地質鉆探工程在采空區地質勘查中的應用

關顯東

摘? 要：地質鉆探是通過機械設備和鉆具向地下鉆出柱狀圓孔，并從其中取得巖心、礦芯，以了解地質及礦產情況，或者專門作為某種用途的渠道，從而滿足地質礦產勘查及國民經濟部門需要。采空區是指地下礦產被采出后留下的空洞區，按礦產被開采的時間，可分為老采空區、現采空區和未來采空區。文中運用地質鉆探工程開展礦區勘探，通過地質鉆探工程所確定的煤礦采空區地表危險變形區邊界，與采空區范圍內住宅形變毀壞水平相符合，進一步來說明這類開采勘探方式的實效性。

關鍵詞：鉆探工程;采空區;地質勘查

一、采空區定義與分類及特征

（一）采空區定義

人們在地下大面積采礦或為了各類目的在地下挖掘后遺留下來的礦坑或洞穴，稱為采空區。

（二）采空區分類及特征

依據采空水平分為小型采空區和大型采空區。

1、小型采空區的變形和特征

小型采空區變形種類為表面坍塌和裂痕。小型采空區范圍狹小，主要是巷道式的，表面不造成移動的盆地。但由于開采深度淺，又任其自由坍落，所以地面變化劇烈。表面裂痕的遍布通常與開采工作面的方位平行，并伴隨著開采工作面的推動而隨之移動。除極淺的采空區外，縫隙一般上寬下窄，沒有顯著的偏移。

2、大型采空區的變形和特征

大型采空區的變形關鍵是在表面產生移動盆地。換句話說，在采空區區域下方發生了地表變形，逐漸產生低洼地區，伴隨著采空區的不斷擴大，產生了凹痕盆地，這一盆地被稱作移動盆地。

（1）依據地表變形的尺寸和變形特點，從移動盆地到邊沿水準區劃為三個區域。

①勻稱沉降區：（中間區）是挪動盆地的平整底。

②移動區：又稱內邊緣區或危險變形區，區內變形不均勻，對建筑物破壞作用較大。

③輕微變形區：外邊沿區域，表面變形值小，一般并不會對建筑導致危害，依據地表地基沉降值10mm處劃外界限。

（2）垂直方向上的礦帶大規模開采后，礦帶上端失去支撐點，平衡條件被毀壞，開采區上方巖石變形。采空區上方巖石的變形一般過程是從下向上慢慢發展的漏斗狀地基沉降，其變形可分成三個帶。

①冒落帶（崩落帶），采空區頂板破碎坍落形成，其厚度一般為采礦厚度的3～4倍。

②裂隙帶（破裂彎曲帶）處于冒落帶之上，并產生較大的彎曲和變形，其厚度一般取采礦厚度的12～18倍（從礦層頂板向上的厚度）。

③彎曲帶（不破裂彎曲帶）裂隙帶頂面至地面的厚度。

二、鉆探工程判斷采空區依據及布置原則

（一）采空區垮落帶鉆探判斷依據

鉆探工程是本次采空區地質勘查的主要工作手段，在鉆探過程中現場判斷采空區垮落帶的主要依據為：

1、正常的鉆進過程中，突然出現掉鉆現象，或鉆進進尺特別快;

2、正常的鉆進過程中，鉆孔孔口水位突然消失，或孔口出現吸風的現象;

3、鉆探所獲取的巖芯破碎混雜，有巖粉、煤灰等，或巖芯中夾雜淤泥、粉末狀煤渣、坑木、磚瓦碎片等。

（二）鉆孔布置原則

采空區核實鉆孔具有較強的目的性，鉆孔的布置要考慮多方面的因素，以保證用少的工程量達到核實清楚采空區分布的目的。本次核實鉆孔的布置主要依據以下原則：

1、地面變形特征明顯處及居民反映地表沉降量最大處，為最有可能存在采空區的部位，在該部位布置鉆探驗證孔加以核實，針對性較強，本次施工2號鉆孔即為依據此原則布置。

2、依據核實區附近已有的地質成果確定的煤層賦存的厚度、埋深、層位特征及煤層發育的范圍、傾角等，預測采空區可能存在的空間及平面位置，從而布置核實鉆孔加以驗證。

3、依據居民區建筑物的分布特征，結合其下煤層的埋深及賦存特征，初步確定建筑物下需要留設的保安煤柱范圍，即采空區對建筑物的影響邊界，在可能的影響邊界附近布置采空區核實鉆孔。

4、核實鉆孔施工過程中查明確定存在采空區時，根據煤層特征及建筑物方位，進一步布置控制鉆孔來控制采空區。

三、采空區地表變形危險性分區

（一）項目概括

海拉爾農墾集團第八生產隊住宅區位于拉布大林煤田的中北部接近煤層露頭位置，煤層埋深較淺。上世紀九十年代后期該區域內地下有過小煤窯采礦活動，經過之后的整頓，小煤窯撤去，近幾年來受煤礦采空區地表變形的影響該處居住村民發現其住宅主房產生裂痕，為此需查明此處采空區的分布范圍及其地表變形危險區影響范圍。

