采空區塌陷區勘察方法的應用與探討

曲虎 王治中 蔡文惠

該文就某煤礦的塌陷區、采空區的勘察，應用了多種勘察方法，并對各種方法進行比較，從而提出各種方法的適用性，供同行參考。

塌陷區；采空區；勘察；建議

1.前言

某煤礦位于新疆維吾爾自治區烏魯木齊市，已有50多年的開采歷史。由于長期開采地下煤層，在采空區及其影響范圍內形成了面積超過3km2的大片地面塌陷，嚴重破壞了地表地質環境。塌陷區內的條帶狀塌陷坑，像貼在烏魯木齊市中心的一塊塊慘不忍睹的“傷疤”，給美麗的烏魯木齊市容抹上了濃重的污垢,危害極大。

隨著我國西部大開發戰略的實施和城市化進程的加快，烏魯木齊市將建成我國西部的重要國際性商貿大都會。再造烏魯木齊市山川秀美的環境，樹立新疆在西部大開發中的光輝形象，十分必要。因此，對該煤礦塌陷區進行勘察，對采空區進行勘察，對環境進行恢復治理迫在眉睫，勢在必行。

2.勘察區范圍

勘察區范圍在煤礦塌陷區內：北以王家梁陶瓷市場—昆侖路為界，南以烏魯木齊市南湖安居二期工程圍墻——外環路為界，西以熱力路西100m處消防指揮中心圍墻為界，東以煤礦礦部西側勘察區控制線為界。設計控制研究區總面積1km2。

采空區系指地下煤層開采后留下的空體區。煤層采空后，其上覆巖層應力失衡，經過由量變到質變的過程，最終導致地面變形和地面塌陷，所以塌陷區與采空區之間存在著密不可分的必然聯系。

3.勘察方法

A.資料搜集和采空區調查

收集以下資料：礦區各個不同時期的地形圖和航空照片、礦區各種不同比例尺的地質圖和構造圖、礦床分布圖、各個開采水平的井上下對照圖、煤層頂板巖移和地表變形的觀測資料、礦坑巷道及附近地區的抽、排水情況及其對采空區穩定性的影響資料。

采空區調查工作主要是調查采空區和地面塌陷等地質災害現狀（地表特征、塌陷輪廓、規模和深度等）及其影響范圍、穩定程度、危險性和危害性等，通過訪問了解煤礦的開采歷史、采空區分布范圍和地面塌陷的發展變化及其危害情況，并分析地面塌陷形成的地質環境條件、形成原因和影響因素等，調查中，按照地面塌陷災害調查表的要求內容逐項查明，并填寫在調查表上。

在采空區調查中要貫徹運用“三邊一及時”（即邊地面調查、邊搜集資料、邊分析研究、及時整理資料）的工作方法，對所取得的各種資料及時進行整理和綜合分析研究。外業調查結束時應編制采空區地面塌陷現狀圖和地面塌陷趨勢預測圖等中間過渡性圖件，為最終成果的編制奠定基礎。

B.地球物理勘探

地球物理勘探方法，主要目的是查明煤礦采空區的分布特征、地面塌陷深度、塌陷帶堆填物厚度和充填物密實程度等。

高密度三極測深。使用高密度測深，重點解決的問題是：查清或基本查清勘察區內采空區位置、深度、分布范圍及采空塌陷區內的充填情況等。

根據煤礦采空區及圍巖區的一般特征分析、地質特征分析和地球物理特征分析，煤礦塌陷區已具備采用高密度三極測深法的地球物理前提。該區含煤地層為侏羅系，煤層厚度大，圍巖地層以泥巖、粉砂巖和細砂巖為主。根據以往勘察經驗，侏羅系砂巖和煤層的電阻率值一般在20~40M之間變化，泥巖層的電阻率值在6~18M之間變化，使用電阻率參數能有效地將二者區分開來。在有圍巖的條件下，空體的電阻率值受探測技術等各種因素的制約而成為有限值（空體電阻率的理論值為無限值），一般而言該值大于煤層電阻率值。因此在煤層確定后，進一步分辨出煤層中具有一定幾何規模的空體成為可能。由此可見，使用直流電阻率參數進行本項勘察工作具備地質及地球物理前提。

