我國建(構)筑物場地下伏煤礦采空區勘察技術進展

劉小平

(1.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048)

我國將長期處于城鎮化與工業化進程中，城市建設、交通運輸、煤電煤化工、水利水電等重大工程建設中遇到地下煤礦采空區威脅將越來越嚴重，煤礦本身也遭受老采空區積水突出、瓦斯溢出等災害的困擾。自1992 年太舊高速公路采空區處治工程實施以來[1-2]，我國煤礦采空區場地上方進行工程建設經歷了近30年工程實踐，采空區勘察、設計、施工及質量檢測方面積累了一定經驗，并在建筑[3]、公路[4]、地礦[5]、鐵路[6-8]等不同行業建立了相應技術規范與標準，為采空區場地工程建設及安全運營提供技術保障。但受我國煤礦采空區類型、規模及賦存條件差異的影響，不同地區及行業對煤礦采空區勘察技術的認識仍然存在一定偏差及誤區。煤礦智能化開采、N00 工法等開采工藝的變革，高速鐵路、超高層建筑、南水北調等重大工程建設對地層強度、變形與滲漏等方面的特殊要求，給采空區勘察工作帶來新的技術挑戰，使現有勘察技術手段及規范標準依然不能滿足工程快速建設的實際需求。筆者全面回顧我國煤礦采空區勘察技術發展歷程，總結勘察工作中面臨的主要問題，分析煤礦采空區勘察技術發展趨勢，展望需要進一步研究的技術問題，以期為防治采空區災害提供參考。

1 我國煤礦采空區勘察工作發展歷程

1.1 太舊高速公路采空區科研攻關

1993-1997 年，山西省交通廳成立“太-舊高速公路采空區勘察處治科研課題組”，針對我國第一條高速公路下伏采空區隱蔽災害問題，開展“高等級公路路基下伏空洞的危害程度勘察、處治及質量檢驗技術研究”。歷時5 年研究，課題組構建了不同地質采礦條件下工程地質模型，提出包括工程地質測繪、工程物探、工程鉆探及原位測試等勘察工作程序(圖1)[1]，研究不同地形及埋深條件下的采空區平面、剖面的物探最佳組合方法(表1)[1]，得出采空區頂板垮落帶、導水裂隙帶及彎曲變形帶的具體高度數據與開采煤層厚度的比例關系，提出以有限單元數值方法和宏觀預測方法為主，結構力學分析法為輔的成套評價采空區穩定性的方法，針對建(構)筑物不同功能初步提出了相應的處治與否的界限標準。該階段所取得的技術成果，系統性強，實用價值高，勘察綜合應用技術達到國內領先水平和國際20 世紀90 年代先進水平。本階段的研究成果先后在山西晉焦高速公路、山東京福高速公路、河南晉焦高速公路、新疆烏奎高速公路、陜西西銅高速公路等建設中得到推廣應用。

表1 不同空洞埋深下采空區地球物理勘探方法組合[1]Table 1 Combination of geophysical exploration methods for goaf under different buried depth[1]

圖1 采空區勘察工作程序[1]Fig.1 Procedures of exploration work in goaf[1]

1.2 《采空區公路設計與施工技術細則》制定與發布

針對我國煤礦地質條件復雜、采空區類型多樣等特點，科技工作者圍繞物探方法的有效性與多解性[9-12]、殘余變形預測[13-15]、地基穩定性評價[16-19]等方面開展了有益探索。2008-2011 年，山西省交通規劃勘察設計院在充分調研、全面總結太舊高速公路采空區處治后我國近20 年來采空區公路設計與處治工程經驗的基礎上，主編了我國采空區處治領域的第一部行業規范《采空區公路設計與施工技術細則》[4]，對規范勘察技術活動及提高勘察成果質量起到積極作用。該規范中，規定不同階段的勘察技術要求及勘察報告編寫內容；提出結合公路等級及工程類型、采用定性與定量相結合的方法，對采空區給進行穩定性評價，并區分了公路工程采空區場地穩定性與公路工程地基穩定性評價；規定采空區穩定性評價的標準(表2)；增加了井下測量及工后質量驗收標準規定。該階段研究工作，充分結合我國采空區公路建設的實際情況，以公路工程建設為導向，對太舊高速公路的研究成果及20 多年實踐經驗進行了全面的批判性吸收、借鑒與提升，也成為建筑、水利、電力等其他行業采空區勘察工作的主要技術依據。

