深层采空区勘察工作方法探讨——以鲁西莱芜官厂村煤矿采空区为例

郭建，邵光宇，周兴涛*，张铁，曹光明，张宇，王荣荣

(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队(山东省地矿工程勘察院)，山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014；2.金乡县自然资源和规划局，山东 济宁 272200)

0 引言

莱芜作为一个资源型城市，煤、铁等矿产资源丰富，由于矿产资源的大量开采，形成大面积的煤炭采空区，不仅给生态环境和居民生活安全造成了极大的影响，而且使中心城区被限制在狭小的空间，严重限制了城市的布局发展。近年来，随着经济的快速发展，城市用地日趋紧张，城区面积急剧扩张，原来的煤矿采空区可能成为未来的工程建设中心，工业与民用建筑工程建设已无法避让煤矿采空区。

煤矿采空区属于隐蔽、复杂、地表变形范围大、容易引发地质灾害的不良场地，对地面工程建设危害性很大，煤矿采空区问题是世界性难题。其中深层采空区(采深≥200m，或200m≤采深<300m且采深采厚比≥60m的采空区)因开采深度大，地层条件复杂，造成勘察难度大、投入高、风险高。

目前煤矿采空区勘察工作主要采用“物探+钻探”方法[1-4](1)山东省地矿工程勘察院，济南市莱芜区官厂村拟建场地采空区勘察评价报告，2019年。，其中物探方法主要采用瞬变电磁法和常规直流电法，因大部分采空区内都有村庄、公路和高压线路等人文活动的干扰，且这两种方法有效探测深度小于500m，深度超过500m的采空区探测难以取得良好的效果。

本文以鲁西莱芜官厂村深层煤矿采空区为例，在充分搜集和研究区域地质资料、矿山地质资料的基础上，采用了采空区调查、地表变形监测、地面物探、钻探、井内物探综合勘察方法，由浅入深地对莱芜官厂村的深层煤矿采空区进行了勘察，为类似工程条件煤矿采空区勘察提供借鉴。

1 地质条件

1.1 地质条件

研究区位于鲁西莱芜盆地东南部，地貌为丘陵-平原区，地形比较平坦。

研究区地表大部分被第四系覆盖，厚6mm左右。下伏地层由老至新依次为奥陶纪马家沟群、石炭-二叠纪月门沟群本溪组、太原组和山西组、二叠纪石盒子群、侏罗-白垩纪淄博群三台组、白垩纪水南组(图1)[5]。地层走向一般为290°～300°，倾向NE，倾角一般为10°～27°。区内断裂构造较发育，地质构造复杂，程度中等。岩浆活动比较强烈，各煤层中均有侵入，局部煤层因侵入岩而变薄，甚至全部侵蚀，靠近部分断层附近大面积侵蚀、变薄。

1—第四纪沂河组；2—第四纪临沂组；3—第四纪大站组；4—白垩纪八亩地组；5—白垩纪水南组；6—侏罗—白垩纪三台组；7—二叠纪万山组；8—隐伏二叠纪石盒子群；9—隐伏二叠纪山西组；10—隐伏石炭-二叠纪太原组；11—实测地层界线；12—推测地层不整合界线；13—推测断层；14—地层产状；15—研究区范围图1 区域地质略图

1.2 煤矿开采情况

研究区位于南冶煤矿西北部，大部分位于南冶煤矿矿界内。

南冶煤矿采矿权初设于1989年，2018年7月闭坑关停。矿井采用斜井开拓，走向长壁后退式采煤，顶板管理采用全部垮落法。2010年矿井改变顶板管理方法，全部采用似膏体及矸石充填开采。可采煤层为2、4、7、9、15、19煤层，允许开采深度+150m～-1000m。2009年以前回采率58.4%，2009—2013年回采率81.9%。

根据矿井资料及现场调查分析，研究区地下分布4层煤矿采空区，分布可采煤层4层，分别为2、4、7、15煤，开采深度480～870mm。山西组2、4煤层主要为气煤，太原组的7煤层为焦煤，15煤层主要为气肥煤。

