渗透破坏时，不仅需要覆岩“三带”发育高度探测、防(隔)水岩柱设计等煤矿防治水方面的知识，还要对现场采动地层渗透性、完整性进行原位测试，紧密结合工程实际。对于利用地下巨型盐腔空洞储存石油、液化天然气的工程，加强对岩层完整性、溶腔密闭性、污染物迁移等方面的研究工作。这些特殊岩土工程问题的解决，既要遵循煤矿采空区勘察的一般性原则，还要紧密围绕特殊的工程条件与地质环境开展工作。

3 煤矿采空区勘察技术发展趋势

3.1 勘察工作趋向规范化和系统化

随着《煤矿采空区岩土工程勘察规范》《公路采空区设计与施工技术细则》《采空塌陷勘查规范》的实施，勘察工作趋向规范化。逐步形成以工程地质专业为主导，地球物理勘探等多专业配合的勘察技术路线：以采矿情况调查和地表变形观测为基础，选择适宜的物探方法进行探测，利用适量钻孔探查验证，然后预测计算采空区残余变形量、渗透量等，开展建(构)筑物地基、场地稳定性与适宜性评价，结合地面建(构)筑物功能特征及允许变形量，评价采空区对拟建工程的危害程度，建筑设计、结构设计与采空区治理一体化。

3.2 更加重视地质调查、变形监测与分析

物探解译的多解性及地面垂直钻孔“点式”勘探的局限性，仍将长期制约着采空区勘察成果的可靠性与准确性。采空区是人类在开采地下资源中形成的，总会遗留一定的采矿线索。勘察中应根据矿产资源露头线、矿产等厚线、含水层等地质资料，初步判断采空区的层位与范围；根据井筒位置、开拓方式、回风系统、排水系统等采矿资料，估算采空区巷道延伸的方向、开采的区域；根据矿区边界、井田边界、盘区界限、矿权设置、采矿历史沿革、开采方式、产量规模等，初步分析采空区是否存在越界开采；根据矿山开采方式、工作面布置、顶板管理方法，初步判断采空区覆岩完整性、残余空洞体积、场地稳定性等工程地质条件。高精度遥感、雷达、无人机测绘、Insar 监测等新技术与传统的调查测绘进行融合，实现对采空区空间位置及塌陷变形范围的宏观判断。列车动检测等新型监测技术[34]、分布式光纤监测技术[35]等不断引入到采动岩体变形监控中。调查与监测的作用进一步凸显，尤其对于小煤窑、不规范矿山开采所形成的采空区勘察更为有效。

3.3 定向钻进技术在勘察中广泛应用

对严重威胁建(构)筑物安全的地下采空区，可以采用定向钻进技术进行“靶向”勘察，定向钻孔主孔轨迹沿着采空区的矿产层位钻进、也可以顺着较为完整的采空区顶板岩层钻进并向采空区层位开分支孔进行勘察。当对于遇到大的空洞或裂隙，可以根据地质采矿条件及地面建筑物功能要求，采用前进式注浆的方式进行充填后继续向前勘察，也可以使用重新开分支、造斜等技术避开后继续向目标层钻进探测，地面、井下定向钻进技术在采空区勘察中将广泛应用。

3.4 高效工程物探技术引进与研发

重大工程中采空区的特殊岩土问题、工程实施环境条件硬约束，使得常规的采空区空间位置与分布范围的勘察，逐步提升至采动地层裂隙精细描述与覆岩渗透性、强度及变形特性定量测试。要实现这些目标，需要不断引进油气藏地震勘探方法中前沿性技术，比如多方位、宽频带、全数字三维地震勘探技术[24]，井中多波多参数VSP 方法及三维R-VSP 技术[24]，多参数测井与反演技术、钻孔窥视与成像技术等。根据煤炭资源赋存的埋深、厚度、结构以及采空区规模、地层完整性等工程特性，进一步研发低成本震源激发装置、高效率的地面观测系统和特别适用于地下采空区勘察的数据采集技术，开发满足采空区勘察要求的数据处理流程、方法与配套软件，使煤矿采空区精细勘察水平满足重大工程建设技术要求。

3.5 信息化技术与勘察工作深度融合

智能化矿山建设速度持续加快，融合钻探、物探等多元信息的透明矿山技术，将矿山采掘活动中的所有信息(地质、采矿等)全部数字化并进行大规模储存。很多地方政府已全面启动区域性采空区调查与评价工作，海量的测绘、钻探、物探及测试数据将被采集，并进行数字化、系统化的管理、储存与分析。复杂环境(地形陡峭、井下有毒有害气体等)中智能机器人将在地表裂缝测量、地下空洞探测[36]等方面发挥重要作用。利用高精度的遥感[37]、Insar[38]等技术进行大尺度地表变形特征分析，研究地下采空区与地表变形的时空演化关系。图像识别、云计算、区块链存储等技术使得地下采空区三维建模、可视化与处治管理成为可能。将逐步实现的各种勘探方法的融合与互补，勘察数据的深度挖掘与解译，使采空区勘察技术向高精度、高效率、低成本、智能化与三维可视化方向不断发展，将为采空区上方重大工程建设全过程管理BIM技术应用提供海量的勘察信息。

4 煤矿采空区勘察技术发展方向

煤矿开采工艺的持续进步和煤炭资源高强度开采形成了大量废弃采空区，工程建设对可建设土地资源需求持续增强，高速铁路、大型厂矿等重大工程对场地稳定性和生态环境保护的要求越来越高，这些变化给采空区勘察工作带来了巨大挑战。大量的关键技术问题需要进一步研究：

(1) 矿区地下残留空洞地球物理响应与反演；

(2) 岩体采动裂隙识别、各向异性参数反演与定量评价；

(3) 采动地层强度及变形参数反演与评价；

(4) 采空区覆岩残留空隙率及渗透系数测试与评价；

(5) 部分煤层开采(房柱式、巷柱式、条带式)覆岩及地表残余变形预测技术；

(6) 超大工作面快速回采地表及覆岩残余变形预测技术；

(7) 采空区覆岩毫米级残余变形监测技术；

(8) 裂隙岩体水平定向钻进层位优选与成孔工艺；

(9) 煤矿覆岩“三带”测井反演与判别技术；

(10) 复杂地表条件下采动边坡稳定性计算与评价；

(11) 山区煤矿采动地层中隧道(洞室)结构变形机理与评价。