多种综合手段在采空区勘察中的利用

肖瑞建

宁波冶金勘察设计研究股份有限公司 浙江寧波 315041

摘要：由于不同地区的岩石性质、岩层结构、岩层厚度及水文地质方面条件都不一样，在煤层开采之后的覆岩破坏时会出现很大的差异，并且形成的采空区也不相同。本文以某高速公路为例，重点分析综合物探手段在采空区勘察中的应用，旨在确定采空区范围与影响情况，从而为方案的评估与优化提供科学全面的依据。

关键词：综合手段；采空区；勘察

多年来，在隧道、公路、铁路等各类工程建设与发展的过程中，采空区问题逐渐暴露在设计、选线及施工等多环节中。对采空区影响范围及边界的确定、地基稳定性能的评估以及采空区处理方案的确定等都会对整个施工方案的优化及工程投资估算产生很大的影响。

采空区勘察工作较为复杂，其主要是由于长期的无规则开采及不科学的处理，从而导致上覆岩层破坏，并且规律性不强，加上受到其他方面因素的影响，往往会导致地表突然塌陷、沉降异常等问题。[1]对于采空区勘察方面的处理，国内外的研究人员都进行了深入的研究与分析，并且通过软件反复演练及数据的处理，取得了很大的成绩。当前我国有相关学者借鉴前人的研究理论，采用综合方法对地表地形的相关因素及基础条件进行分析，并在综合物探及钻探分析之后，对数据结果进行进一步的合理优化。

1 某高速公路环境及地质条件分析

1.1 地理位置及交通情况

勘察区域位于内蒙古自治区鄂尔多斯东胜区，在行政方面隶属于准格尔旗管辖，勘查区域位于东经111°10′～111°12′，北纬39°48′～39°40′之间，人口大约为60万人，勘查区域位置在准格尔旗东部所在的海子塔乡一直到鄂尔多斯市东胜区的一个村庄。有国道线在其北方位置大约相距10cm与之平行，其间交叉有沙市公路及运煤水泥路，交通条件较为便利。

1.2 水文、气象情况

水文方面：勘查区域主要的地表水系为乌兰木伦河与其相关的直流河流，乌兰木伦河境内的总会长度大约为27km，直流表现主要为冲沟及大川，该段区域的地质构造位置处在华北地台鄂尔多斯台向斜的东北部位置，没有不良的深部地质构造。除此之外，岩层较为平缓，通常坡度都<5°。

气象方面：路线经过的区域大多数为大陆半干旱气候，夏季干热，冬季严寒。7月、8月为一年之中温度最高的季节，最高可达35℃，2月份温度最低，可达零下30℃。年平均降水量在292mm左右，主要集中在夏季，降雨形式多为暴雨。冬季属于风季，主要为西北风，最大风力有时可达8级。此外，每年还有着较长的霜冻季，通常在10月中旬直至次年的3月、4月份。

1.3 地层岩性

经过工程地质测绘与钻探的结果可以发现地质情况包括：①全新统冲洪积低液限粘土（粉土）。颜色为褐色及浅黄色，主要由粘粒与粉粒组成，局部土质中夹杂有少量的泥岩碎屑强风化砂碎屑，具有可塑性，沿线两侧均有不同程度的分布。②全新统冲洪积低液限粘土（粉土）。[2]颜色为褐色及浅黄色，主要由粘粒与粉粒组成，局部土质中夹杂有少量的泥岩碎屑强风化砂碎屑，具有可塑性，主要分布于冲沟斜坡部位。③全新统冲洪积砂土。颜色为浅黄色或浅灰色，主要成分为含云母、长石、石英等，主要分布在昆独龙川一带。其他还有杂色等土质，主要有少量粘土、泥岩碎块及砂岩块石等组成。

2 综合勘察手段在采空区勘察中的应用分析

2.1 地面地质调查

地质勘查是一种基于观察地质研究之上的调查工作，其在采空区与相关的工程分析与研究中有着十分重要的价值。通过对本次项目的研究与部署，采空区调查工作主要从房屋开裂、地表沉降及地面塌陷等进行开展，对采空区影响程度与范围进行分析。本次勘探工作主要的线路为内蒙大饭铺-东胜段，共计包括6个工点内不良工程地质现象，主要表现为采空区及构造破碎带，6个勘察工点名称分别为石灰川西岸采空区、石灰川东岸采空区、哈拉沟采空区、哈拉沟村闫家沟煤矿、闫家沟东岸（自燃区）、公沟煤矿采空区。