2 采空区勘察工作

2.1 采空区调查

采空区调查范围为场地边界外扩500m，调查面积约5km2，调查内容包括采矿调查、采空区踏勘测量、地面建筑物破坏情况调查等[6]。

根据现场地质调查，研究区东部见有多处采空塌陷变形地段，部分建筑物见有明显的房屋开裂、墙体裂缝，裂缝宽度1～15cm不等,可贯穿整个墙体，严重地段地面下沉约0.3m，涉及房屋十余套，范围约3000m2。建筑物开裂现象主要发生在2005—2007年，2007年后未发现房屋开裂、地面下沉现象。结合煤田地质资料，推测为2004—2007年本区域内采煤塌陷引起，或者地面不均匀沉降引起[7]。

2.2 地表变形监测

根据区内煤层开采情况、采空区分布以及工程建设需要，布置了170个观测点，观测周期15～30d，观测6次，共计观测1020点次。

从观测数据可以看出，观测期内未出现地面突然大量沉降、不均匀沉降现象，地面沉降均匀，且沉降变化不大，没有发现异常现象，各沉降点沉降差均符合《煤矿采空区岩土工程勘察规范(2017年版)》中规定的采空区稳定性评价标准[8]。累计沉降量最大未超过20mm，其中，沉降量最大的观测点累计沉降量为11.85mm，最大沉降速度为0.20mm/d，沉降量最小的观测点累计沉降量为0mm，最小沉降速度为0.00mm/d；观测点各期沉降量在整个监测期间一直比较平缓，推断采空区地表变形已进入残余变形阶段[9]。

2.3 地面物探

由于区内建筑物密集，且采空区埋藏较深，大部分超过500m，各地层之间具有明显的电性差异，本次物探工作采用了可控源音频大地电磁法(CSAMT)[10-11]，CSAMT法较其他电磁法抗干扰能力相对较强，施工方便，表现出较为良好的探测能力。根据场地特点，布置了27条CASMT测线条(图2)，点距10m，测点1494个，剖面长300m，EW向、SN向均有布置，共长14.12km，基本实现全区覆盖。

1—物探测线及其编号；2—钻孔及其编号；3—等高线(m)；4—场地范围图2 场地物探测线及钻孔布置图

CSAMT依据各地层、采空区的物性特征，形成了电阻率拟断面图。从图上可以看出，矿体采空后，上覆地层中裂隙广为发育，地层变得松散失水，甚至坍塌，使得地层的导电性明显变化，采空区内若无积水，电阻率剖面图上表现为局部的高阻异常，采空区内若积水，电阻率剖面图上表现为局部的低阻异常。

L8线位于大桥路以东区域(图3)，近SN向布设，由南往北点号逐渐增大，点距10m，总长420m，共计42个点；由其视电阻率等值线断面图显示，视电阻率值在纵向上呈现浅部低阻深部高阻，为沉积地层的电性反映，局部视电阻率较高可能是由电线或道路干扰造成。

1—推测2煤采空区；2—推测4煤采空区；3—推测15煤采空区；4—推测断裂构造图3 L8线视电阻率等值线断面图

在横向上视电阻率值呈现西部高东部低的特征，在地面位置50～310m，埋深520～625m，地面位置360～415m，埋深635～685m处视电阻率值相对较低，结合地质资料推断为2煤采空区反应，由南往北逐渐变深；在地面位置70～300m，埋深560～645m处视电阻率值相对较低，结合地质资料推断为4煤采空区反应,由南往北逐渐变深；在地面位置5～180m，埋深680～730m处视电阻率值相对较低，结合地质资料推断为15煤采空区反应，由南往北逐渐变深。

2.4 钻探

根据收集地质资料及物探解译成果，结合区内建筑物分布及规范要求，在区内有针对性地布置了5个钻探验证孔(图2)，均布置在物探异常区域和建筑物轮廓线范围内，孔深660.46～834.20m。经验证，各钻孔在钻探过程中出现严重漏水、进尺快、埋钻等现象[12]，未发现掉钻现象。对比收集到的煤矿地质资料，可准确判断场地内钻孔揭露的采空区层数及其编号(表1)。

