煤矿采空区工程地质勘察几点认识
中图分类号： TD82 文献标识码： A
1 前言
采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区，按矿产被开采的时间，可分为老采空区、现采空区和未来采空区。矿体被采出后，自顶板岩层向上形成三带”―垮落带、导水裂隙带和弯曲带（见图1）。地表沉陷，产生连续或非连续变形，由此带来一系列环境岩土工程问题，如平地积水、道路裂缝、房屋倒塌、耕地减少等，给矿区居民居住环境及工程建设留下很大隐患。房洼梁地面塌陷位于宜君县太安镇南塔村，从野外调查访问结果分析，房洼梁地表变形特征更符合滑坡特征，目前正在进行野外勘探工作，因房洼梁地表变形区西北侧（直线距离＞300m）为南塔煤矿区，在勘察成果报告未完成之前初步定性为房洼梁地面塌陷。
x2 煤矿采空区工程地质勘察几点认识
2.1房洼梁地面塌陷概况
房洼梁地面塌陷西北侧300m为南塔煤矿区，目前该煤矿处于闭坑恢复治理期，已经完成了矿山地质环境保护与恢复治理项目初步验收工作；由于南塔煤矿属私营煤矿企业，资料收集存在一定困难，目前无法准确掌握矿区巷道平面展布方向，仅从地表变形迹象初步定性为地面塌陷。
房洼梁地面塌陷近地表变形迹象主要表现：①房洼梁东侧近梁顶出现长约400m、高1.5-10m的错坎，错坎走向近南北向；②错坎北侧尽头为崩塌区，崩塌体宽约100m、高约20m，厚5-8m；③房洼梁中部有一条北东-南西向道路，目前路面北东段出现多处鼓丘、错坎；④房洼梁南侧为集中居住区，据老乡介绍早于2011年4月17日，坡面出现多条裂缝，裂缝倾向280°-290°，与坡向基本一致，裂缝贯穿居民房屋墙体，导致墙体80°向外倾斜，部分房屋已倒塌，目前当地政府对11户居民实施移民搬迁，移民搬迁工作正在实施。
2.2煤矿采空区勘探特点
煤矿采空区是在煤矿开采后，地下留下采空区，采空区顶板围岩、保安煤柱的稳定性直接影响到近地表是否产生塌陷区，所以这就要求对顶板围岩及煤层稳定程度进行研究，对岩石稳定程度研究目前已由定性描述转变为定量计算，但对煤层稳定程度的研究，目前仍然主要是定性的描述，定量的研究虽有所发展，但还没有形成统一的数量标准作为煤层稳定程度的依据，采空区问题更加复杂，难以定量分析。在我国近年来由于煤矿采空区引起的问题日益严重，大多数矿山不同程度地存在着一些未处理的采空区，采空区是工程建设的一大隐患，但通过资料调查和钻探无法察明采空区确切的形态和位置。近年来众多物探工作者对采空区勘探进行了研究，取得了很多实用性的成果。如运用瞬变电磁、浅层地震、高密度电法相结合的综合物探方法在煤矿采空区的勘探研究。也有部分专家学者对其它物探方法，如地质雷达、CT法等方法对采空区中的勘探效果进行了研究。
煤矿采空区的探测，目前，国内外主要是以资料收集、采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。
2.3煤矿采空区工程地质勘察
1、煤矿采空区勘察技术方法选择
总结以往工作经验，在多种多样的勘察技术中，采矿资料的收集、工程地质调查、采矿调查是采空区勘察工作的基础，已往的采空区勘察忽视这方面工作或对此重视不够，往往使物探和钻探工作陷入盲目状态。
煤矿采空区勘察前期应进行详细的工程地质调查、采矿调查，大概确定采空区部位及范围，然后根据测区地形、地质、地球物理条件，有目的的选用几种物探方法进行探测；再根据调查及物探结果布设钻孔进行验证；最后综合分析地质、物探和钻探资料，圈定采空区范围、形态，经济准确地查清采空区分布及赋存状况。
2、煤矿采空区勘察范围及深度
煤矿采空区勘察工作中确定勘察范围主要以采空区地表移动盆地分布范围为准。采空区勘察深度一般要求至少深入采空区底板2m以上。
房洼梁地面塌陷勘察范围主要为房洼梁东北侧，中部路面鼓丘、错坎范围，南侧集中居民区地表、建筑物变形开裂范围（见图2）。
3、煤矿采空区勘察一般流程
采空区勘察一般流程见下图（图3）
4、煤矿采空区勘察技术手段
1）搜集资料
大面积采空区以资料为主。
（1）搜集煤矿区各种地质图及区域地质资料，借以了解地层构成，产状和构造以及水文地质条件等。
（2）搜集煤层分布图，以了解煤层分布范围、赋存标高、层次、开采深度、厚度、埋藏特征和上覆岩层的岩性、构造等。
