張凱 徐超

摘要：由老采空區(qū)引發(fā)的地災災害在東北地區(qū)比較常見，嚴重威脅當?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)安全，本文對某采空區(qū)在地質(zhì)調(diào)查的基礎上開展了高密度電法和瞬變電磁法的物探工作，初步確定了采空區(qū)的位置和特征，據(jù)此進行了鉆探和井下電視等驗證工作，得到了該區(qū)5個采空區(qū)的具體特征參數(shù)，進而利用理論計算和實際對比的方法分析了每個采空區(qū)的影響及危害，最后提出了當?shù)夭煽諈^(qū)引發(fā)地質(zhì)災害的防治措施與建議。

關鍵詞：采空區(qū)；高密度電法；瞬變電磁法；鉆探；井下電視

前言

煤炭為東北地區(qū)40、50年代主要的經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，長期無節(jié)制開采形成許多老采空區(qū)，近些年因地質(zhì)環(huán)境條件的變化常出現(xiàn)地面塌陷、地面沉陷和地裂縫等地質(zhì)災害，導致房屋開裂和道路、農(nóng)田等不同程度的受到損害。本文以東北某老采空區(qū)為實例，首先通過收集勘查區(qū)的礦山地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及氣象水文資料，然后進行工程物探、工程鉆探、井下電視等工作，再對各巖層、采空區(qū)及煤層頂板的巖芯又進行了工程地質(zhì)試驗，最后采用相似工程經(jīng)驗及相關規(guī)范對采空區(qū)穩(wěn)定性進行評價。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

勘查區(qū)為山間沖洪積谷地，海拔在280.0～330.0m，溝谷寬度在80～700m。區(qū)內(nèi)地層為侏羅系中統(tǒng)、下統(tǒng)，新生界第四系以及晚侏羅世侵入巖，第四系主要為礫石、砂和黏性土，侏羅系地層為本區(qū)內(nèi)主要的富煤地層，巖性為礫巖、砂巖、頁巖和煤，侵入巖為斑巖。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，為一略向北西傾伏的寬緩單斜構(gòu)造。地表水以季節(jié)性河流為主，受大氣降水影響較大，地下水主要為松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水。

2地球物理勘探

本次采空區(qū)勘查工程物探在調(diào)查走訪和參考相鄰地區(qū)經(jīng)驗基礎上采用直流高密度電測深法和瞬變電磁法完成?？辈閰^(qū)民房密集致使測線很難規(guī)則布設，因此本次電法勘探的測網(wǎng)布設以能實際施工為準，共布設測線20條，基本電極距為5m。完成觀測斷面長度13130m，完成物理點2706個，其中線上物理點2466個，試驗點160個，檢測點80個。完成瞬變電磁8條測線，測線總長800m，點距5m，線距20m，完成物理點184個，其中測線物理點166個，檢測點10個，試驗點8個。

2.1 高密度電法

高密度電法利用人工電場發(fā)生畸變的基本原理，通過對不同電阻率的巖層或孔洞探測時電場變化的特點，獲得不同介質(zhì)的電阻率變化規(guī)律，達到對孔洞探測的目的。本次工作數(shù)據(jù)采集采用重慶地質(zhì)儀器廠研制的DZD-6A多功能直流電法（激電）儀與一臺MIS-120型多路電極轉(zhuǎn)換器及電極數(shù)為120根為基本觀測斷面組成的DUK-2A高密度電法測量系統(tǒng)。從該區(qū)現(xiàn)場得到的物探影像圖上可知整個測區(qū)視電阻率變化情況大體一致，總體趨勢是上高下低，變化范圍在幾百至上千歐姆之間，上部電阻率較高層是地表第四系粉砂、亞砂土的反映，往下電阻率值逐漸降低，為基巖（砂巖等）層的反映。推斷采空區(qū)部位的測線中表現(xiàn)為半封閉高阻圈或在下部有對應的高阻突起，電阻率大于1200Ωm為不含水的采空區(qū)，電阻率小于200Ωm且出現(xiàn)封閉圈的認定為含水采空區(qū)。

根據(jù)高密度電法解譯成果基本判定勘查區(qū)內(nèi)共存在大小采空區(qū)共5個，其中有4個為非充水采空區(qū)，1個為充水型采空區(qū)。采空區(qū)形狀以長方形和橢圓形為主，高度2米左右，埋深在30～100米之間，平面投影面積為0.29×104～2.63×104㎡，圖1為非充水型采空區(qū)典型剖面解譯圖。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是以電磁感應原理為基礎，即導電介質(zhì)在階躍變化的激勵磁場激發(fā)下產(chǎn)生渦流場問題。它利用接地線源（電偶源）或不接地回線（磁源）向地下發(fā)送一次脈沖磁場（一次場），在其激發(fā)下，地下地質(zhì)體中激勵起的感應渦流將產(chǎn)生隨時間變化的感應電磁場（二次場），由于二次場含有地下地質(zhì)體豐富的地電信息，在一次場間歇期間，通過接地電極或線圈觀測二次場，并提取和分析響應信息，從而達到探測地下地質(zhì)體的目的。

為了驗證物探勘探方法有效性在高密度電法資料的基礎上，在適合的地段施工了8條瞬變電磁測線已驗證高密度電法的可靠度。本次施工采用的加拿大產(chǎn)的V8數(shù)字電法儀，施工點距5m，線距20m。