在本次勘察工作中，使用高密度三極測深法共測制了12條剖面，每條剖面均測到了煤礦采空塌陷區的存在。其中在南大槽布置的2條順層剖面和9條垂直煤層走向的剖面，共測得南大槽煤礦采空區異常區段9處，在南湖路以西4處，南湖路以東5處；在北大槽南湖路以西布置的1條順層剖面和南湖路東西兩側布置的7條垂直煤層走向剖面，共測得北大槽煤層采空塌陷體6處，在南湖路以西4處，南湖路以東2處。

淺震反射波法。使用淺震反射波法，主要是為了查清煤礦采空區的邊界位置，了解煤層采空深度及采空塌陷區內的充填情況，同時也是對高密度三極測深法的探測結果進行驗證。

根據勘察區的地質特征和地球物理特征分析，選用淺層地震反射波法勘察淺層煤礦采空塌陷區具有較好的物性前提。其理論依據是第四系松散地層與下伏基巖地層之間以及煤層與圍巖之間存在密度差異，從而使地震波在其中的傳播波速不同，容易形成地震界面（波阻抗界面或波速度界面），在采空區上或斷裂破碎帶上地震波動力學特征與上述基巖地層明顯不同，在其同相軸上會發生位移和時間突變，波速和振幅急劇衰減，出現波形零亂等現象。

在本次勘察工作中運用淺震反射波法共測制了4條垂直煤層走向（或大致垂直煤層走向）的剖面，對了解地下150m深度以上南北大槽的邊界和采空區、采空塌陷區位置、充填情況等，取得了較好的效果，同時也對高密度三極測深法的探測結果進行了驗證。

用淺震反射波法在勘察區內測得的各種地質體的波速值為：

回填土及第四系松散沉積物750~1000m/s；煤層1200~1800m/s；泥巖、砂巖2200~2300m/s。

這一探測結果，與烏魯木齊地區煤系地層的淺震物性參數是完全吻合的。淺震反射波法在煤礦塌陷區測得的物性參數綜合歸納列于表1。

表1烏魯木齊地區物性參數統計表

孔內波速測試。這種方法是在驗證勘探鉆孔（孔徑要求大于100mm）中使用，主要目的是查明或基本查明采倉內塌陷物和充填物的密實程度，并根據波速的不同確定充填物的密度和填實程度。

本次勘察中，對所有驗證勘探鉆孔均進行了孔內波速測試，同時還進行了密度測井，共取得52對巖層密度參數和波速參數，對準確劃分孔內地層剖面和了解采空區塌陷物及充填物的密實程度，校正孔內取芯不足，具有較明顯的效果。

勘察區內通過孔內波速測試和密度測井，所測得的本區地層物性特征歸納如表2所示。

表2勘察區測井地層物性特征表

由表1和表2可以看出，測井所測得的地層波速較淺震反射波法測得的地層波速略偏大。這是因為兩者所用儀器不同、波源不同和孔內存在傳播波的泥漿介質（淺震反射波不存在泥漿介質）所致。雖然二者所測得的波速有些出入，但用同一種方法測不同地層并進行比較，仍然具有明顯的分層價值和現實意義。

C.鉆探驗證

本次勘察工作，布置少量勘探鉆孔，其目的主要是為了驗證塌陷區地面物探成果的正確性，修正物探成果的解譯誤差，同時可以查清鉆孔揭露深度內采空區的分布情況、塌陷區充填物的巖性的密實程度等。本次勘察共施工了五個驗證勘探鉆孔，編號依次為XK1、XK2、XK3、ZK4、XK5。這五個驗證鉆孔的布置，均是在地面調查和地面物探成果的基礎上進行的。

XK1孔。該孔原設計為順層傾向斜孔，孔深170m，孔斜傾角80埃布置在南湖路西側南大槽上，施工目的主要是查明或基本查明南大槽塌陷區充填物的巖性和密實程度，并驗證地面物探解譯成果的準確性?

