冲洗液法+钻孔电视在采空区探测中的应用

李太启

(安徽省皖北煤电集团有限责任公司，安徽 宿州234011)

采空区探测是获得采空区覆岩破坏基础数据的重要手段，也是合理开发利用采空区上方土地的必要条件，对采空区上方土地的二次利用具有十分重要的意义。目前，采空区探测技术多种多样，究其根本主要分为钻孔探测技术和地球物理探测技术两大类，在我国钻孔探测技术应用较为广泛，在条件允许时，通常采用钻探为主、物探为辅、相互验证的原则［1-3］。地球物理探测技术较钻孔探测技术虽有信息量大、工作效率高等优点，但其往往只能限于定性分析的层面，为保证精确度必须结合必要的钻探工程，通常在地质采矿资料充足、采空区范围较小的情况下，对采空区的探测可只对可疑关键部位进行钻探分析就能达到理想效果。本研究主要分析钻孔探测技术中钻孔冲洗液漏失量观测法(以下简称“钻孔冲洗液法”)和钻孔电视探测技术相互组合在采空区探测中的应用。

1 工程概况

拟建厂区位于多煤层采空区上方，矿井已停采多年，采空区冒落沉降已基本完成，但在内、外因素的作用下采空区仍有“活化”可能［4-6］。地下除采空区外还有多条羽状小断层存在，经分析其存在不会给项目的建设带来较大影响，故可不考虑。

拟建厂区停采后曾进行过常规岩土勘察，勘察深度只有35 m 左右，缺少深部岩层资料。考虑到本项目建筑物载荷较大，对地基稳定性要求较高，故建设施工前必须进行工程勘察，准确把握地下岩层岩性及采空区“三带”分布情况，进而进行地基稳定性评估。

2 冲洗液法+钻孔电视在探测中的适用性

钻孔冲洗液法是老采空区探测中最常用的手段，它是通过测定在施工过程中冲洗介质的漏失量、钻进情况、速度以及钻孔水位、吸风等资料来确定采空区覆岩破坏情况的方法，具有操作简单、实用可靠等优点，但在原岩裂隙比较发育的区域较难获得有效数据，另外在观测时间点的把握上要求高。钻孔电视探测技术是近些年来发展起来的一种较为直观、实用的探测技术，在观测煤层上覆岩层的完整性和原生裂隙的发育特征、受采动岩体裂缝带内岩层的裂缝发育宽度、连通情况，岩体破碎状况和垮落岩块的分布等方面应用较为广泛［7-8］。将二者相结合起来可以提高采空区及其覆岩探测的精确性和可判读性。

本项目地质采矿资料较为完整，邻近矿区近年有过施工经验，故在选择勘察方法时有一定的针对性。拟建厂区下方为多煤层开采，在进行地基稳定性分析时主要考虑建筑荷载传递深度是否与导水裂隙带高度充分接触，故导水裂隙带高度的确定尤为重要［9-11］。经分析，运用钻孔冲洗液法结合钻孔电视探测技术可以为分析确定采空区的导水裂隙带高度，特别是垮落带的发育高度提供对比依据，从而大大提高准确度和精度。故本项目选用钻孔冲洗液观测法+钻孔电视较为合适。

3 勘察孔布置

考虑到多层采空区的埋深比较大，且生产车间与综合楼的静态载荷和动态载荷均较大，故本次设计勘察孔的位置主要布置在主厂房区的主要建构筑物区域。简易车棚与食堂(临时)均为普通钢结构，对地表变形适应能力较强，故不做勘察。根据地质采矿资料，结合拟建的主厂房区的主要建构筑物位置，共布置了7 个勘察孔，见图1。其中一车间2 个(1、2 号勘察孔)，二车间2 个(3、4 号勘察孔)，综合楼2 个(5、6号勘察孔)，水塔区域1 个(7 号勘察孔)。

4 勘察结果分析

4.1 勘察孔钻进及冲洗液漏失情况分析

各个勘察孔对应区域煤层开采情况不一样，在钻探时通过施工情况可对搜集的相关地质采矿资料进行验证，在钻探施工中勘察孔最终深度为采空区底板以下3 m 左右。

图1 勘察孔与建筑物相对位置简图Fig.1 The relative position of exploration holes and buildings

勘察工程于2010 年5 月17 日组织施工队伍进场安装，10 月23 日首台钻机开孔，到5 月24 日7 台钻机相继开孔作业，2010 年6 月15 日工程结束，施工总工期30 d，钻孔总工期22 d。下面对各个钻孔施工过程中冲洗液的漏失情况以及施工资料进行分析。

