刘学军，侯宪明

（新疆建筑科学研究院<有限责任公司>工程勘察测绘院，新疆乌鲁木齐830002）

急倾斜煤层采空区综合勘察方法

刘学军*，侯宪明

（新疆建筑科学研究院<有限责任公司>工程勘察测绘院，新疆乌鲁木齐830002）

根据急倾斜煤层采空区分布及开采特点，提出以资料收集为基础、地质和工程地质调查和测绘结合地球物理勘探控制平面，现场勘探验证、原位测试和现场取样测试查明岩土物理力学性质的综合勘察方法，准确查明采空区平面及空间分布，为煤层采空区场地稳定性评价提供依据。

急倾斜煤层；采空区；综合勘察方法

近20年来，我国在采空区上修建的各类工程越来越多，对采空区的治理技术也趋于成熟。但不论采取什么处理方案，查明采空区分布情况，均是进行采空区稳定性评价和确定治理方案的前提和基础。急倾斜煤层采空区是其中具有自身分布特点的一类采空区，采用综合勘察方法进行专门勘察尤为重要。

1　急倾斜煤层采空区特点

根据当前地下开采技术，我国将煤层按倾角分为4类，其中角度大于45°的煤层被称为急倾斜煤层。急倾斜煤层有着其余产状煤层不同的分布特点和开采方式，对急倾斜煤层采空区的勘察提出了不同要求。

1.1急倾斜煤层特点

①急倾斜煤层多为不稳定的复杂煤层，厚度变化大，往往在1个煤田中，各种厚度煤层（薄、中厚、厚及特厚）均有分布；

②急倾斜煤层产状复杂，倾角变化较大，同一煤层在不同空间位置其产状角往往有较大变化；

③急倾斜煤层受构造运动影响强烈，煤层及其围岩的稳定性和完整性受到较严重破坏；

④煤层及围岩节理裂隙发育，遇到断层较多，煤层比较破碎；

⑤急倾斜煤层顶底板软弱破碎，易失稳垮落。

1.2急倾斜煤层采空区特点

①因为急倾斜煤层的产状特点，随着煤层采深的增大，采空范围向煤层顶板方向发展，而底板方向处于基本稳定状态，采空区平面分布呈明显不对称状态；

②急倾斜煤层采空区在顶板方向变形剧烈，沿走向方向，常出现条带状和串珠状塌陷坑；

③在煤层开采过程中，急倾斜煤层顶底板常常发生垮落，造成采空宽度往往大于煤层厚度；

④煤层开采完成后，上部未采煤层可能沿采空巷道垮落，但其自然垮落时间受各种因素影响，变化较大，垮落稳定时间较长；

⑤受上部未采煤层及顶底板垮落影响，采空区充填状况极其复杂，多有空洞分布且无规律。

2　急倾斜煤层采空区综合勘察方法

由于急倾斜煤层自身的复杂性和采空区分布特点，选择具有针对性的勘察方法，是急倾斜煤层采空区勘察工作的前提和重点，往往能起到事半功倍的效果。

根据多年来在新疆地区急倾斜煤层采空区勘察工作经验，总结出适合急倾斜煤层采空区勘察的综合勘察方法。该方法主要内容为：以资料收集为基础、地质和工程地质调查和测绘结合地球物理勘探控制平面，现场勘探验证、原位测试和现场取样测试查明岩土物理力学性质。

2.1资料收集

煤层采空区分布的地段，一般来说，均经历了大量的前人工作，留下了丰富的技术资料，收集和利用这些资料，可以节省大量工作，提高勘察工作的针对性和准确性。

在资料收集过程中，应尽量全面地收集前人工作成果，尤其要注意以下资料的收集利用。

①区域地质资料：目前国内大部分地区均进行了不同比例尺的区域地质调查工作，区域地质资料能够提供工作场地范围的地层、地质时代、构造、新构造运动等情况，对拟建场地的基本地质条件有所了解。

