东北地区浅层老采空区综合勘察技术应用研究

甘志超

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



东北地区浅层老采空区综合勘察技术应用研究

甘志超

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

[摘要]结合吉林省辽源市某棚户区改造工程下伏浅层采空区，采用高密度电法、钻探和彩色钻孔电视观测的综合勘察技术，通过高密度电法准确地查明了浅层老采空区的平面分布;通过钻探与彩色钻孔电视观测查清了老采空区及其上覆岩层空洞与裂缝的发育现状，为地面工程的规划建设提供了基础资料与依据。物探+钻探+彩色钻孔电视观测的综合勘察技术可以为类似的浅层老采空区勘察提供借鉴。

[关键词]浅层；老采空区；高密度电法；彩色钻孔电视

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.003

[引用格式]甘志超.东北地区浅层老采空区综合勘察技术应用研究[J].煤矿开采，2015，20(5)：11-14.

东北地区采矿历史久远，在地下浅部遗留下大量的老采空区。随着一些资源城市的发展，由于土地资源的紧张，许多建(构)筑物的建设都会涉及浅部老采空区，为了确保建(构)筑物安全，查明老采空区的分布及其现状是重要的基础工作，为后期的评估与设计等工作提供依据。

勘察浅部老采空区主要利用物探和钻探。通过物探方法查明采空区的平面分布，钻探则主要是查清老采空区及其覆岩垮落的现状。物探方法中又以高密度电法、浅层地震法和地质雷达等3种方法为主。国内学者在不同地区、不同地质条件下开展了高密度电法探测老采空区的应用研究，取得了较好的效果[1-5]。陈钢、孙洪星等在浅层地震探测采空区方面进行了正演与应用方面的研究工作[6-7]。孙林利用高密度电法和浅层地震法对两层煤层的采空区进行了探测，取得了较好效果[8]。程久龙研究了强电磁干扰区探地雷达探测采空区的处理技术[9]。国内学者研究利用地质雷达探测高速公路和露天煤矿下伏的老采空区[10-12]。朱超研究了利用钻探和物探方法勘察浅层采空区[13]。

本文结合吉林省辽源市某棚户区改造工程下伏浅层采空区勘察工程，探讨东北地区浅层老采空区的综合勘察技术。

1浅层老采空区地质与电性特征

1.1　浅层老采空区地质特征

浅层老采空区开采时间大多较早，一般为小型煤矿开采形成；埋深浅(<50m)，开采厚度一般为1~3m，上覆岩层没有明显的破坏变形，开采方式多为人工和半机械化，留有煤柱进行支撑。随着时间的延长和地面载荷加大，原来预留的煤柱可能蠕变失稳，造成地面突然塌陷，引发安全事故。

勘探区位于吉林省辽源市，为工矿棚户区改造项目，拟建建筑采用钢筋混凝土结构。根据采矿资料，勘探区开发历史久远，区内分布有十余处伪满时期遗留的废旧矿坑；采空区部分形成于1945年以前，有的是在解放后开采形成的。采空区埋深20~50m。

勘探区内地层自上而下依次为：

第四系(Q4)为黏土、亚黏土和亚砂土，厚度在15.0～30.0m之间。

第三系(R)以玄武岩为主，还有同期异相之辉绿玢岩侵入体，厚度0～200m。

白垩系(K1)主要由粗砂岩、砾岩和粉砂岩组成，厚度约400m。

晚侏罗系(J3)由两个含煤组组成。

辽源组(长安组)厚度350～700m，由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和煤组成，一般含煤2～5层，其中主要可采煤层两层，其厚度在8.0～25.0m之间。

仙人沟组(安民组)厚度100～600m，由凝灰岩、火山角砾岩、安山岩、玄武岩组成。

志留奥陶系(S1-O3)由花岗片麻岩、石英片岩、大理岩等变质岩组成，构成上侏罗统煤系基底。

勘探区内主要可采煤层特征见表1。

表1　可采煤层特征

1.2　浅层老采空区电性特征分析

煤层开采后多数采空区会发生顶板垮落，形成垮落带、裂缝带和弯曲带。当开采面积小，煤层顶板不垮落(如房柱式采煤)时，则采空区以不充水或充水的空洞形式保存下来。无论采空区顶板垮落与否，煤层开采改变了地层的物性结构，并且会受地下水的影响，使得采空区及其覆岩的电性特征发生显著变化。