XK2孔。該孔設計為順層傾向斜孔，孔深150~170m，孔斜傾角80埃布置在南湖路西側北大槽上，施工目的主要是查清或基本查清北大槽塌陷區充填物的巖性和密實程度，并驗證地面物探解譯成果的準確性?

XK3孔。該孔設計為順層傾向斜孔，孔深80~100m，孔斜傾角80埃布置在熱力路西側南大槽上，施工目的主要是查清或基本查清熱力路附近南大槽塌陷區充填物的巖性和密實程度，并驗證地面物探解譯成果的準確性?

ZK4孔。該孔為垂直孔，設計深度200m，布置在南湖路以東垃圾收費站北側北大槽煤層頂板上，施工目的主要是了解北大槽煤層頂板巖性、穩定程度和第二水平采空區分布情況及塌陷區充填物的巖性和密實程度，并驗證地面物探解譯成果的準確性。

XK5孔。該孔設計為斜孔，孔深95m，孔斜傾角80埃布置在王家梁陶瓷市場西南角北大槽上，施工目的主要是查清或基本查清北大槽采空塌陷區充填物巖性和密實程度，并驗證地面物探解譯成果的準確性?

4.結論

每種勘察方法各有千秋，具體如下：

資料搜集和采空區調查方法：有一定局限性，對了解地面塌陷和回填情況比較直觀，而了解地下情況就只能靠調查訪問，與實際情況往往會有出入。

高密度三極測深方法：具有方便快捷、信息量大的特點，用于數據處理及圖件編制的軟件相當完善，并且容易操作。這種方法主要用于了解采空區的分布特征及塌陷帶堆填物厚度。測試了解的深度小于130m時效果較佳，大于130m時效果較差，而且解譯結果很難將采空區與采空回填區分開來。

實踐證明，在烏魯木齊地區采用淺震反射波法探測煤礦采空區塌陷及充填情況是有效的。但其探測深度一般也僅有150m，大于150m時效果不佳，而且即使在150m深度內，也很難將第四系松散沉積物與塌陷充填物區分開。

本次勘察采用的物探方法一是高密度三極測深，二是淺層地震反射波法，三是孔內波速測試。實踐初步證明，這三種方法對勘察地下150m深度內的煤礦采空區分布特征、地面塌陷深度、塌陷帶堆填物厚度等，還是比較有效的。

地球物理勘探方法因其所測得的地球物性參數都是地下各種自然因素綜合作用的結果，往往具有多解性。因此，單獨采用哪種方法測得的結果都不能認為是完全可靠的，必須采用多種方法相互驗證，有條件時根據所取得的測試資料進行解譯和推斷，建立符合當地規律的分析模型，才能取得比較理想的效果。即使如此，為了使物探結果更加可信，還必須布置必要的驗證鉆孔，然后再根據鉆孔驗證結果對物探成果加以修正，這樣才能取得更加理想的成效。

鉆探方法對煤礦采空塌陷區勘察無疑是有效的，但是因鉆探成本較高，投入較大，而且一個鉆孔只能了解一個點，對一般煤礦采空塌陷區勘察而言，受經費制約不可能大量采用。

[1]新疆地質礦產局第一水文地質工程地質大隊.新疆維吾爾自治區烏魯木齊城市地質綜合勘察報告（1∶50000）

[2]烏魯木齊礦務局.煤礦礦井地質報告.2002.06

[3]新疆煤田地質局156隊.新疆維吾爾自治區烏魯木齊煤層及采空區地質勘查資料.2005.11