2.2 综合物探的应用

本次工作物性特测定方面，采用的主要是对称小四极法对野外露头，测定的结果如表1所示。由表可知，砂岩电阻率大约是煤层的8倍，可见二者之间存在的电性差异。而煤层与泥岩之间的电性差异不显著，也就是说这种方法在测定煤层顶部较为容易，而测定煤层底部则相对比较困难。

表1 物性测定结果

岩 性 电阻率（Ω.m） 备注

变化范围 均值

砂岩 134.59—881.72 463.6

煤层 48.55-82.27 58.94

泥岩（含煤矸石） 75.86-90.65 78.55

本次项目研究中，依据工程的特点本次工作采取的勘探方法为高密度电法，参数使用为视电阻率。该方法依然是一种基于岩土体导电差异之上的电探方法。[3]本次高密度电法探察采用的是对称的四极温纳排列，通常点距都在10cm左右，每个排列电极数量均为60，长度大约为590m。如果排列长度小于测线长度，则要求第一排列、第二排列之间重叠90～100m。在技术要求方面，采集野外数据时均要求符合《电阻率剖面法技术规程》（DZ/T0073-93）中的要求。将工程桩作为测量工作的关键控制点，采用测绳进行布点，同时通过GPS进行实时监控。

在钻探方面，从当前的物探成果与地质调查的分析结果来看，在物探异常及地表裂缝十分明显的地方，有针对性地进行勘探孔以作验证，从而为资料的真实性及有效性奠定保障。通过这种方法能够在工程范围之内对异常点进行全面的验证，从而更加准确地判断出采空区的规模及边界范围，最终为线路的选择与避绕提供科学的依据。[4]

2.3 资料的处理与解释

资料处理方面：首先，检查与评价原始记录。本次项目中的所有野外获得的数据资料均以据相关标准进行处理，并且在野外施工时对所有的原始记录都通过断面图展示出来，进行简单的计算与全面细致的检验，同时做好现场验收工作。由于本次项目的方法技术正确、设备较为先进，获得的最终资料数据质量都非常好。其次，对数据进行编辑与处理。[5]采用专业的软件，能够对其中一部分存在偏差的数据进行修改或删除，并且能从庞大的数据中抽取部分进行反演。然后，在对地形进行改正之后构建模型。在默认的情况下，计算机程序会自动依据模型构建相关原则设计出模块子位的尺寸及位置。[6]

资料解释方面：在经过高密度电阻法反演软件对数据资料处理之后，能够自动生成相关的断面图，如反演模特电阻率断面图、正演视电阻率拟断面图、实测视电阻率拟断面图等，最终依据不同地形的钻孔资料及电性差异进行成果推断解释。以石灰川西岸为例，此次工点布置勘探线共计有3条，其中横测线1条、纵测线2条，实际位置如图1。而南线、北线的石灰川西岸成果图分别见图2（a）、图2（b）

图1 石灰川西岸测线布置图

图2（a）石灰川西岸成果图（南线） 图2（b）石灰川西岸成果图（北线）

结语：

采空区探察工作是一项复杂而系统的工作，其主要是由于长期的无规则开采及不科学的处理，从而导致上覆岩层破坏，再加上受到其他方面因素的影响，通常会出现地面塌陷等一系列问题。因此，如何采用科学的手段对高速公路采空区进行勘察显得尤为重要。本次研究中，通过前期的实地调查、资料收集、物探分析以及钻探验证等多方面的举措的综合评估，将采空区的具体影响规模及范围进行查明，并且取得了良好的研究效果，对于路线的选择及最终的方案制定都具有重要的作用。

参考文献：

[1]肖敏，陈昌彦，白朝旭，贾辉，苏兆锋，吴言军.北京地区浅层采空区高密度电法探测应用分析[J].工程地球物理学报，2014，01：29-35.

[2]刘国辉，温来福，郝海强，高云雷.地震勘探在山西某煤田采空区探测中的有效性研究[J].勘察科学技术，2014，01：58-61.

[3]韩晓雷，王智合，周琴玲.高速公路下伏采空区的勘察与注浆加固技术研究[J].路基工程，2012，02：119-123.

[4]范洪冬，邓喀中，祝传广，陈炳乾，李培现.基于时序SAR技术的采空区上方高速公路变形监测及预测方法[J].煤炭学报，2012，11：1841-1846.

[5]董小波，饶晓，郭良春.高速公路下煤矿采空区变形分析及其治理[J].西安科技大学学报，2009，06：697-701.

[6]雷旭友，李正文，折京平.超高密度电阻率法在土洞、煤窑采空区和岩溶勘探中应用研究[J].地球物理学进展，2009，01：340-347.