废弃煤矿采空区勘查与稳定性评价

废弃煤矿采空区勘查与稳定性评价
[摘要]本文利用地质学、工程地质学和地球物理学等有关学科知识，采用地质调查、工程物探以及钻孔技术和室内试验等分析技术，查明废弃煤矿区的采空区的特征，在此基础上结合相关地质环境资料，对采空区稳定性分析评价。

[关键字]采空区勘查评价
0 前言
在我国存在很多因采矿形成的地下采空区，甚至有相当多的不规范开采形成的采空区，往往没有地下采空区的资料，采空区的分布、规模及稳定性难以判定，因此，在土地资源丰富时，往往不考虑在采空区上部地面进行相应的建筑。

随着人类社会的不断发展，土地资源持续性短缺问题将会日益突出，如何有效地勘查和评价那些废弃采空区岩土体的形变特征、物理力学性质的变化及其影响范围和影响程度，进而选择科学合理的防治措施，对于有效利用土地资源，缓解土地资源供需矛盾具有重要的理论和现实意义。

1 项目概况
勘查区位于临安市青山湖街道太阳湾青山湖正北面，坐北朝南，背山面水，呈半岛状嵌入湖面。

场区地貌属剥蚀丘陵及山前沟谷地带，山势低缓，沟谷发育。

规划在该区进行开发利用，根据地质环境条件及地质灾害的初步调查，拟建场区多处发现有因二十世纪六十～八十年代采煤形成的采空区引发的地面塌陷、地裂隙和地表变形等地质灾害，需对采空区进行勘查和评价。

2 工作方法
在收集勘查区相关地质环境资料基础上，采用地质调查与测绘、物探、钻探、室内试验等研究方法获取有关资料并进行综合分析评价。

3 地质环境条件
勘查区属亚热带季风气候，四季分明，温暖湿润，雨量充沛，南侧南侧青山湖水域。

地层岩性主要为震旦系下统志棠组（Zaz）砂岩、细砂岩、青灰色粉砂岩、粉砂质页岩，四里亭组（Zas）砂质页岩、含砾砂质页岩、含砾砂岩，西尖山组（Zbx）细砂、粉砂岩，寒武系下统荷塘组（∈1h）炭质页岩、炭质泥岩、粉砂质泥岩及煤石层以及第四系松散堆积物等。

区内褶皱形式总体表现为一破向斜构造，褶皱轴线呈北东50°展布，南西被青山水库淹没，受后期构造影响，向斜构造被断层所切，几何形态不完整，局部发育有浅状起伏、宽缓褶曲和小褶曲等。

受区域构造影响，勘查区断裂构造为6条近似平行的北东向压性断裂。

4 矿床特征及开采概况
勘查区矿产类型主要为产于荷塘组中下部炭质页岩中的石煤矿产。

共圈定3个石煤矿层，受后期构造作用影响，常被断层破碎带错段。

采空区、窿道主要分布于F1～F5之间的西侧区块，石煤层为顺层采掘，石煤层开采厚度为2.0—5.0m，煤层总体倾角较缓，多为2～10°。

开采巷道高宽一般小于为2.5m，巷道基本未采取支护措施。

5 物探与钻探
5.1 工程物探
工程物探的主要目的是查明煤矿采空区的分布特征、地面塌陷深度、塌陷带堆填物厚度和充填物密实程度等。

由于本勘查区无已知成果资料，推断解释场区的地球物理特征入手进行初步的推断解释，待推断的采空区异常经钻探验证后再进行详细的推断和解释。

根据场地质条件，本次选用瞬变电磁法。

由其原理可知，衰变的二次场遇到高阻体衰减较快，在低阻体上衰减较慢。

故在多测道电压剖面图上，高电压反映的是低阻体，低电压反映的是高阻体，呈平缓状变化的电压剖面曲线反映的是正常的地层。

在视电阻率断面图上，正常地层等值线表现为类似层状的平缓变化的曲线，当地层受采挖、断裂构造破坏时，呈层状分布的等值线会发生严重畸变，产生高阻或低阻的闭合圈或半闭合圈，曲线密集陡立上升或下降。

场区开采的矿产为石煤，由于其含炭高，而炭又是电的良导体，故其在视电阻率断面图中显示为低阻。

根据前期调查资料，矿区已废弃多年，均已充水，充水采空区在视电阻率断面图中也表现为低阻，与石煤的视电阻率相比为较高阻，存在一定的视电阻率差异，但并不明显。

同时，该矿区由于受开采技术的限制以，采空区基本在-30m高程面以上，由于矿区开采年限较长，认为该矿区-30m以上煤层基本采完，因此视电阻率断面图中低阻异常基本可解释为采空区异常。

本次共完成瞬变电磁法测线17条，测点558个。

通过17条剖面的推断解释，共推测采空区异常25处。

5.2 钻探验证
钻探验证其目的主要是为了验证塌陷区地面物探成果的正确性，修正物探成果的解译误差，同时可以查清钻孔揭露深度内采空区的分布情况、塌陷区充填物的岩性的密实程度等。

