肖超，魏台桂，赵婷婷，钟鑫，张耀，张赫然

（美丽华夏生态环境科技有限公司，北京 100176）

0 引言

随着我国经济的快速增长，伴随着对煤炭能源的高速开采与利用但也随之带来对环境的破坏。煤炭资源的储存量在国内的石化能源中占比高达94%以上（中国工程院项目组，2011）。近些年来新能源虽然不断被发现与利用但今后10 年内煤炭资源在能源行列还是占到很大的比重（郎学聪等，2020）。在煤炭开采完后会形成大小不一的空洞，随着时间的增长伴随而来的地质灾害也不断发生，地面塌陷、地裂缝等地质灾害对人民财产安全带来重大威胁，同时也对自然景观造成极为严重的破坏（类磊，2020）。

本文以宁武县东寨镇寺耳沟煤矿为例，通过现场调查结合瞬变电磁、钻探等多种手段进行勘查验证，用以了解和掌握采空区及周边的岩层特征、地质构造，确定采空区的深度、规模、和影响范围等信息，通过物理力学计算结果和开采条件判别法对采空区地表稳定性进行评估（梁芳敏等，2014；田玉新和李帅，2019）。

勘查区位于吕梁山脉北端，管涔山东麓，地处黄土高原东部边缘。区内地形总体西高东低、北高南低。标高为1578～2034 m，最低点位于勘查区中部汾河谷底，最高点位于勘查区最北端山头上，相对高差456 m。地理坐标：东经112°03′～112°07′、北纬38°47′～38°51′。勘查区内地层由老至新为：下古生界奥陶系中统下马家沟组（O2x）、上马家沟组（O2s）和峰峰组（O2f），上古生界石炭系中统本溪组（C2b）、上统太原组（C3t），二叠系下统山西组（P1s）、下统下石盒子组（P1x）、上统上石盒子组（P2s），新生界第四系上更新统（Q3）及全新统（Q4）地层。

1 煤矿开采历史

勘查区位于汾河源头生态保护区内，2008 年后区内已有煤矿均已关闭或停止开采。由于开采历史较早，开采时间跨度大，开采状况复杂，老窑较多，空洞的规模、深度、位置均不能确定，且开采深度浅，易造成地面塌陷及地裂缝的发育。

据其开采历史及方式大致分为3 类：古采空区、私人小窑采空区、2008 年整合前煤矿采空区。主要开采2#、5#煤层，局部开采4#煤层。古采空区其开采时间基本在20 世纪80 年代以前，由于后期顺煤层露头露天开挖，其浅部采空基本已破坏，最深处采空平均采深不超过50 m。私人小煤窑主要集中开采于2003—2007 年，其开拓基本为露头浅部平巷，生产中以自然通风为主，其最远巷道沿走向不超过200 m。整合前煤矿开采方式主要为井工开采，最深处采空平均采深约100～200 m。大部分为20 世纪70—90 年代集体开采，部分煤矿开采历史可追溯到建国初期，均已于2008 年之前进行关闭。

2 勘查方案

为保证勘查工作的有效性，结合勘查区所处的地质环境条件，本文主要探讨采用物探与钻探工程两者相结合勘察方法，旨在工程运用结合实例来说明勘查方法的可行性和实际效果（丁宗炜，2020）。采空区工作部署流程见图1。

图1 采空区勘查工作部署流程图

2.1 资料收集

针对采空区范围内矿采活动形成的矿山地质环境问题进行了相关资料的收集和走访当地村民，了解采煤历史、小窑分布、煤层自燃、地面塌陷及危害情况。

2.2 瞬变电磁布设原则

瞬变电磁工程在勘查区内布设上由于采空区在空间分布上较为繁杂凌乱、地形起伏多变、沟壑纵横，切割形成沟谷深陡，使有些测量点无法按照设计布置造成弃点或测点偏移。局部地表高程和煤层埋深变化很大，给地面电法的资料处理和异常解释精度会形成较大影响，采取具体的措施是在资料处理中进行高程校正和顺层切片。瞬变电磁法对勘查区进行面积性的扫面工作，确定异常区后，进一步确定异常区的范围和性质，确保解释结果的可靠性（李继强，2019；杨勇和陈清通，2017；李健，2020）。

在布置测线方向尽可能垂直被探测体的走向，在已有勘探工程或设计有勘探工程时，应尽可能将测线垂直设计在地质勘探线上；测网密度与工作比例尺应根据任务的性质和探测对象的大小及其异常的特征来确定，同时并应尽量与已经完成的地质工作或其他物探方法的工作比例尺取得一致，一般可将测线间的实际距离缩成1cm 时缩尺为其相应工作比例尺（郑建烽，2020）。