1 号孔终孔深度为252.00 m，设计深度275.00 m。按照设计要求采用取芯钻进，该孔施工到147.17 m 时冲洗液完全消耗，当钻至213.00 m 时钻进速度突然加快，经判断已经进入冒落松散地带，后经突击钻至220.00 m. 实际取芯率为93.93%。为确保施工安全，在征得设计单位同意的情况下，在210.62 m以下采取无芯钻进至252 m。后由于孔内坍塌严重，险些造成卡钻事故被迫停钻。

2 号孔终孔深度为240.47 m，设计深度290.00 m。按设计要求采用无芯钻进，该孔施工到孔深145.60 m 时冲洗液完全消耗，使用清水钻进至240.47 m 时，由于孔内坍塌严重，不得已而停钻。后经取样分析已进入采空区，在140.00 m 左右孔口开始出现负压现象，孔内无水位。

3 号孔按设计要求为取芯钻孔，终孔深度为230.00 m，达到了设计深度。其中209.99 m 至230.00 m 为无芯钻进。从孔深170.00 m 开始冲洗液完全消耗且孔口出现负压现象，观测不到水位。该孔细砂岩、中砂岩、粗砂岩所占比例为52.41%，从岩性特征分析，5#煤顶部粗砂岩表层一经钻穿下部岩石即显破碎，且伴随大漏水现象发生，对应深度在170 m 左右。该孔按照设计为取芯孔，实际取芯率为83.98%。为确保施工安全，在争得设计单位同意的情况下，在209.99 m 以下采取无芯钻进至终孔深度。

4 号孔终孔深度为288.35 m，设计深度为295.00 m，当钻至210.00 m 时钻进速度突然加快，判断进入松散地带(该区间内已取样证实)，突击钻进至288.35 m 时出现卡钻迹象，被迫停钻。该孔在120.00 m 处即开始大漏水，是当前所有钻孔中漏水最早的一个，且坍塌段高也是最大的。

5 号孔设计深度为270.00 m，终孔深度为270.00 m。施工过程中进尺正常，未出现冲洗液大量漏失的现象。

6 号孔设计深度295.00 m，终孔深度为280.00 m。按照设计要求采用取芯钻进，该孔施工到144.00 m 时冲洗液完全消耗，当钻至215.00 m 时钻进速度突然加快，经判断已经进入松散地带，突击钻至220.00 m。该孔按照设计为取芯孔，实际取芯率为82.51%。为确保施工安全，在争得设计单位同意的情况下，在210.62 m 以下采取无芯钻进至终孔深度。

7 号孔终孔深度为310.00 m，设计深度310.00 m，完成了设计要求。按照设计要求采用取芯钻进，该孔施工到约157.00 m 时冲洗液基本全部漏失，159.00 m 时有轻微返水现象，但未见软。该孔按照设计要求为取芯孔，实际取芯率为87.44%。为确保施工安全，在争得设计单位同意的情况下，在213.35 m 以下采取无芯钻进至设计孔深。

各孔漏水点位置与见软情况统计见表1。

表1 各孔漏水点位置与见软情况统计Table 1 The statistical table of leakage points position and soft case

经过对施工的各个勘察孔综合分析初步得出如下结论:

(1)经各钻孔资料分析可知，风化带厚度约为49.63 ～37.29 m，主要取决中粗砂岩的发育厚度及埋深而定。施工的各个钻孔均未发现尚未采动的完整煤层。

(2)主要漏水点均出现在对应的5#煤顶部中粗砂岩以下，该砂岩下部发育1 层3 m 左右的泥岩及砂质泥岩相对隔水，一经揭露即发生大漏水现象。该中粗砂岩层相对较完整，各取芯钻孔验证101 ～140 m段内发育的厚层中粗砂岩4 个取芯钻孔均取上部单块长度超过1 m 的完整岩芯，其下部近直立裂隙较发育，疑似为进入了导水裂隙带，其对应段距为孔深140 ～208 m。通过以上分析并结合简易水文观测情况，140 m 以上冲洗液的漏失与消耗应属原始岩石孔隙裂隙导水，以下属受煤层采动形成的“导水裂缝带”导水。各施工钻孔普遍在208 m 左右相继进入冒落带。

