綜合物探探測(cè)煤礦采空塌陷區(qū)

喬京亮

（山西華冶勘測(cè)工程技術(shù)有限公司，山西 太原 030000）

一、采空塌陷區(qū)的形成與影響

（一）采空塌陷區(qū)的形成

采空塌陷區(qū)顧名思義就是煤礦在開(kāi)采過(guò)程中，由于煤礦采集是從地表挖洞，從地下進(jìn)行，所以一旦地下洞穴上面部分的土城發(fā)生塌陷，那么對(duì)于整個(gè)煤礦洞穴來(lái)說(shuō)，都是非常危險(xiǎn)的事情，相同道理如果煤礦洞穴下層土層發(fā)生偏移或者下陷也會(huì)造成整個(gè)煤礦安全問(wèn)題隱患，這是因?yàn)槊旱V開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)于煤礦的采集會(huì)使得地下形成采空區(qū)，而采空區(qū)會(huì)導(dǎo)致地應(yīng)力平衡不均勻，整個(gè)土層是相對(duì)來(lái)說(shuō)比較松散的，一旦開(kāi)采煤礦的過(guò)程中采動(dòng)影響擴(kuò)大，那么就會(huì)導(dǎo)致煤礦發(fā)生塌陷的情況。具體闡述如下:

煤礦采集工作是在一個(gè)工作面上進(jìn)行的，這個(gè)工作面會(huì)隨著工作時(shí)間與進(jìn)度不斷向前推進(jìn)，推進(jìn)過(guò)程中就會(huì)帶來(lái)采動(dòng)影響，這一影響不斷擴(kuò)大，會(huì)導(dǎo)致煤礦洞穴上層部分形成三個(gè)由于受力不均勻而形成的地帶，這三個(gè)地帶一般是平行的，最深層的第一個(gè)地帶是冒落帶，中間一層第二個(gè)地帶是裂隙帶，更上一層，第三個(gè)地帶是彎曲下沉帶，一般來(lái)說(shuō)，第三個(gè)地帶的最上層就是地表，表現(xiàn)出的情況就是地表下陷，如果采空區(qū)十分巨大，那么上述這三個(gè)地帶就會(huì)形成一個(gè)更為巨大的、十分危險(xiǎn)的下沉盆地，所以一般為了避免事故發(fā)生，煤礦采集過(guò)程中會(huì)對(duì)下沉盆地進(jìn)行增加結(jié)構(gòu)支撐的操作。

（二）采空塌陷區(qū)的影響

煤礦開(kāi)采結(jié)束之后，一般不會(huì)對(duì)煤礦進(jìn)行回填等一系列的操作，這主要是因?yàn)橐环矫姹苊馊肆εc物力的浪費(fèi)，另一方面是因?yàn)殚_(kāi)采終結(jié)之后一段時(shí)間煤礦洞穴上方土層覆巖會(huì)自動(dòng)適應(yīng)新的應(yīng)力平衡，自動(dòng)適應(yīng)的時(shí)間一般會(huì)隨著開(kāi)采深度而有不同變化，一般來(lái)說(shuō)，200m 以內(nèi)的深度恢復(fù)時(shí)間較短，通常七個(gè)月之后，就可以形成新的應(yīng)力適應(yīng)，最長(zhǎng)不會(huì)超過(guò)14 個(gè)月，覆巖層就可以開(kāi)始新的應(yīng)力適應(yīng)階段，在這一階段當(dāng)中，整個(gè)土層三個(gè)地帶，都屬于暫時(shí)穩(wěn)定的狀態(tài)，在這一暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)中，一般不建議在采空區(qū)上方進(jìn)行修建建筑物等其他對(duì)于土層受力影響嚴(yán)重比較大的施工操作，因?yàn)橐坏┻M(jìn)行這些施工操作，就會(huì)使得三帶剛剛適應(yīng)好的應(yīng)力平衡被打破，一般打破這種應(yīng)力平衡的操作有四種常見(jiàn)操作，第一種常見(jiàn)操作就是在采空區(qū)上方修建建筑物，第二種常見(jiàn)操作就是在采空區(qū)鄰區(qū)進(jìn)行煤礦或者其他項(xiàng)目的開(kāi)采，第三種常見(jiàn)操作就是對(duì)于煤礦采空區(qū)地下進(jìn)行強(qiáng)排水操作，第四種常見(jiàn)操作就是對(duì)煤礦采空區(qū)整個(gè)立體空間內(nèi)，另外還有其他煤層進(jìn)行開(kāi)采的多煤層開(kāi)采操作，這四種常見(jiàn)操作都可能會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)上方土層脫離暫時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)，還有一種自然情況，就是地震也會(huì)導(dǎo)致上方土層脫離暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，而導(dǎo)致地表下沉，或者是斷層面滑動(dòng)變形，再或者是沿層面滑動(dòng)變形，這些情況嚴(yán)重的話，會(huì)產(chǎn)生空洞冒落現(xiàn)象，這最終導(dǎo)致整個(gè)地面塌陷，總之無(wú)論是哪種現(xiàn)象產(chǎn)生，都會(huì)使得地面上方的建筑物出現(xiàn)不穩(wěn)定偏移，這種不穩(wěn)定偏移有四種狀態(tài)，第一個(gè)狀態(tài)就是建筑物下沉，第二個(gè)狀態(tài)就是局部開(kāi)裂，第三個(gè)狀態(tài)就是建筑物傾斜，第四個(gè)狀態(tài)就是以上三個(gè)狀態(tài)逐層遞進(jìn)最終導(dǎo)致建筑物坍塌，但是建筑物產(chǎn)生偏移的四個(gè)狀態(tài)推進(jìn)不是一蹴而就的，一般來(lái)說(shuō)都是潛移默化的變形導(dǎo)致的，最終發(fā)生坍塌帶來(lái)巨大危險(xiǎn)，這帶來(lái)的影響是非常巨大的，不僅嚴(yán)重影響人們生產(chǎn)生活，而且危害人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，為了避免這些現(xiàn)象的發(fā)生，高效的對(duì)于采空塌陷區(qū)進(jìn)行綜合物探是非常有必要的，而且需要對(duì)于采空塌陷區(qū)域做出評(píng)價(jià)，根據(jù)采空塌陷區(qū)實(shí)際情況，提出適宜的防治措施，可以挽回采空塌陷區(qū)帶來(lái)的危害。