表2 采空區地基容許變形值[4]Table 2 Allowable deformation value of goaf foundation[4]

在此期間，中國鐵路設計集團有限公司(2004 年)開展鐵路、公路采空區勘察設計工作，積累了一些工作經驗，編制了簡單明了的《采空區工程地質勘察設計實用手冊》。附錄中引用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(2000 年)中的典型工作面觀測站地表移動實測參數表、部分礦區地表移動實測參數表及保護煤柱留設算例，實用性較強。鐵路行業多年工程實踐的技術成果編入了TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》[6]、TB 10120-2019《鐵路瓦斯隧道技術規范》[7]及TB 10027-2012《鐵路工程不良地質勘察規程》[8]。

1.3 《煤礦采空區巖土工程勘察規范》制定與發布

隨著國家城鎮化進程加快，烏魯木齊、平頂山等礦業型城市將城市郊區(縣)煤礦采空區逐步發展為城市建設中心，城市發展與煤礦采空區之間的矛盾日益突出，大量工業與民用建筑無法避讓采空區。根據我國土木工程行業特點，2014 年中國煤炭建設協會主編、住房和城鄉建設部發布了《煤礦采空區巖土工程勘察規范》[3]。與《采空區公路設計與施工技術細則》相比，該規范針對一般土木工程建設項目，增加了采動邊坡勘察與穩定性計算內容，完善了施工勘察技術要求，突出小煤窯采空區勘察技術難點，歸納總結采空區穩定性評價的各種方法(開采條件判別法、極限平衡法、概率積分法、數值計算法等)，增加了采空區場地工程建設適宜性評價內容，提出采空區場地建筑設計、結構設計與工程治理的綜合防治措施規定(表3)。該階段對采空區勘察與評價認識更加全面與系統，尤其是將采空區處治與地面建筑抗變形設計統籌考慮，是一種務實的處理方法。

表3 采空區場地工程建設適宜性評價分級[3]Table 3 Grading table for suitability evaluation of engineering construction in goaf sites[3]

1.4 《采空塌陷勘查規范》制定與發布

根據國務院第394 號令《地質災害防治條例》，為避免或減輕采空塌陷災害造成的損失，維護人民生命財產安全，提高采空塌陷防治技術水平，中國地質災害防治工程行業協會組織、中煤科工集團西安研究院有限公司牽頭主編的《采空塌陷勘查規范》于2018 年發布[5]。該規范以采空區塌陷災害防治為切入點，針對煤礦及其他地下資源開采形成的采空區可能造成的危害，對不同勘查階段中采礦情況調查、地表變形測繪等基礎性工作做了詳細具體的規定，對采空區勘探中鉆探的探查驗證目的與技術要點進行了要求，穩定性評價中更加突出地質采礦條件分析與類比，弱化了概率積分法、極限平衡法及數值計算的相關規定，對勘查成果的文字章節、附圖(件)等方面做了明確規定。該階段全面汲取了勘察行業一些不規范、脫實就虛做法引起的失敗工程經驗教訓，糾正了勘察中“全場地均勻布置勘探孔，造成勘察成本巨大”“采用潛孔錘鉆探工藝”“鉆進過程中泥漿護壁”“地質編錄缺少采空塌陷特征描述與記錄”“巖心中采動裂隙，現場識別不準確”“物探方法選擇不正確”“數值計算計算工況及邊界條件選擇不當”等問題，對采空區勘察與評價工作要求更加務實，使我國采空區勘察與評價技術回歸到基本的工程地質問題中。該規范指導下開展了彬長輸配水工程、亭口水庫、濟寧任城區采煤沉陷區綜合治理、HJD 隧道等多項重大工程的采空區勘察工作。