②煤田地质资料：一般来说，有采空区分布的地区，在煤矿开采前，均经过了煤田地质勘察。煤田地质资料能够较准确提供煤层分布、厚度、产状等，对拟建场地范围内煤层分布情况有较准确了解。

③煤矿开采资料：煤矿开采对采空区的分布影响很大，应尽量收集煤矿开采资料，包括：矿井平面分布、开采深度、预留安全煤柱位置和宽度、采煤方法、顶底板处理方案等，上述内容对采空区分布具决定作用。

④煤矿开采后地表变形观测资料：目前国内大部分煤矿，在开始开采后，均对采空影响范围内的地表变形进行了长期观测。收集变形观测资料对准确判断采空不稳定范围的分布十分关键，应注意收集采空区顶、底板（走向边界煤层）的破坏角、变形破裂角和稳定角、采空区地表变形特征等。

2.2地质和工程地质调查与测绘

在资料收集工作完成后，应对拟建场地结合拟建工程需要进行地质和工程地质调查测绘工作。调查测绘工作的目的：结合工程实际，对所收集的资料进行现场核查，对拟建场地内的地质和工程地质现象标示在工程图纸上，同时对部分无资料或资料不全的矿区，通过走访知情人、现场调查等，确定采空区分布范围。

在地质和工程地质调查与测绘阶段，针对拟建场地，主要采用穿越法，必要时可采用追索法。在调查测绘时，应主要查明以下内容：

①拟建场地地形地貌、构造、地质时代、岩性、产状、厚度及平面分布、地下水的埋深及动态变化；

②采空区的埋深、采高、开采范围、空间形态、顶底板垮落情况；

②采空区地表变形程度、影响范围和地表变形特征，地下水赋存及补给情况；

④矿井口、巷道及地表塌陷裂缝的形状、走向、宽度、深度等变形要素，确定采空区的地表变形范围及程度；

⑤对于有条件的矿区，应深入井下，对巷道和采空区内部进行调查测绘，重点是巷道的断面尺寸及支护衬砌情况和采空区顶底板垮落情况。

2.3地球物理勘探

地球物理勘探（以下简称物探）是在收集资料和工程地质调查测绘的基础上，对拟建场地范围内采空区进行平面控制的重要手段。适宜的物探方法使用，可有效降低钻探工作量，节省勘察投资，提高勘察效率。

物探手段的使用，选取适宜的勘察方法十分重要。物探方法的选用，应充分考虑急倾斜煤层采空区的特点，并尽量使用2种以上方法组合进行，相互印证。根据多工程勘察经验，常用的几种物探方法为：

①地震反射波法：其理论依据是第四系松散地层与下伏基岩地层之间以及煤层与围岩之间存在密度差异，从而使地震波在其中的传播波速不同，容易形成地震界面（波阻抗界面或波速度界面），在采空区上或断裂破碎带上地震波动力学特征与上述基岩地层明显不同，在其同相轴上会发生位移和时间突变，波速和振幅急剧衰减，出现波形零乱等现象。主要适用于开采深度较大（30m以上），受地下水影响较大的采空区勘探。

②高密度电法：高密度电法的原理是以常规电阻率法为基础，研究在施加电场的作用下，地层传导电流的分布规律，一次可完成纵横二维的探测过程。煤系地层成层性较好，其电阻率与地层岩性对应，当有松散采空塌落物分布和存在未充填空洞时，电阻率很高；当采空区被水充填后，电阻率降低。该方法适用于开采深度不大（小于50m），对采空范围内地下水分布情况了解的地区。

③瞬变电磁法：就是通过测定地下不同地点不同深度的电阻率的差异来达到寻找目标地岩体平稳状态遭受破坏，采空区顶底板发生垮塌，直接影响其电性分布情况，同时有松散采空塌落物分布和存在未充填空洞时，电阻率很高；当采空区被水充填后，电阻率降低。该方法适用范围较广，不受开采深度限制。