(3)一车间和二车间区域采空区采动程度较充分，受各煤层的采动影响冒落带呈现叠加现象并且与原井下残留巷道沟通良好，特别是位于一车间的1、2号孔区域，局部冲洗液完全消耗、孔内坍塌严重。综合楼与水塔区域相对于一车间与二车间采空区稳定性较好。

4.2 钻孔电视勘察结果分析

通过钻孔冲洗液法对采空区及其覆岩的结构分析有了初步的了解，为对地下岩层破坏情况有更为直观、准确的了解，在7 个观察孔内布置了彩色钻孔电视观测，部分钻孔电视观测结果见图2。

图2 部分钻孔电视观测结果Fig.2 Some observation results by borehole TV system

1 号和2 号勘察孔位于一车间区域，1 号孔从140 m 深度以下，岩层裂隙较发育，裂隙主要为高角度纵向裂隙，在210 m 左右发现有空洞存在。2 号孔在140 m 深度以上岩层较完整;自孔深145 m 深度以下，岩层裂隙较多，孔壁有淋水，孔内无水位，240 m处有明显空洞存在。3 号和4 号勘察孔位于二车间区域，3 号孔在孔深120 ～210 m 段，岩层有明显的裂隙发育情况，尤其在孔深170 ～210 m 段，岩层比较破碎，岩体有垮落形态。4 号孔120 m 深度以上岩层较完整，120 m 以下岩层受煤层开采的采动影响比较大，岩体裂隙比较发育，210 m 以下破碎程度尤为严重。5 号和6 号勘察孔位于综合楼区域，5 号勘察孔全孔岩层较完整，没有明显的裂隙发育;6 号勘察孔全孔岩层整体比较完整，只是在孔深151 m ～孔底段，局部裂隙发育，主要以单条裂隙发育为主。7 号勘察孔位于水塔区域，对7 号孔观察可知全孔岩层较为完整，仅在304.5 ～306 m 处有少量裂隙存在。

通过以上对1 ～7 号勘察孔钻孔电视观测资料进行分析，对拟建厂区老采空区上覆岩层的现状以及老采空区的破坏状况有以下认识:①拟建厂区综合楼(5、6 号勘察孔)和水塔(7 号勘察孔)区域下覆岩层比较完整，仅有少量裂隙且不影响结构稳定性;②在一车间区域140 m 深度以下，二车间区域120 m 深度以下，纵向裂隙较发育，岩层结构整体性差，受采动影响较大;③一、二车间区域200 m 深度以下，横向、纵向裂隙均发育，岩层破碎现象严重，211 m 深度以下可判断为出现采空区，综合分析可知此处在受内、外因素影响下易发生失稳变形。

5 勘查结果综合分析

通过钻孔冲洗液法所得资料和钻孔电视观测资料相互对比验证可知，拟建厂区一车间、二车间下方采空区及其覆岩虽经长时间的压实，但仍存在一定程度的裂隙、离层及松散破碎等不稳定结构，其整个岩体结构处于相对稳定状态，在施加外部载荷后有可能发生失稳变形，从而给地表建筑物带来安全隐患［12-13］。综合楼与水塔区域地下采空区仅有极少部分裂隙发育，压实性较好，采空区整体结构较为稳定。综合地质采矿资料与观测资料对拟建区域各部分裂隙发育深度进行初步确定，如表2 所示。

表2 观测钻孔裂隙发育深度统计Table 2 The statistics of fracture development depth m

6 结 论

(1)工程实践证明，运用钻孔冲洗液法和钻孔电视相结合的方法对采空区空洞、裂隙发育特征和导水裂隙带高度进行探测分析，可以相互验证，减少或避免采空区探测中存在的“盲区”，提高采空区探测的判读精度。

(2)采用钻孔冲洗液法和钻孔电视对采空区进行探测时，勘察孔位置、密度、深度的确定是前期的关键环节，在钻进过程中要注意钻进中的异常情况，如掉钻、卡钻、冲洗液的变化等，及时记录钻进过程中的岩性变化，在综合分析后利用钻孔电视加以确认、验证，才能获得最佳的检测效果及检测精度。

(3)钻孔冲洗液法+钻孔电视虽可较准确地对采空区问题进行探测分析，但其也存在一定的局限性，其工程量较大、耗时长、费用高，尤其是在对开采范围大及地质条件复杂的采空区进行探测时显得事倍功半，此时应结合地球物理探测方法明确模糊点及关键点，然后有的放矢地进行布孔勘察。

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