1.5 重大工程的建設有力地推動勘察技術進步

為解決重大工程建設采空區勘察中的特殊問題，需要不斷地引進與研究新的勘察方法，提高采空區勘察精度與效率，滿足工程建設的需求。亭口水庫庫區采空區[20]、子長紅石峁水庫壩基采空區處治[21]中，滲漏與滲透破壞是無法回避的問題，勘察中使用壓水試驗、抽水試驗、電測井等手段查明地層的滲透特性，估算地層滲透系數。合鳳高速小河溝特大橋采空區勘察中[22]，使用鉆探繩索取心、VSP 地震勘探、多參數測井等技術，精細識別地層中采動裂隙分布特征，確定定向鉆孔水平段的鉆進層位。濟寧任城區采煤沉陷區進行城市高強度商業開發中[23]，采用高密度三維地震勘探、VSP 勘探等物探方法查明地層的裂隙優勢發育方位(圖2)[24]、各向異性(圖3)[24]及裂隙密度與主應力場(圖4)[25]，反演采動巖體的彈性矩陣系數[26]，估算地層剩余孔隙率，為進一步優化注漿方案、控制場地采空區殘余變形提供技術依據。寶日希勒露天煤礦采空區為“扒大窯”式開采所形成，地下殘留空洞高度超過20 m，勘察中使用孔內激光掃描技術[27]，精確測量地下殘余空洞的位置與范圍，大幅減少地面鉆探工程量，節省工程投資。HJD 隧道變形研究中采用CPⅢ高精度監測技術與裝備[28]，捕捉1～2 mm/mon 的軌道變形矢量，為研究采礦活動與隧道變形時空關系提供直接證據。引入上述新方法，進一步加深了采空區覆巖精細結構、毫米級殘余變形、采動覆巖強度等特性的認識。

圖2 不同深度地震波反演統計裂隙方位玫瑰圖[24]Fig.2 Rose diagram of fracture azimuth based on seismic wave inversion at different depths[24]

圖3 不同深度采空區覆巖各向異性變化曲線[24]Fig.3 Variation curves of overburden anisotropy in goafs of different depths[24]

圖4 采動覆巖孔隙度與主應力場平面分布[25]Fig.4 Porosity of the overburden rock under mining and plane distribution of the main stress field[25]

2 煤礦采空區勘察面臨的技術問題

2.1 勘察大綱編制指導性不強

勘察大綱是采空區勘察工作的基礎性、指導性技術文件。工程實踐中，勘察前期，應高度重視現場踏勘，深入研究對應的工程問題，全面認識工程地質條件，對地形、地質、采礦等因素進行系統分析，選擇適當的物探方法，布置合理的驗證鉆孔，提高測試方法的適宜性。編制的勘察大綱應組織專家進行咨詢及評審，確保所編制的勘察工作大綱的嚴謹性，具備很強的指導性，從根源上提高實際勘察外業成果的質量。

2.2 鉆探技術要求與采空區勘察工作結合不夠緊密

因歷史及體制原因，從事鉆探工作的技術隊伍除了私人鉆機老板外，多為各省地礦局下屬地質隊或煤田地質局下屬地質隊，他們將從事資源勘探、巖土工程勘察的工程經驗應用到采空區勘察中。鉆探過程中，不能采用泥漿護壁方式鉆進，需要準確觀測采空區覆巖沖洗液消耗量，如實記錄采空區部位掉鉆信息(孔口吸風、吹風等特殊現象)，提高巖心鑒定與地質編錄的針對性(采動裂隙發育的深度、傾角、裂隙面形態等)，從基礎工作與原始資料上，提高采空區勘察成果的準確性及可靠度。

2.3 物探成果難以滿足工程勘察需求

房柱式、巷柱式等小煤窯開采所形成采空區的地面建(構)筑物存在重大安全隱患，且開采歷史久遠，采礦資料缺失，走訪調查困難，有限的地面垂直鉆孔難以準確查明地下殘留空洞，只能依靠物探手段對采空區進行探測。勘察實踐中，常規地面物探方法及若干井孔地球物理測試技術：如高密度電阻率法[29]、高分辨率地震勘探[30]、地質雷達[31]、井內電法[32]、激光掃描[33]等方法手段的簡單運用較多。但受科研氛圍、市場環境、技術水平等諸多因素影響，我國煤礦采空區物探成果可靠度與可信度總體偏低，物探資料存在多解性與模糊性，采空區準確定性、精準定位與量化評價技術現狀，依然不滿足工程建設對采空區勘察工作實際需求。