在煤田采空区勘探中，采空区的孔隙度及其连通性、含水饱和度及其矿化度是决定采空区电阻率的主要因素。当采空区中空洞发育，其连通性较好，无水或是泥质等低阻介质充填时，采空区的电性特征应表现为高阻；当采空区中空洞发育，连通性又较好，有矿化度较高的地下水或是泥质等介质充填时，采空区的电性特征应表现为低阻。老采空区及其与围岩地层的电性特征差异，是利用高密度电法对浅层老采空区进行勘察的前提。

1.3　勘察方案

在勘探区内，地面比较平坦，接地条件较好，电力线等较少，但存在部分拆除的房屋，勘探区的老采空区大部分埋深在20~50m。根据勘探区的地面条件和地质任务，采用高密度电法+钻探+彩色钻孔电视的综合勘察方法，通过高密度电法查明采空区的平面分布，通过钻探和彩色钻孔电视观测查清老采空区及其上覆岩层空洞、裂缝的发育情况及其充填情况。

2高密度电法探测

2.1　高密度电法测线布置

高密度电法选用骄鹏公司生产的E60-DN型高密度电法仪。在勘探区内施工完成高密度电法剖面77条，测点间距5m，共完成勘探剖面长度36240m。部分区域受地表建筑物与硬化场地影响未进行探测，但基本未影响测线对测区的平面控制。

2.2　高密度电法探测成果

图1为高密度电法N11线视电阻率反演剖面图。该测线方向为自北向南，从反演剖面图来看，视电阻率在横向上出现几处低阻异常，在垂向上呈层状分布。在测线方向50~210m，深度10~30m范围内出现一个明显的低阻异常，ZK03钻孔对该异常进行了验证，该钻孔终孔深度40m，见煤层，未见采空区，分析该低阻异常为强风化泥岩引起。在测线方向230~370m，深度50~70m的范围出现明显的低阻异常，ZK05钻孔对该异常进行了验证，该钻孔终孔深度68m，见采空区，49m，55m，59m处漏水，分析该低阻异常为采空区引起，该采空区异常横向有140m长(230~370m)，纵向有20m，视电阻率值2~12Ω·m。

图1　高密度电法N11线视电阻率反演剖面

图2为高密度电法N17线视电阻率反演剖面图。该测线方向为自南向北，从反演剖面图来看，视电阻率在横向上出现几处低阻异常，在垂向上呈层状分布。在测线方向0~100m，深度10~30m范围内出现一个明显的低阻异常。ZK06钻孔对此低阻异常进行了验证，钻孔终孔深度为40m，见采空区，未掉钻，19～20m处漏水严重。分析此低阻异常为采空区引起，此处采空区异常横向有100m长(0~100m)，纵向有10m，视电阻率值1~8Ω·m。

图2　高密度电法N17线视电阻率反演剖面

图3为高密度电法N60线视电阻率反演剖面图。测线方向为自西向东，从反演剖面图来看，视电阻率在横向比较均一，在垂向上呈层状分布。高密度电法资料推断测线上无采空区异常，但在采掘图中，在测线方向300~360m标示该区域在浅层有老采空区存在，在该范围施工了钻孔ZK10，钻孔施工至60m终孔，未见采空区，说明高密度电法资料较可靠。

图3　高密度电法N60线视电阻率反演剖面

3钻探勘察

3.1　钻孔布置

根据高密度电法成果和勘察任务，设计了12个钻孔，一方面是对物探成果进行验证，另一方面将钻探作为一种补充勘察(后期的采空区治理孔)。

3.2　钻探成果

在采空区物探异常区域布置的6个钻孔(ZK3，ZK5，ZK6，ZK7，ZK9，ZK11)中，ZK3号孔见煤层，未见采空区；ZK5，ZK6，ZK7，ZK9号钻孔见采空区，顶板都已经垮落；ZK11号钻孔未见煤层，岩芯破碎。在没有物探异常，但根据采矿资料标示有采空区的区域布置了1个钻孔，即ZK10号钻孔未见煤层(采空区)。考虑对勘查区域的控制，布置了3个钻孔，即ZK1，ZK2，ZK12号钻孔，均未见煤层(采空区)。在其他物探异常区域布置了2个钻孔，即ZK4和ZK8号钻孔未见煤层，原始地层破碎。在岩土勘察孔中的3号钻孔在18m掉钻，掉钻4m，进尺容易，判断为井筒。