需要指出的是，一般情况下，应尽量使用2种以上方法组合进行，相互印证。同时应根据钻探验证情况进行二次或多次修正，必要时进行二次解译。

2.4现场勘探验证

现场勘探是急倾斜煤层采空区勘察最直接、最可靠的方法，根据煤层埋深及采空区坍塌有期较长，所以现场勘探工作应着重于对资料收集和物探工作关键点进行验证，采用尽量小的工作量解决勘探问题。

①探槽：急倾斜煤层往往在第四系下有煤层露头，采空塌陷后会形成塌陷槽、坑，对于基岩埋深较浅（小于5m）、无地下水影响的地段，可垂直于煤层走向或采空塌陷槽走向布设探槽，揭露地层和采空塌陷区。可准确确定煤层产状、采空区分布、塌陷区充填情况，并可采取土石试样。

②探井：对于埋深较大，开挖探槽工程量过大的地段，可在关键部位布设人工探井，主要应布设的部位为：采空塌陷区最深部分、地表塌陷坑周边、煤层顶底板等位置，可确定煤层产状、塌陷充填情况，并可采取土石试样。但探井开挖深度不宜大于15m，且应做好安全防护工作。

③钻探：钻探是采空区勘察最直接的方法，钻孔的布设应考虑拟建工程类型及重要程度、物探的异常区域、地表变形的关键部位等。可通过岩芯的观察和描述，直观反映岩土的基本特性，并可通过钻进速度、掉钻及漏水情况，反映出采空区的存在及冒落充填情况。可在钻孔中进行原位测试及综合测井工作，同时采取土岩试样。

2.5测试工作

在急倾斜煤层采空区勘察过程中，测试工作十分重要，通过测试，可准确查明岩土的物理力学性质，对采空区的稳定性评价和变形预测有十分重要的意义。测试工作包括物探综合测井、孔中原位测试和土岩试样室内试验等。

（1）物探综合测井：在工程条件许可的情况下，对部分钻孔进行物探综合测井，可测试纵波波速、密度、岩体强度指数、天然伽马等指标，根据各指标变化，可作为划分煤层采空区各稳定区域的依据。

（2）孔中原位测试：在钻孔施工过程中，对于适宜的地层，应尽量安排进行必要的原位测试工作，如第四系地层中应进行动力触探、标准贯入试验、风化基岩应进行标准贯入试验等，上述试验可确定土岩的物理力学指标，对采空区稳定性评价和剩余变形量的预测有重要意义。

（3）采取土岩试样室内试验：在钻探、井探、槽探时，应采取必要的土岩试样，进行室内试验，确定土岩的物理力学性质指标。主要试验内容为：岩石单轴抗压强度、岩石抗剪强度、土常规物理力学试验、剪切试验等。上述指标可作为划分煤层采空区各稳定区域的依据。

2.6勘察方法的综合运用和相互验证

上述勘察方法虽然都有各自的目的和作用，但在勘察工作中，应将勘察工作视为一个整体，根据勘察阶段和勘察工作进展，综合运用各勘察方法，对各种勘察方法所取得的成果进行比对、验证，根据分析结果，及时调整勘察工作，才能达到事半功倍的效果，准确掌握急倾斜煤层采空区的分布及现有状态。为下一步采空区稳定性评价和治理工作提供充分准确的依据。

3　结语

急倾斜煤层采空区因为其煤层分布、开采方法、采空区塌陷垮落方式等均与一般的水平及缓倾斜煤层采空区不同，造成对其进行勘察工作也有其自身特点。综合勘察方法的使用，可有效降低勘察投入，准确查明对拟建工程有影响的采空区特性，掌握急倾斜煤层采空区的分布及现有状态。为下一步采空区稳定性评价和治理工作提供充分准确的依据。

［1］JTG/T D31-03-2011采空区公路设计与施工技术细则［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］韩德馨，杨起.中国煤田地质学［M］.北京：煤炭工业出版社，1990.

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1004-5716（2016）03-0095-03

2015-10-26

2015-10-26

刘学军（1970-），男（汉族），新疆乌鲁木齐人，高级工程师，现从事岩土工程方面的生产和科研工作。