综合勘查技术在东北某老采空区探测中的应用
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摘要：由老采空区引发的地灾灾害在东北地区比较常见，严重威胁当地人民生命财产安全，本文对某采空区在地质调查的基础上开展了高密度电法和瞬变电磁法的物探工作，初步确定了采空区的位置和特征，据此进行了钻探和井下电视等验证工作，得到了该区5个采空区的具体特征参数，进而利用理论计算和实际对比的方法分析了每个采空区的影响及危害，最后提出了当地采空区引发地质灾害的防治措施与建议。
关键词：采空区；高密度电法；瞬变电磁法；钻探；井下电视
前言
煤炭为东北地区40、50年代主要的经济支柱产业，长期无节制开采形成许多老采空区，近些年因地质环境条件的变化常出现地面塌陷、地面沉陷和地裂缝等地质灾害，导致房屋开裂和道路、农田等不同程度的受到损害。本文以东北某老采空区为实例，首先通过收集勘查区的矿山地质、水文地质、工程地质、环境地质及气象水文资料，然后进行工程物探、工程钻探、井下电视等工作，再对各岩层、采空区及煤层顶板的岩芯又进行了工程地质试验，最后采用相似工程经验及相关规范对采空区稳定性进行评价。
1 地质环境条件
勘查区为山间冲洪积谷地，海拔在280.0～330.0m，沟谷宽度在80～700m。区内地层为侏罗系中统、下统，新生界第四系以及晚侏罗世侵入岩，第四系主要为砾石、砂和黏性土，侏罗系地层为本区内主要的富煤地层，岩性为砾岩、砂岩、页岩和煤，侵入岩为斑岩。区内断裂构造不发育，为一略向北西倾伏的宽缓单斜构造。地表水以季节性河流为主，受大气降水影响较大，地下水主要为松散岩类孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水。
2地球物理勘探
本次采空区勘查工程物探在调查走访和参考相邻地区经验基础上采用直流高密度电测深法和瞬变电磁法完成。勘查区民房密集致使测线很难规则布设，因此本次电法勘探的测网布设以能实际施工为准，共布设测线20条，基本电极距为5m。完成观测断面长度13130m，完成物理点2706个，其中线上物理点2466个，试验点160个，检测点80个。完成瞬变电磁8条测线，测线总长800m，点距5m，线距20m，完成物理点184个，其中测线物理点166个，检测点10个，试验点8个。
2.1 高密度电法
高密度电法利用人工电场发生畸变的基本原理，通过对不同电阻率的岩层或孔洞探测时电场变化的特点，获得不同介质的电阻率变化规律，达到对孔洞探测的目的。本次工作数据采集采用重庆地质仪器厂研制的DZD-6A多功能直流电法（激电）仪与一台MIS-120型多路电极转换器及电极数为120根为基本观测断面组成的DUK-2A高密度电法测量系统。从该区现场得到的物探影像图上可知整个测区视电阻率变化情况大体一致，总体趋势是上高下低，变化范围在几百至上千欧姆之间，上部电阻率较高层是地表第四系粉砂、亚砂土的反映，往下电阻率值逐渐降低，为基岩（砂岩等）层的反映。推断采空区部位的测线中表现为半封闭高阻圈或在下部有对应的高阻突起，电阻率大于1200Ωm为不含水的采空区，电阻率小于200Ωm且出现封闭圈的认定为含水采空区。
根据高密度电法解译成果基本判定勘查区内共存在大小采空区共5个，其中有4个为非充水采空区，1个为充水型采空区。采空区形状以长方形和椭圆形为主，高度2米左右，埋深在30～100米之间，平面投影面积为0.29×104～2.63×104㎡，图1为非充水型采空区典型剖面解译图。
2.2 瞬变电磁法
瞬变电磁法是以电磁感应原理为基础，即导电介质在阶跃变化的激励磁场激发下产生涡流场问题。它利用接地线源（电偶源）或不接地回线（磁源）向地下发送一次脉冲磁场（一次场），在其激发下，地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场（二次场），由于二次场含有地下地质体丰富的地电信息，在一次场间歇期间，通过接地电极或线圈观测二次场，并提取和分析响应信息，从而达到探测地下地质体的目的。
为了验证物探勘探方法有效性在高密度电法资料的基础上，在适合的地段施工了8条瞬变电磁测线已验证高密度电法的可靠度。本次施工采用的加拿大产的V8数字电法仪，施工点距5m，线距20m。