（3）搜集采掘工程平面图、井上下对照图、采区平面布置图、开采规划图，以了解采空区的位置、开采历史、计划、开采方法、开采边界、顶板处置管理方法、工作推进方向和速度、巷道平面展布方向、断面尺寸及相应的地表位置、顶板的稳定情况、塌落、支撑回填、积水清况、洞壁完整性和稳定程度以及远景开采规划等。
（4）搜集地表变形与有关变形的观测，计算资料，包括地表最大下沉值、最大倾斜值、最小曲率半径，陷坑、台阶、裂缝的位置，形状、大小、深度、延伸方向及其与地质构造、开采边界、工作面推进方向等的关系。
2）调查访问
利用区域地质资料分析、实地调查、访问知情人（特别是当地思维清楚的年长之人）或群访为主要手段，调查内容如下：
（1）矿区的分布范围，矿层的开采范围、深度、层数。
（2）开采方法和顶板管理，巷道宽度、高度、延伸方向（若信息不明确可进行实地测量），采空区的塌落情况。
（3）采空区开采历史及规划发展情况。
（4）采空区地下水发育情况，排水、抽水情况及对采空区稳定的影响。
（5）建筑物变形情况和防治措施。
（6）有条件时，可进行实地测量。
3）地质调绘
（1）地形地貌，地质构造，地层时代、成因、岩性、产状，矿层的分布范围、开采深度、厚度等。
（2）不良地质现象的类型，分布位置与规模。
（3）地下水水位变化幅度，了解采空区附近工农业抽水和水利工程建设情况及其对采空区稳定的影响及地表水、地下水水质及其腐蚀性。
（4）地表变形情况，塌陷、裂缝、台阶的分布位置，形状、大小，深度，延伸方向，发生时间，发展速度以及它们与采空区、岩层产状主要节理、断层、开采边界、工作面推进方向等的相互关系，移动盆地的特征、边界。
（5）建筑物变形情况，变形的类型（倾斜、下沉、开裂），发生的时间，发展速度，裂缝分布规律、延伸方向、形状大小，建筑物结构类型，所处位置及长轴方向与采空区地质构造、开采边界、工作面推进方向的相互关系及地基加固处理经验教训。
（6）有害气体的类型，分布特征，压力及危害程度。
4）勘察与测试
（1）综合物探。
采用电法、地震、地质雷达，必要时进行综合测井等综合物探手段，其方法可参考下表。
采空区物探测线布置应根据：线路纵、横断面方向，并结合工程性质，采空区的埋深、延伸方向进行布置，以查明采空区的范围、埋深、采空区的空间大小、上覆岩、土层厚度。
房洼梁地面塌陷物探方法主要采用瞬变电磁法，沿坡面从东至西共布置9条勘探线（见图4）。
根据9条线视电阻率等值线剖面图得出950m视电阻率等值线平面图（图5），从图5可以看出高阻区分布范围与宏观变形基本吻合。
（2） 钻探与测试
①钻探。
根据搜集的图纸资料、调查测绘以及物探的成果资料，综合分析，确定钻孔的数量及深度，以进一步验证物探结果，得以相互补充和验证，钻孔深度应钻至最低层洞底地层以下不少于2m。布孔应结合变形情况以及物探异常点，经综合分析研究后进行布置。
②测试
a、对上覆不同性质的岩、土层，应分别取代表性试样进行物理力学性质试验，提供稳定性检算及工程设计所需参数。
b、分别取地表水及地下水样作水质分析。
c、对煤层或可能储气部位，必要时进行有害气体含量及压力的现场测试。
5） 地表变形的观测
当勘察区缺乏资料且勘探难以查明采空区的基本特征时，应进行定位观测，直接查明地表变化特征，变化规律和发展趋势。
（1）观测线宜平行或垂直煤层走向成直线布置，其长度应超过移动盆地的预计变形范围，走向观测线（即观测线平行矿层走向），应有一条测线通过预计最大下沉值的位置；倾向观测线（即观测线垂直煤层走向）不宜少于2 条；方法是先确定煤层走向，然后根据矿区已有的地表移动资料，确定走向观测线和倾向观测线，且观测线上的观测点间距应大致相等，观测点间距参照下表1。
（2）观测周期t 可根据地表变形速度和开采深度公式
计算，或根据下表2确定。
公式中
t―观测周期（月）
k―系数（一般为2～3）
n―水准测量平均误差（mm）
S―地表变形的月下沉量（mm/月）
（3）在观测地表变形的同时，应观测地表裂缝、陷坑、台阶的发展和建筑物的变形情况。
（4）观测资料的整理：
①绘制下沉曲线图，下沉等值线图，水平变形分布图。
②根据有关变形值，划分地表变形区的范围。如根据建筑物对
地表变形区的容许极限值，确定移动区范围（内边缘区），根据地表下沉10mm 的下沉值，确定轻微变形区，即移动盆地的范围。