表1 钻探施工情况一览表

通过钻探异常地层上下顶板岩性对比，判断了2煤、4煤、7煤、15煤采空区及其上垮落断裂带。2煤垮落断裂带高度约29.6m，4煤垮落断裂带高度约25.3m，15煤垮落断裂带高度约29.0m；7煤采空区采用膏体材料充填，顶板岩心完整，未垮落。

2.5 井内物探

为探查采空区覆岩破坏现状、垮落断裂带高度、采空区的充填密实程度等，钻孔中进行了测井工作。该工作主要利用电位电阻率曲线、自然伽玛曲线、井径曲线来综合划分岩层岩性，划分的岩性主要有泥岩、细砂岩、粉砂岩、砂岩、泥质粉砂岩等。共测试钻孔5个，以钻孔ZK1测井为例(图4)，从钻孔ZK1综合测井曲线上截取555～620m段分析如下：561～586m处为泥岩层，曲线特征表现为电位电阻率相对偏低，自然伽玛数值偏高；586～620m处为粉砂岩、细砂岩，曲线特征表现为电位电阻率相对偏高，自然伽玛数值偏低；594.2～595.2m为2煤采空区，618.4～619.4m为4煤采空区，与围岩相比，采空区岩层曲线特征表现为电阻率稍低，自然伽玛值偏高，井径值较大。结合地质钻探取芯结果分析，采空区已塌落，充填破碎覆岩，导致岩石孔隙度增大，自然伽玛表现为放射性高异常；电阻率曲线由于采空区充水而偏低，井径曲线在采空区位置表现为大异常值[13-16]。

图4 ZK1钻孔测井曲线图

3 采空区勘察成果

(1)本次采空区勘察基本查明了区内采空区分布、规模、历史、覆岩破坏类型及分布等基本要素特征。

研究区内分布有2煤采空区、4煤采空区、7煤采空区和15煤采空区，均为深层采空区。各采空区分布特征见表2、图5。区内2煤采空区普遍分布，于1991年—2005年形成；4煤采空区分布于研究区西部、北部，于1998年—2008年形成；7煤采空区分布于研究区东部，于2011年—2013年形成；15煤采空区分布于研究区中部、东部、西北部，于2001年—2013年形成。受地层产状影响，各采空区均由SW向NE方向逐渐变深。

表2 研究区及附近采空区一览表

(2)本次采空区勘察在搜集整理和分析研究各类地质资料、矿山资料的基础上,通过对研究区重要建(构)筑物、地面塌陷及地裂缝等进行的采空区调查工作，初步掌握了深层采空区的位置、大小和范围；通过地表变形监测工作，确定了研究区地表变形现状；通过地面物探工作，较为准确地圈定了深层采空区的位置、范围；通过钻探工作来揭露地层、采空区，并对物探成果进行验证；通过测井工作和地质资料的对比，对覆岩破坏现状、“三带”分布、采空区的充填密实程度进行了精准解释，并校对了地层层位与地层地质年代。

1—2煤采空区分布范围；2—4煤采空区分布范围；3—7煤采空区分布范围；4—15煤采空区分布范围；5—钻孔及编号；6—研究区范围图5 研究区各煤层采空区分布图

(3)本次勘察工作中，物探工作圈定的采空异常范围与搜集地质资料、采空区调查的采空区分布范围基本吻合；经现场钻探验证,物探解译推断的采空区埋深及厚度与钻探所揭露的深度及厚度吻合得较好；测井分析的覆岩破坏现状、垮落断裂带高度、采空区的充填密实程度等与钻探岩心揭露情况基本吻合。

4 结论

(1)对深层采空区，采用“采空区调查+地表变形监测+地面物探+钻探+井内物探”方法，多种勘察方法有机结合并相互验证，对采空区的圈定更为详细准确，保证了勘察精度,使勘察结果可信度更高。

(2)对深层采空区，采用以资料搜集、采空区调查及地表变形观测为主，以适量的物探、钻探工作为辅，并加以适当的测井工作，有效地减少了钻探工作量，避免了大规模钻探施工对研究区地表及地下的破坏扰动,节约了勘察成本和时间,降低了工作风险，提高了工作效率，达到了事半功倍的效果。