2.3 钻探工程布设原则

钻探主要布置在物探解译结果圈定采空区大致范围内或有代表性的区域中，并通过钻孔对物探解译结果进行验证（王腾飞，2019）。钻孔布置应根据地形、空洞、构造断裂带等不良因素综合考虑，钻孔孔深要打穿空洞冒落堆积物打至底版设计标高5～10 m。钻孔应布设于踩空区上部30～50 m 范围上的山体中，防止因施工带来采空区塌陷对人员及设备造成危害。钻孔横断面位置和数量，一般每100 m 设一个钻孔，每个工段最少设2～3 个钻孔以控制踩空区边缘位置，也可根据公式（1）H=0.5kl，进行钻孔布设。公式（1）中H为钻孔布设距离，K为安全系数，L为采空区宽度，P为采空区受压，单位MPa，KP为岩石抗拉强度，单位MPa。钻机选择根据不同的解译深度选择不同的钻机类型（程慧慧，2020；李雄伟，2020）。

3 勘查结果和分析

瞬变电磁在不同地质条件下的衰减曲线类型不同，通过对衰减曲线分类，可以初步确定勘查区的地层变化情况。本次瞬变电磁法衰减曲线类型主要有两类，一类曲线中段衰减较慢，说明测点处的地层电阻率较低，另一类曲线从中段到尾支衰减较快，说明测点处的地层电阻率较高，从侧面可以反映出采空区及未采区的区别（张三敏等，2014；叶兆勇和袁世冲，2019）。

图2 测线瞬变电磁综合剖面图

图3 视电阻率等值线平面图

从瞬变电磁综合剖面图（图2）上，中、晚期测道曲线在7～10#点即70～110 m 处出现低电压值异常，异常幅度较小；经与拟视电阻率断面数据比对，在100 m 深度附近位置处，70～110 m 处等值线的视电阻率值较高，且大于200 Ω·m，结合地表情况及地质资料分析认为：70～110 m 处附近有地表塌陷，推测该异常是采空区引起的高视电阻率异常的反映。

从视电阻率等值线平面图（图3）可以看出，整个平面图样本数为1369 个，视电阻率在87.21～220.6 Ω·m（电阻率）范围内，变化幅度较大，平均视电阻率约为110.29 Ω·m，标准偏差23.17 Ω·m，根据数理统计分析，参考上述划分异常的标准即为小于平均值减1/3 偏差即高于120 Ω·m 的区域为相对高阻异常区。按上述标准分别划分高阻异常区在图中显示为红色圈定区域，较为明显的一处高阻异常区。后经实际调查，异常区为钻孔ZK03揭露采空，无积水，无充填，因此，异常区的可靠性较高。

图4 寺耳沟煤矿钻孔剖面图

通过钻孔验证ZK02 钻孔存在1 次掉钻现象，经分析：采空区位于53.80～56.15 m，厚度约2.35 m；ZK05 钻孔采空区位于77.00～89.55 m，厚度约12.55 m。ZK11 钻孔存在两次掉钻现象，第1 次掉钻为4号煤层处，位于43.26～47.26 m，厚度约4 m；第2 次掉钻为5 号煤层及其顶板冒落带处，位于61.52～64.00 m，厚度约2.48 m（图4）。

4 稳定性分析

按照《煤矿采空区岩土工程勘察规范》。本文采用开采条件判别法（白云等，2019；安文伟，2019；罗佳竺等，2019；崔杨洋和梁卓，2020）通过终采时间、变形特征、顶板岩性及松散层厚度对采空区地表稳定性进行评估（表1，表2，表3）。

表1 按终采时间确定采空区场地稳定性等级

表2 按变形特征确定采空区场地稳定性等级

表3 按顶板岩性及松散层厚度确定浅采空区场地稳定性等级

表4 采空区稳定性评价

图5 采空区及窑口平面位置分布图

T为地表移动延续时间，无实测资料时按照下列公式确定：

H0为采空区平均采深，矿区内H0都小于400 m，因此，采用公式（2）计算地表移动延续时间T。

勘查区及周边共有废弃煤矿3 座，共有进回风井口和窑口26 个。结合收集到的采空区资料，本次瞬变电磁圈定的采空区基本分布在70～130 m 深度范围内，采空区面积为15000 m2。一般采深小于50 m，局部采深大于等于50 m 小于200 m，同时采深采厚比小于30，存在多层复采，属浅层采空区，地表发生不连续变形的可能性大。依据开采条件判别法，治理区内采空区已全部处于稳定状态，稳定性评价结果见表4，采空区及窑口分布见图5（陈明刚和李贤飞，2019；唐鹤鸣，2019；张永雨，2020）。

5 结论

（1）文中提出了物探先行钻探验证的工作方法，在前期基础调查配合瞬变电磁圈定采空区范围，然后结合钻孔验证，综合多种勘查手段相互验证。快速有效的确定了采空区的空间位置，并做出了相应的稳定性分析给后期治理工作奠定了扎实的基础。

（2）采空区的顶板局部区域进入了塑性屈服，没有发生整体的破坏情况，现状下模型较为稳定。因采空区具有煤层燃火现状如果不能及时治理，煤层燃烧后导致踩空区扩张不排除后期继续发生变形塌陷等灾害。

（3）实践证明，以瞬变电磁法作为主要勘察手段，测定出勘查区内的地下采空区情况，并以钻探工程作为辅助手段对勘察结果加以验证的勘察方法，能够在控制勘察成本的同时，较快速的得到地下采空区的大致空间展布情况及规模情况。