以B4測線為例（圖2），B4線貫穿1號、3號、5號三個采空區(qū)，其中0-26m范圍內(nèi)為高密度電法解釋的1號采空區(qū)范圍，由剖面可知在0-40m范圍內(nèi)B4線呈高阻封閉狀態(tài)與周圍地層電性差異明顯，可以確定為可靠采空區(qū)，與高密度電法解釋吻合；同理，在75-90m范圍內(nèi)為高密度電法解釋的采空區(qū)，剖面上在70-105m范圍內(nèi)基本呈高阻封閉狀態(tài)，可以確定為采空區(qū)，也與高密度電法解釋的吻合。在剖面50-60m范圍內(nèi)為高密度電法解釋的低阻采空區(qū)5號，瞬變資料表明在均勻電性層上有一個跳點，基本可以認定其與高密度解釋的一致性。通過對瞬變電磁法解譯資料的分析比較可以綜合認定高密度電法勘探的有效性和準確性。

圖1 非充水型采空區(qū)解譯斷面 圖2 B4線瞬變電磁斷面圖

3 鉆探

為了對地球物理勘探結(jié)果進行驗證和進一步分析，在5個物探確定采空區(qū)內(nèi)共布置了16個鉆孔進行鉆探取樣以及井下電視等相關工作，直觀地獲得了直接頂?shù)装搴穸取r性，采空區(qū)埋深、厚度、層數(shù)以及煤組類型等基礎信息，鉆探成果匯總于表1，對比分析后為下一步評價提供了直接依據(jù)。

綜合以上地球物理勘探和鉆探工作成果，勘查區(qū)內(nèi)共確定采空區(qū)5處（表2），基本查明了采空區(qū)的分布特征與情況，驗證了幾種綜合勘探技術(shù)的有效性和適用性。

4 采空區(qū)評價

4.1 理論計算

本例按照小窯采空區(qū)垮落高度計算公式和礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范公式分別計算頂板坍塌的最大高度，計算結(jié)果匯總于表3。

（1）小窯采空區(qū)垮落高度計算

不同的上覆巖層垮落方式，其垮落的最大高度不同，假設垮落的破碎巖塊能全部充滿采空區(qū)，本勘查區(qū)煤層頂板以上巖石基本為中等堅硬巖層，局部為較軟～軟巖層，覆巖按矩形坍塌區(qū)考慮，巖石碎漲系數(shù)K按經(jīng)驗取值1.20，則垮落的最大高度可按公式（1）估算：

式中m—煤房厚度，K—覆巖的碎漲系數(shù)

（2）根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范，本勘查區(qū)煤層頂板基本為中等堅硬巖石，跨落帶和導水裂隙帶由公式（2）（3）計算。

4.2 采空區(qū)評價

綜合對比以上兩種計算方法，既有采空區(qū)的垮落帶高度計算結(jié)果基本相近，證實兩種計算方法基本可靠。

1號采空區(qū)跨落帶高度和裂隙帶的高度合值為37.7m～39.5m，小于煤層上覆正?；鶐r厚度，采空區(qū)埋深約72m，上覆第四系厚度7.5m，裂隙帶至地面距離32.0m左右，則地表主要受彎曲帶影響，不會出現(xiàn)塌陷及地裂縫等地質(zhì)災害。同理，2，4，5三個采空區(qū)對地表的影響均不大，亦不會出現(xiàn)塌陷及地裂縫等地質(zhì)災害。

3號采空區(qū)跨落帶高度和裂隙帶的高度合值接近40m，大于其頂板埋深，裂隙帶直接影響到地表，地面易形成塌陷坑和地裂縫，與現(xiàn)場調(diào)查走訪情況相一致。

5 結(jié)論及建議

（一）本次勘查共圈定采空區(qū)5處，其中有1處充水其余為空洞型，采空區(qū)總面積為9.17ha，采空區(qū)所采煤層為大堡子組I煤、長梁子III、IV煤組，采空埋深一般為30m～103m，采空高度0.5m～1.8m，且大部分采空區(qū)煤層頂板未塌落。

（二）經(jīng)理論計算垮落帶和裂隙帶高度之和為16m～39.5m，根據(jù)采空區(qū)埋深和第四系厚度確定除3號采空區(qū)對地表影響較大，有可能出現(xiàn)地面塌陷和地裂縫外，其余4個采空區(qū)僅彎曲帶影響到地表，地表可能會出現(xiàn)沉陷盆地和不均勻沉降。

（三）勘查區(qū)內(nèi)對已經(jīng)查明的采空區(qū)及其發(fā)生地質(zhì)災害地段，應劃定為采煤沉陷危險區(qū)，予以公告預警。在地面塌陷地質(zhì)災害發(fā)育地區(qū)設立隔離網(wǎng)，并設置明顯警示標志，對村民進行宣傳及提示等工作。對采空區(qū)預測影響范圍內(nèi)地面變形、地質(zhì)災害等應進行長期觀測工作，設置長期沉降監(jiān)測標，定期進行地面監(jiān)測，為查明采空區(qū)地表變形規(guī)律，分析采空區(qū)發(fā)展程度及后期穩(wěn)沉評價等提供必要的數(shù)據(jù)，同時也能夠監(jiān)測到變形規(guī)律，為各項工作提供預警及防治基礎。

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作者簡介：張凱（1985-），男，漢族，遼寧阜新，碩士研究生，工程師，主要從事地質(zhì)災害勘查、設計及相關巖土工作。

徐超（1986-），男，漢族，遼寧沈陽，碩士研究生，工程師，從事巖土工程工作。

（作者單位：中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司）