（二）采空區地表變形理論

由于小煤窯采礦活動的影響，在采空區上方的地表形成移動盆地，依據對地表建筑物和構造的危害，在移動盆地內區劃2個區域：風險變形區域（移動盆地內很有可能對各種各樣建筑物和構造導致危害的區域）、無風險變形區域（移動盆地內不容易對各種各樣建筑物和構造導致危害的區域）。

非危險變形區的臨界邊界用地表臨界變形值來圈定，地表臨界變形值是指不需要維護即能保持建筑物正常使用所允許的最大變形值。依據《建筑物、水質、鐵路線及關鍵巷道煤柱留設與壓煤采掘技術規范》，針對一般砌體，臨界值變形值設定為斜率i=3mm/m，曲率K=0.2×10-3/m，水平變形ε=2mm/m。

理論計算非危險變形區的臨界邊界需要用到移動角，移動角指在充分采動或接近充分采動的情況下，移動盆地主要斷面上臨界變形值點和采空區邊界的連線與水平線之間在煤壁一側的夾角。移動角分為松散層移動角和基巖移動角。松散層移動角的符號為ψ，下山移動角的符號為β，上山移動角的符號為γ（見圖1）。

（三）臨界邊界計算及采空區地表變形分區

1、計算公式

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》及《采礦工程設計手冊》（上冊）第七章“保護煤柱留設”的相關內容及圖2所示，采空區地表非危險變形區的臨界邊界距采空區邊緣的距離可按下面公式計算：

式中：L—采空區地表非危險變形區的臨界邊界距采空區邊緣的距離（m）

W—建筑物保護煤柱的圍護帶寬度（m）

H1—第四系松散層厚度（m）

H2—基巖層厚度（m）

ψ—第四系松散層移動角（°）

β—基巖下山移動角（°）

2、計算參數

（1）建筑物保護煤柱的圍護帶寬度（w）

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中關于礦區建（構）筑物保護等級劃分，第八生產隊住宅區磚混結構房屋保護等級為Ⅲ級，建（構）筑物各保護等級煤柱的保護寬度（見表1），第八生產隊住宅區磚混結構房屋保護煤柱的圍護帶寬度取10m。

（2）第四系松散層厚度H1

傾向上采空區邊界位于2號鉆孔、4號鉆孔之間，第四系松散層厚度取2個鉆孔第四系松散層厚度的平均值為6.74m。

（3）基巖層厚度H2

傾向上采空區邊界位于2號鉆孔、4號鉆孔之間，基巖層厚度在傾向2-4線剖面圖上直接量取，量取范圍為煤層頂板中點至第四系底板中點的垂直距離，剖面上量取基巖層厚度為60m。

（4）第四系松散層移動角ψ

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》（松散層移動角取值），本區松散層厚度小于40m，松散層含水性較強，查得本區第四系松散層移動角為45°。

（5）基巖下山移動角β

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》（按上覆巖性區分的地表移動角一般參數綜合表），本區煤層上覆巖層巖性主要以泥巖、粉砂巖及各類砂巖為主，附近勘查區工程地質資料表明，巖層的單向抗壓強度平均值為20MPa左右，小于30MPa，覆巖類別為軟弱巖層，煤層的傾角α為18°，查得本區巖層移動角為70°，按表中公式傾角α系數取0.3計算下山巖層移動角β為65°。

3、計算結果及分區

將上面確定的參數值帶入采空區地表非危險變形區的臨界邊界距采空區邊緣的距離的計算公式：

依據經驗參數計算得到采空區地表非危險變形區的臨界邊界距采空區邊緣的距離為45m，以此為依據圈定采空區地表非危險變形區的臨界邊界（如圖3），邊界線以內為采空區地表危險變形區，邊界線以外為采空區地表非危險變形區。

調查走訪資料顯示，磚混住宅區東側五棟房屋受采空區地表變形破壞最嚴重，影響房屋的正常使用并存在較大的安全隱患，該五棟房屋在計算確定的采空區地表危險變形區內，地表現象與計算結果一致。

四、結論

鉆探工程是地質勘查工作中應用最廣的一種技術手段，其同樣適用于采空區地質勘查，本文在調查訪問大致圈定采空區范圍的基礎上，確定第八生產隊住宅區北側存在一處開采煤層所形成的采空區，鉆探工程所確定的采空區地表變形危險區邊界與磚混房屋的變形破壞程度高度一致，說明鉆探工程所確定的采空區地表變形危險區較為合理，為今后類似采空區地質勘查提供較好的借鑒意義。

參考文獻

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