根据工程物探勘查解译资料，发现勘查区下伏矿层（或推测采空区）埋深多在60～110m，针对性的布置了5个验证钻孔，钻探工作量473m。

钻探资料显示，在K1101钻孔位置Ⅰ号煤层埋深22.9m，由2层厚0.7m的薄层状石煤组成，中间为0.7 m炭质页岩夹层，煤层以上垮落断裂带发育厚度约10m。

Ⅰ号煤层顶板以下37.0m为Ⅱ号煤层，Ⅱ号煤层以上垮落断裂带发育厚度约33m。

总体来说，物探解译采空与钻探验证较为吻合，但局部与实际存在一定的差异。

6 采空区及塌（沉）陷分布特征
6.1 采空区
根据本次取得的资料推断，勘查区F1～F5间地下分布有3个规模不一的采空区，采空区分布范围约59970m2。

6.2 地面塌陷
根据实地勘查，共发现采空地面塌陷点有25余处。

断裂带地表塌陷坑多呈漏斗状，地表露头表现为大小不等，带状分布的的圆形或椭圆形塌陷漏斗。

少量规模较小，发生时间较久的塌陷点受自然因素的改变还难以辨析，仅根据微地形依稀可以寻找出采空地面塌陷的痕迹。

塌陷坑（塌陷漏斗）多位于采面上部断裂破碎带正上方，或稍有偏离，其成因主要为裂隙带沿断层破碎带向上发展而形成（如图1）。

6.3 地面沉陷
根据遥感影象资料及小比例尺地形测量，在勘查区西块段的F1～F2断裂带间，地表存在2处沉陷区，部分沉陷区已发生塌陷。

沉陷区总体与采空区范围较为吻合。

6.4 地表裂缝
根据实地勘查，建设场区共发现地表裂缝3条。

其特点为张性裂缝，上宽下窄，在一定深度内可能尖灭。

较大裂缝两侧的地表有一定的落差，一般0.3～1.0m。

6.5 覆岩“三带”特征
煤矿开采形成采空区，在煤层上覆岩土层中自煤层顶板向上形成“三带”—垮落带、断裂带和弯曲带。

从本次勘探的钻孔岩芯采取率来看，破坏最严重的岩层段是位于开采煤层顶板以上15m以内的覆岩，其原有岩层结构层序基本破坏；裂隙带内岩体仍保持原有的层状结构，但在岩层中原有的结构面如节理、裂隙开裂；弯曲变形带的岩层一般只发生不同程度的整体性变形，岩层的结构和物理力学性质未遭破坏。

断裂带下部的构造角砾岩因破碎，破坏影响较严重。

总体来看，钻孔中的覆岩“三带”岩芯采取率低，说明岩层力学强度降低，其岩体属Ⅳ级“差岩体”。

参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，选取垮落裂隙带高度理论值计算公式进行计算，Ⅱ号煤层开采后断裂带高度理论值为39.7m。

7 采空区稳定性的评价
勘查区主要采用垮落法采煤，属浅层采空区，断层发育，覆岩（顶板）岩性以炭质泥质、炭质页岩和粉砂页岩等中硬覆岩为主，岩层的节理和裂隙较发育，开采煤层多为缓倾斜～倾斜矿层断裂带部位常沿断裂延伸方向采空，由于断裂带
产状陡倾，由于采煤后顶板全部垮落，使覆岩沉陷破坏严重，使上覆岩层的冒落裂隙带高度得到充分发展，采空区往往沿断裂面滑动冒落，并在采空区上盘岩层以沉陷和水平移动变形模式，出现地表裂缝，目前已经出现多处塌陷、裂缝现象，现状稳定性较差，虽然采空区尚未完全塌落，但在后期不利因素作用下，采空区有进一步塌陷的可能，给地表建筑及人员生命财产造成危害。

今后的工程建设，需根据采空区的特点及建筑物的布局进行建筑地基稳定性评价，并根据评价结果，采取合适的防治措施，避免引发或遭受地面塌（沉）陷的危害。

8 小结
（1）资料搜集和采空区地质调查与测绘方法有一定局限性，对了解地面塌陷、沉陷、裂缝变形情况比较直观，而了解地下情况就只能靠调查访问，与实际情况往往会有出入，特别是对于无开采记录资料的采空区，出入变化局部较大。

（2）瞬变电磁法的最大特点是对地下低阻体反应异常敏感的特点，且具有高分辨率测距大、定向性好、对积水等低阻体敏感的特点。

由于开采的矿产为石煤，其含炭高，而炭又是电的良导体，故其在视电阻率断面图中显示为低阻，而采空区均已充水，充水采空区在视电阻率断面图中也表现为低阻，与石煤的视电阻率相比为较高阻，存在一定的视电阻率差异，但并不明显。

可结合其它物探方法进行综合比较验证。

（3）地球物理勘探方法因其所测得的地球物性参数往往具有多解性，因此单独采用物探测得的结果都不能认为是完全可靠的，有条件可采用多种方法相互验证，才能取得比较理想的效果。

即使如此，为了使物探结果更加可信，还必须布置必要的验证钻孔，然后再根据钻孔验证结果对物探成果加以修正，这样才能取得更加真实、理想的成效。

参考文献
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