二、采空塌陷區(qū)的綜合探測(cè)方法

目前來(lái)說(shuō)，采空塌陷區(qū)探測(cè)研究已經(jīng)脫離發(fā)展階段，雖然依舊存在著研究手段和理論不是十分完善的情況，但是基于以往關(guān)于采空塌陷區(qū)探測(cè)方面的許多經(jīng)驗(yàn)和資料，并且結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的許多數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，以下將討論關(guān)于采空塌陷區(qū)探測(cè)的三點(diǎn)地球物理基礎(chǔ)：

（一）高分辨地震勘探

高分辨地震探測(cè)是地面地震勘測(cè)發(fā)展而來(lái)的衍生技術(shù)，這個(gè)技術(shù)是地面地震勘測(cè)應(yīng)用到煤礦的一個(gè)較為成熟的勘測(cè)技術(shù)，具體的探測(cè)方法就是根據(jù)煤礦區(qū)域資料進(jìn)行分析。將顯示的煤層情況通過(guò)一定技術(shù)手段區(qū)別探索出主煤層的各層分布，根據(jù)主煤層的分布情況，控制三個(gè)重要結(jié)構(gòu)的分布，第一個(gè)重要結(jié)構(gòu)就是采空邊界，第二個(gè)重要結(jié)構(gòu)就是斷層，第三個(gè)重要結(jié)構(gòu)就是煤柱，將這三個(gè)重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行位置控制之后就可以根據(jù)反射波進(jìn)行具體的勘探判斷。這一方法理論依據(jù)就是依據(jù)發(fā)射波的物理基礎(chǔ)進(jìn)行的，反射波可以從同一反射界面進(jìn)行反射，也可以通過(guò)同一薄層的不同反射界面進(jìn)行反射，無(wú)論是哪種反射情況，都可以通過(guò)接收反射波對(duì)與反射界面各點(diǎn)的各種特性進(jìn)行判斷與分析，這些特性的影響因素一般包括四種，第一種影響因素就是埋藏深度，第二種影響因素就是炎性。第三種影響因素就是產(chǎn)狀，第四種影響因素就是覆蓋巖層的性質(zhì)，如果這四種影響因素在兩個(gè)反射點(diǎn)之間存在著差異，那么這兩個(gè)反射點(diǎn)所接收反射波信號(hào)會(huì)表現(xiàn)出不同的振幅、同相軸與波形，地震勘測(cè)表現(xiàn)不同會(huì)直接影響判斷目的層的反射特性。

（二）鉆孔彈性波CT

我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，這使得CT 技術(shù)也水漲船高，相關(guān)的科技水平不斷進(jìn)步，直接推動(dòng)了彈性波CT 技術(shù)朝著十分喜人的方向發(fā)展，彈性波CT在煤礦勘測(cè)當(dāng)中，應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣。具體操作方法就是在煤礦探測(cè)進(jìn)行之前，應(yīng)用探測(cè)鉆按照實(shí)際需要探測(cè)的點(diǎn)鉆鉆孔，這些鉆孔都是地質(zhì)構(gòu)造情況判斷的依據(jù)，在一個(gè)鉆孔當(dāng)中可以進(jìn)行多次測(cè)試，一般來(lái)說(shuō)就是在一個(gè)鉆孔當(dāng)中不同深度按順序放炮，這時(shí)其他狀況內(nèi)需要安裝對(duì)于放炮聲波接收的檢測(cè)波接受裝置，這些接收裝置可以獲得地震時(shí)候地震縱波的記錄數(shù)據(jù)，而且將這些檢測(cè)裝置連接計(jì)算機(jī)，就可以迅速的在計(jì)算機(jī)上得到相映繪制線圖，這些繪制線圖是通過(guò)不同數(shù)學(xué)方法在計(jì)算機(jī)上分析得來(lái)的，給出兩個(gè)鉆孔之間的地質(zhì)異常體賦存狀態(tài)，根據(jù)這一異常狀態(tài)可以判斷得出異常范圍。這種探測(cè)方法是非常有成效的，而且對(duì)于工程物探者來(lái)說(shuō)非常直觀，對(duì)于煤礦地質(zhì)勘測(cè)來(lái)說(shuō)可以做到無(wú)損檢測(cè)，是現(xiàn)今許多煤礦勘測(cè)者常用的煤礦探測(cè)手段之一。