③计算盆地内有关地点的地表下沉值、倾斜值、曲率、水平移动值和水平变形值。
④对正在开采和将来开采的采空区，应预算其最大变形，（最大下沉值、最大倾斜值、最大曲率、最大水平移动值和最大水平变形值）对缓倾岩层或地表变形平缓连续时，可按“第6）节―地表移动和变形的预测”有关方法计算最大变形值。
⑤原始测量记录。
6）地表移动和变形的预测
地表变形分为：两种移动和三种变形。两种移动为垂直移动（下沉）和水平移动；三种变形为倾斜变形，弯曲（曲率）和水平变形（伸张或压缩）。国内通用的预测计算方法为概率积分法。
（1）地表最大下沉值
① 首次采动时，充分采动情况下的最大下沉值计算： Wmax=η.mCosα
其中： Wmax―最大下沉值(mm) m―矿层的真厚度(m)
α―矿层倾角(º) η―下沉系数(mm/m) (见下表3)。
②首次采动时，非充分采动情况下的下沉值计算：
式中：
W―为下沉值（mm）
n1、n2―分别为矿层倾斜方向与走向方向的采动程度系数
式中：H0―平均开采深度（m）
D1、D2―分别为采空区沿倾斜方向与走向的实际尺寸（m）
③重复开采时，非充分采动情况下的下沉值计算：
其中：H1―前次采动的上覆岩层厚度（m）
H―本次开采深度（m）
（2）地表最大倾斜、最大曲率、最大水平移动和变形的预测。
（3）地表最大下沉速度按公式计算。
3 煤矿采空区勘察常用手段、方法
煤矿采空区勘察常用手段为物探与钻探相结合的综合勘探方法；物探方法种类较多，如：电法、电磁法、地震法、测井法、重力法、放射性等，常用于煤矿采空区探测的方法主要为：电法中的高密度电法、电磁法中的瞬变电磁法；钻探主要是对物探结论进行验证。
3.1瞬变电磁法、高密度电法探测优势
1、瞬变电磁法探测优势
瞬变电磁法适用环境为探测目标与周围介质呈相对高、低阻，地面或空间没有大的金属结构体、厂矿及较大村镇，有效探测深度500-1000m；该法具有分辨能力强、工作效率高、受地形影响小，能穿透高阻覆盖层等优势，迅速发展成为高效、快捷的物探方法，近几年来受到人们的重视；将瞬变电磁法应用于房洼梁地面塌陷区探测，效果良好。
2、高密度电法探测优势
高密度电法也将越来越多的应用于煤矿采空区探测，特别是陕北黄土高原煤矿采空区探测，该方法适用于任何地层及产状，具有良好的接地条件，有效探测深度≤100m（符合陕北黄土高原区煤层埋深较浅特性）；陕北高原干旱地带，煤层采空区中充水极少，岩体空隙发育，煤层被采空形成一定的充气空间，破坏了岩石的完整性、连续性，造成采空区相应地层的电性与围岩电性不同，表现出明显的高阻特性；视电阻率的这一分布特征是高密度电法物探资料地质解释的依据。完整岩层和未开采煤层横向电性较均匀且分布范围一般很大，采空区和巷道为特高阻，砂岩层为低阻，煤层呈中到相对高阻，视电阻率的差异具备开展高密度电法勘探的前提条件。例如神华集团的神东矿区近年采用高密度电法对矿区范围内存在不明采空区进行探测，有效地探明了煤层采空区赋存状态及范围, 达到了预期勘查要求。
3.2野外钻探验证
采用钻探手段野外验证主要考虑勘探区地质、水文地质，结合勘探区存在的煤矿开采方式，判定采空区主要考虑钻探煤层厚度、简易水文、区域含水层水位、裂隙含水层富水性5个方面的影响因素。
4 结束语
经过本次对房洼梁地面塌陷勘察，基本了解了煤矿采空区勘察的步骤与方法，但在勘察过程中需要注意的问题如下：
(1)重视区域工程地质、水文地质资料及矿区相关资料的收集，特别是搜集煤层底板等高线图、煤矿采掘工程平面图、井上下对照图及巷道走向图等。
(2)结合探测区地物特征、地形地貌、地层岩性、煤层赋存标高等条件合理选择一种或多种物探方法。
(3) 由于钻探验证采空区具有一定的局限性，尤其是房柱式开采的小型煤矿，钻孔落在采空区上的概率较小，所以要增加钻孔数量的布置。
(4)针对地表变形区进行区域性大面积调查，查明地层岩性、煤层分布、矿区、 井口位置、采空边界等，并将调查结果一一填绘于图件上。
(5)重视采空地表变形调查和综合资料分析，先访问，后实地量测，目的性要强。采空区内错坎、拉裂槽、鼓丘等微地貌是重点调查对象，记录变形范围、变形程度、综合各种资料，分析引起变形程度差异的原因。
(6)对一些古空区、民采区以访问为主，特别是访问一些年长的知情者，可到实地指点坑口位置、巷道走向、开采层埋深、采掘巷道长度、巷道断面等，边调查边记录。