2.4 勘察成果綜合分析不夠深入

我國煤炭資源賦存條件復雜、地下煤炭資源開采方式多樣、煤炭生產管理不規范等因素，導致地下采空區類型、分布及范圍非常復雜。勘察工作中，電法、地震等物探數據往往獨立解釋與分析，需要對各種物探成果進行對比解釋與綜合分析，開展多種物探方法聯合反演工作；充分有效利用測井、VSP 勘探數據為地面地震勘提供反演參數；提高物探異常區驗證鉆孔布置的針對性。加強地質調查和測繪工作及鉆探、物探成果的相互驗證與解釋工作的嚴謹性與科學性；提高勘察成果三維可視化程度，利于成果的展示與應用，全面系統地對地質、采礦、測繪、物探及鉆探等成果進行總結與分析。

2.5 采空區場地特殊巖土問題研究不足

對于場地穩定性要求嚴格的采空區，殘余變形預測是關鍵。采用數值計算方法預測時，需要將采空區引起覆巖移動的長期時間效應考慮進去，不能僅模擬開采結束后的總變形量，保持計算工況與工程實際的一致性。采用概率積分法預測時，常應用等效采高法、下沉系數折減等方法進行計算，預測結果精度較低。對于采空區影響水利工程滲漏與滲透破壞時，不僅需要覆巖“三帶”發育高度探測、防(隔)水巖柱設計等煤礦防治水方面的知識，還要對現場采動地層滲透性、完整性進行原位測試，緊密結合工程實際。對于利用地下巨型鹽腔空洞儲存石油、液化天然氣的工程，加強對巖層完整性、溶腔密閉性、污染物遷移等方面的研究工作。這些特殊巖土工程問題的解決，既要遵循煤礦采空區勘察的一般性原則，還要緊密圍繞特殊的工程條件與地質環境開展工作。

3 煤礦采空區勘察技術發展趨勢

3.1 勘察工作趨向規范化和系統化

隨著《煤礦采空區巖土工程勘察規范》《公路采空區設計與施工技術細則》《采空塌陷勘查規范》的實施，勘察工作趨向規范化。逐步形成以工程地質專業為主導，地球物理勘探等多專業配合的勘察技術路線：以采礦情況調查和地表變形觀測為基礎，選擇適宜的物探方法進行探測，利用適量鉆孔探查驗證，然后預測計算采空區殘余變形量、滲透量等，開展建(構)筑物地基、場地穩定性與適宜性評價，結合地面建(構)筑物功能特征及允許變形量，評價采空區對擬建工程的危害程度，建筑設計、結構設計與采空區治理一體化。

3.2 更加重視地質調查、變形監測與分析

物探解譯的多解性及地面垂直鉆孔“點式”勘探的局限性，仍將長期制約著采空區勘察成果的可靠性與準確性。采空區是人類在開采地下資源中形成的，總會遺留一定的采礦線索。勘察中應根據礦產資源露頭線、礦產等厚線、含水層等地質資料，初步判斷采空區的層位與范圍；根據井筒位置、開拓方式、回風系統、排水系統等采礦資料，估算采空區巷道延伸的方向、開采的區域；根據礦區邊界、井田邊界、盤區界限、礦權設置、采礦歷史沿革、開采方式、產量規模等，初步分析采空區是否存在越界開采；根據礦山開采方式、工作面布置、頂板管理方法，初步判斷采空區覆巖完整性、殘余空洞體積、場地穩定性等工程地質條件。高精度遙感、雷達、無人機測繪、Insar 監測等新技術與傳統的調查測繪進行融合，實現對采空區空間位置及塌陷變形范圍的宏觀判斷。列車動檢測等新型監測技術[34]、分布式光纖監測技術[35]等不斷引入到采動巖體變形監控中。調查與監測的作用進一步凸顯，尤其對于小煤窯、不規范礦山開采所形成的采空區勘察更為有效。