以B4测线为例（图2），B4线贯穿1号、3号、5号三个采空区，其中0-26m范围内为高密度电法解释的1号采空区范围，由剖面可知在0-40m范围内B4线呈高阻封闭状态与周围地层电性差异明显，可以确定为可靠采空区，与高密度电法解释吻合；同理，在75-90m范围内为高密度电法解释的采空区，剖面上在70-105m范围内基本呈高阻封闭状态，可以确定为采空区，也与高密度电法解释的吻合。在剖面50-60m范围内为高密度电法解释的低阻采空区5号，瞬变资料表明在均匀电性层上有一个跳点，基本可以认定其与高密度解释的一致性。通过对瞬变电磁法解译资料的分析比较可以综合认定高密度电法勘探的有效性和准确性。
图1 非充水型采空区解译断面 图2 B4线瞬变电磁断面图
3 钻探
为了对地球物理勘探结果进行验证和进一步分析，在5个物探确定采空区内共布置了16个钻孔进行钻探取样以及井下电视等相关工作，直观地获得了直接顶底板厚度、岩性，采空区埋深、厚度、层数以及煤组类型等基础信息，钻探成果汇总于表1，对比分析后为下一步评价提供了直接依据。
综合以上地球物理勘探和钻探工作成果，勘查区内共确定采空区5处（表2），基本查明了采空区的分布特征与情况，验证了几种综合勘探技術的有效性和适用性。
4 采空区评价
4.1 理论计算
本例按照小窑采空区垮落高度计算公式和矿区水文地质工程地质勘探规范公式分别计算顶板坍塌的最大高度，计算结果汇总于表3。
（1）小窑采空区垮落高度计算
不同的上覆岩层垮落方式，其垮落的最大高度不同，假设垮落的破碎岩块能全部充满采空区，本勘查区煤层顶板以上岩石基本为中等坚硬岩层，局部为较软～软岩层，覆岩按矩形坍塌区考虑，岩石碎涨系数K按经验取值1.20，则垮落的最大高度可按公式（1）估算： 式中m—煤房厚度，K—覆岩的碎涨系数
（2）根据矿区水文地质工程地质勘探规范，本勘查区煤层顶板基本为中等坚硬岩石，跨落带和导水裂隙带由公式（2）（3）计算。
4.2 采空区评价
综合对比以上两种计算方法，既有采空区的垮落带高度计算结果基本相近，证实两种计算方法基本可靠。
1号采空区跨落带高度和裂隙带的高度合值为37.7m～39.5m，小于煤层上覆正常基岩厚度，采空区埋深约72m，上覆第四系厚度7.5m，裂隙带至地面距离32.0m左右，则地表主要受弯曲带影响，不会出现塌陷及地裂缝等地质灾害。同理，2，4，5三个采空区对地表的影响均不大，亦不会出现塌陷及地裂缝等地质灾害。
3号采空区跨落带高度和裂隙带的高度合值接近40m，大于其顶板埋深，裂隙带直接影响到地表，地面易形成塌陷坑和地裂缝，与现场调查走访情况相一致。
5 结论及建议
（一）本次勘查共圈定采空区5处，其中有1处充水其余为空洞型，采空区总面积为9.17ha，采空区所采煤层为大堡子组I煤、长梁子III、IV煤组，采空埋深一般为30m～103m，采空高度0.5m～1.8m，且大部分采空区煤层顶板未塌落。
（二）经理论计算垮落带和裂隙带高度之和为16m～39.5m，根据采空区埋深和第四系厚度确定除3号采空区对地表影响较大，有可能出现地面塌陷和地裂缝外，其余4个采空区仅弯曲带影响到地表，地表可能会出现沉陷盆地和不均匀沉降。
（三）勘查区内对已经查明的采空区及其发生地质灾害地段，应划定为采煤沉陷危险区，予以公告预警。在地面塌陷地质灾害发育地区设立隔离网，并设置明显警示标志，对村民进行宣传及提示等工作。对采空区预测影响范围内地面变形、地质灾害等应进行长期观测工作，设置长期沉降监测标，定期进行地面监测，为查明采空区地表变形规律，分析采空区发展程度及后期稳沉评价等提供必要的数据，同时也能够监测到变形规律，为各项工作提供预警及防治基础。
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作者简介：张凯（1985-），男，汉族，辽宁阜新，硕士研究生，工程师，主要从事地质灾害勘查、设计及相关岩土工作。
徐超（1986-），男，汉族，辽宁沈阳，硕士研究生，工程师，从事岩土工程工作。
（作者单位：中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司）
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