4彩色钻孔电视观测

为了更好地查清采空区及其上覆岩层的空洞与裂缝发育情况，对ZK3，ZK7，ZK8，ZK9和ZK11 5个钻孔进行了彩色钻孔电视观测。

图4为ZK8号孔的彩色钻孔电视观测结果，该钻孔从深度0m开始观测，至38.10m结束。从图4中可以看出，该孔深度16.64~21.88m地层破碎，裂缝十分发育，23.20~38.00m裂缝比较发育。可以看出彩色钻孔电视能直观地观测到采空区及其上覆岩层的空洞和裂缝发育情况。

图4　ZK8号孔钻孔电视观测结果之一

5结论

(1)对于浅层老采空区，采用物探+钻探+彩色钻孔电视观测的综合勘察技术，可以查明采空区的平面分布，查清老采空区及其上覆岩层的空洞与裂缝发育情况，为浅层老采空区的评估与治理提供基础资料与依据。

(2)高密度电法在浅层老采空区的勘察中，在接地条件好的区域，可以取得准确度较高的成果，可以作为查明老采空区平面分布的主要勘察手段。

(3)彩色钻孔电视观测成果直观、准确、精度高，是勘察老采空区及其上覆岩层空洞与裂缝发育情况的一种好方法。

[参考文献]

[1]肖敏，陈昌彦，白朝旭，等.北京地区浅层采空区高密度电法探测应用分析[J].工程地球物理学报，2014，11(1)：29-35.

[2]张腾，万雪林，童婷婷,等.高密度电法探测老窑采空区试验研究[J].北京工业职业技术学院学报，2010，9(2)：11-16.

[3]辛思华，宋仁成，杨建军,等.高密度电法在煤矿采空区勘查中的应用[J].中国煤炭地质，2008，20(1)：59-61.

[4]张建强，张全录，汤跃超,等.高压输电线塔基煤矿采空区的高密度电阻率法探查研究[J].地球物理学进展，2004，19(3)：684-689.

[5]张彬，牟义，张永超,等.三维高密度电阻率成像探测技术在煤矿采空区勘查中的应用[J].煤矿安全，2011，42(6)：104-107.

[6]陈钢，许维进，梁京华,等.浅层地震采空区探测计算机仿真正演[J].煤炭学报，1996，21(1)：18-23 .

[7]孙洪星，康永华，耿德庸,等.煤层采空区浅层地震法探测效果[J].工程勘察，1998(4)：66-68.

[8]孙林.高密度电阻率法与浅层地震在探测煤田采空区中的应用[J].物探与化探，2012，36(S)：88-91.

[9]程久龙，潘冬明，李伟,等.强电磁干扰区灾害性采空区探地雷达精细探测研究[J].煤炭学报，2010，35(2)：227-231.

[10]邱钰，童立元，方磊.地质雷达在华南山区高速公路下伏典型小煤窑采空区探测中的应用研究[J].公路交通科技，2012，90(6)：115-117.

[11]李永铭，潘冬明，陈涛,等.地质雷达在露天煤矿采空区探测中的应用[J].能源技术与管理，2010(2)：13-15.

[12]许锡昌，陈卫东，刘伟.地质雷达和高密度电法在废弃矿井探测中的应用[J].岩土力学，2002，23(S)：126-132.

[13]朱超.钻探-物探方法在浅层采空区探查中应用[J].中国科技信息，2012(17)：57.

[14]赵敏，甘志超.小线框瞬变电磁法在探测煤矿充水巷道中的应用[J].煤矿开采，2012，17(6)：21-22.

[责任编辑：施红霞]

Comprehensive Exploration Technology Application of Gob in North-east Area

GAN Zhi-chao

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：Applying high-density electrical method，drilling exploration and borehole color TV，plane distribution of gob in shallow buried layer under shantytowns transformation engineering of Liaoyuan Municipality，Jilin Province was found out with high-density electrical method，caves and fissure development state of gob and its overlying strata was observed with drilling and borehole color TV，which provided basis for planning and constructing of surface engineering.Comprehensive exploration technology could provide reference for exploring shallow buried gob.

Keywords：shallow layer；gob；high-density electrical method；borehole color TV

[作者简介]甘志超(1983-)，男，四川邻水人，助理研究员，主要从事地球物理勘探与煤矿地质灾害防治等方面的研究工作。

[基金项目]国家科技支撑计划项目资助 (2012BAB13B02 -04)； 中国煤炭科工集团创新基金项目 ( 2012MS004) ；天地科技技术创新基金(KJ-2014-TDKC-02)

[收稿日期]2015-03-16

[中图分类号]TD15；P62

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)05-0011-04