3.3 定向鉆進技術在勘察中廣泛應用

對嚴重威脅建(構)筑物安全的地下采空區，可以采用定向鉆進技術進行“靶向”勘察，定向鉆孔主孔軌跡沿著采空區的礦產層位鉆進、也可以順著較為完整的采空區頂板巖層鉆進并向采空區層位開分支孔進行勘察。當對于遇到大的空洞或裂隙，可以根據地質采礦條件及地面建筑物功能要求，采用前進式注漿的方式進行充填后繼續向前勘察，也可以使用重新開分支、造斜等技術避開后繼續向目標層鉆進探測，地面、井下定向鉆進技術在采空區勘察中將廣泛應用。

3.4 高效工程物探技術引進與研發

重大工程中采空區的特殊巖土問題、工程實施環境條件硬約束，使得常規的采空區空間位置與分布范圍的勘察，逐步提升至采動地層裂隙精細描述與覆巖滲透性、強度及變形特性定量測試。要實現這些目標，需要不斷引進油氣藏地震勘探方法中前沿性技術，比如多方位、寬頻帶、全數字三維地震勘探技術[24]，井中多波多參數VSP 方法及三維R-VSP 技術[24]，多參數測井與反演技術、鉆孔窺視與成像技術等。根據煤炭資源賦存的埋深、厚度、結構以及采空區規模、地層完整性等工程特性，進一步研發低成本震源激發裝置、高效率的地面觀測系統和特別適用于地下采空區勘察的數據采集技術，開發滿足采空區勘察要求的數據處理流程、方法與配套軟件，使煤礦采空區精細勘察水平滿足重大工程建設技術要求。

3.5 信息化技術與勘察工作深度融合

智能化礦山建設速度持續加快，融合鉆探、物探等多元信息的透明礦山技術，將礦山采掘活動中的所有信息(地質、采礦等)全部數字化并進行大規模儲存。很多地方政府已全面啟動區域性采空區調查與評價工作，海量的測繪、鉆探、物探及測試數據將被采集，并進行數字化、系統化的管理、儲存與分析。復雜環境(地形陡峭、井下有毒有害氣體等)中智能機器人將在地表裂縫測量、地下空洞探測[36]等方面發揮重要作用。利用高精度的遙感[37]、Insar[38]等技術進行大尺度地表變形特征分析，研究地下采空區與地表變形的時空演化關系。圖像識別、云計算、區塊鏈存儲等技術使得地下采空區三維建模、可視化與處治管理成為可能。將逐步實現的各種勘探方法的融合與互補，勘察數據的深度挖掘與解譯，使采空區勘察技術向高精度、高效率、低成本、智能化與三維可視化方向不斷發展，將為采空區上方重大工程建設全過程管理BIM技術應用提供海量的勘察信息。

4 煤礦采空區勘察技術發展方向

煤礦開采工藝的持續進步和煤炭資源高強度開采形成了大量廢棄采空區，工程建設對可建設土地資源需求持續增強，高速鐵路、大型廠礦等重大工程對場地穩定性和生態環境保護的要求越來越高，這些變化給采空區勘察工作帶來了巨大挑戰。大量的關鍵技術問題需要進一步研究：

(1) 礦區地下殘留空洞地球物理響應與反演；

(2) 巖體采動裂隙識別、各向異性參數反演與定量評價；

(3) 采動地層強度及變形參數反演與評價；

(4) 采空區覆巖殘留空隙率及滲透系數測試與評價；

(5) 部分煤層開采(房柱式、巷柱式、條帶式)覆巖及地表殘余變形預測技術；

(6) 超大工作面快速回采地表及覆巖殘余變形預測技術；

(7) 采空區覆巖毫米級殘余變形監測技術；

(8) 裂隙巖體水平定向鉆進層位優選與成孔工藝；

(9) 煤礦覆巖“三帶”測井反演與判別技術；

(10) 復雜地表條件下采動邊坡穩定性計算與評價；

(11) 山區煤礦采動地層中隧道(洞室)結構變形機理與評價。