（三）α-卡法

這是通過(guò)天然放射性檢測(cè)煤礦地質(zhì)的一種方法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)放射性檢測(cè)裝置，測(cè)量出地表氡射氣含量多少，再根據(jù)不同點(diǎn)之間氡射氣含量大小進(jìn)行比較，從而將兩點(diǎn)之間的區(qū)域段及性質(zhì)分析出來(lái)，這樣就可以分析出具體的地質(zhì)問(wèn)題。這種方式相對(duì)來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單，因?yàn)橹灰獛r層存在裂隙或者斷層破碎帶，再或者是巖層出現(xiàn)風(fēng)化帶或者松散帶，那么氡氣就會(huì)通過(guò)這些出現(xiàn)的縫隙，由地底深處向地表。進(jìn)行擴(kuò)散，在老窖采空區(qū)存在著許多由于各種各樣的原因出現(xiàn)的地層縫隙，這些縫隙就是氡氣傳輸?shù)牧己猛ǖ?，只要在老窖采空區(qū)不同地點(diǎn)之間對(duì)氡氣含量進(jìn)行檢測(cè)，那么就可以明顯判斷出存在裂縫的位置以及存在裂縫的數(shù)量，氡氣再向上擴(kuò)散的過(guò)程當(dāng)中一般都含有α 粒子強(qiáng)度增強(qiáng)的現(xiàn)象，所以可以依據(jù)這些α 法粒子進(jìn)行檢測(cè)，從而分析出煤礦采空區(qū)的位置和范圍，而且這種方法在施工過(guò)程中相對(duì)方便而且經(jīng)濟(jì)性高，在施工過(guò)程中也不會(huì)受到電、磁、聲的影響，所以工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

三、對(duì)于三種物探方法對(duì)比

由表1 對(duì)比內(nèi)容可以看出α-卡法在施工方法上是最為方便快捷，而且需用人員最少的，同時(shí)需要使用的儀器也較為方便，總體來(lái)說(shuō)施工十分簡(jiǎn)單，并且效果也十分好，可以展示出較為良好的平面效果，應(yīng)用范圍廣，不會(huì)受到電磁聲三方面的影響，在其他方法應(yīng)用有限的時(shí)候，這一方法也可以作為輔助方法進(jìn)行輔佐。

表1 三種物探方法的使用及效果對(duì)比表

準(zhǔn)確度最高的就是高分辨地震勘測(cè)，這一方法可以得到連續(xù)深度各個(gè)剖面，而且每個(gè)剖面與實(shí)際地質(zhì)剖面較為符合，但是這一方法不適宜應(yīng)用到陡峭的地區(qū)當(dāng)中。所以存在一定的限制性，而且在使用這一方法的時(shí)候，一般都需要專(zhuān)業(yè)的地震隊(duì)進(jìn)行，操作的也是多道地震儀，需要較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性人員進(jìn)行，所以一般應(yīng)用不是十分廣泛，許多煤礦小項(xiàng)目在其他方式可以滿足的條件下也會(huì)避免使用這一方式進(jìn)行勘測(cè)。

如果需要呈現(xiàn)出容易識(shí)別，而且直觀的剖面效果，那么就必須應(yīng)用到彈性波CT，這一物探方法相對(duì)于高分辨地震勘測(cè)來(lái)說(shuō)是較為方便的一種物探方法，而且呈現(xiàn)出的剖面效果也是較為準(zhǔn)確的，可以滿足一般需要，受地形影響不大，因此相對(duì)于高分辨地震勘測(cè)來(lái)說(shuō)應(yīng)用范圍要更廣一些。

四、結(jié)語(yǔ)

實(shí)際上對(duì)于煤礦的采空塌陷區(qū)探測(cè)往往不是只采用一種物探方法，而是綜合利用兩種或者多種物探方式進(jìn)行，因?yàn)槎喾N物探方法的結(jié)合，可以對(duì)于煤礦采空區(qū)進(jìn)行更為細(xì)致、準(zhǔn)確的判斷，這樣就可以減少煤礦采空區(qū)因勘測(cè)失誤出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，除了以上介紹的三種物探方法，還有電法勘探，這種方法對(duì)煤礦采空區(qū)的勘測(cè)來(lái)說(shuō)也是十分有效的，在日常中應(yīng)用相對(duì)以上三種來(lái)說(shuō)較少。對(duì)于采空塌陷區(qū)的探測(cè)，主要是為了形成采空區(qū)的具體范圍，使得治理人員對(duì)于老窖和開(kāi)采量巨大的煤礦在治理過(guò)程中有清晰的認(rèn)知，是治理采空塌陷區(qū)有效的科學(xué)依據(jù)之一。