地质钻探工程在采空区地质勘查中的应用

关显东

摘  要：地质钻探是通过机械设备和钻具向地下钻出柱状圆孔，并从其中取得岩心、矿芯，以了解地质及矿产情况，或者专门作为某种用途的渠道，从而满足地质矿产勘查及国民经济部门需要。采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区，按矿产被开采的时间，可分为老采空区、现采空区和未来采空区。文中运用地质钻探工程开展矿区勘探，通过地质钻探工程所确定的煤矿采空区地表危险变形区边界，与采空区范围内住宅形变毁坏水平相符合，进一步来说明这类开采勘探方式的实效性。

关键词：钻探工程;采空区;地质勘查

一、采空区定义与分类及特征

（一）采空区定义

人们在地下大面积采矿或为了各类目的在地下挖掘后遗留下来的矿坑或洞穴，称为采空区。

（二）采空区分类及特征

依据采空水平分为小型采空区和大型采空区。

1、小型采空区的变形和特征

小型采空区变形种类为表面坍塌和裂痕。小型采空区范围狭小，主要是巷道式的，表面不造成移动的盆地。但由于开采深度浅，又任其自由坍落，所以地面变化剧烈。表面裂痕的遍布通常与开采工作面的方位平行，并伴随着开采工作面的推动而随之移动。除极浅的采空区外，缝隙一般上宽下窄，没有显著的偏移。

2、大型采空区的变形和特征

大型采空区的变形关键是在表面产生移动盆地。换句话说，在采空区区域下方发生了地表变形，逐渐产生低洼地区，伴随着采空区的不断扩大，产生了凹痕盆地，这一盆地被称作移动盆地。

（1）依据地表变形的尺寸和变形特点，从移动盆地到边沿水准区划为三个区域。

①匀称沉降区：（中间区）是挪动盆地的平整底。

②移动区：又称内边缘区或危险变形区，区内变形不均匀，对建筑物破坏作用较大。

③轻微变形区：外边沿区域，表面变形值小，一般并不会对建筑导致危害，依据地表地基沉降值10mm处划外界限。

（2）垂直方向上的矿带大规模开采后，矿带上端失去支撑点，平衡条件被毁坏，开采区上方岩石变形。采空区上方岩石的变形一般过程是从下向上慢慢发展的漏斗状地基沉降，其变形可分成三个带。

①冒落带（崩落带），采空区顶板破碎坍落形成，其厚度一般为采矿厚度的3～4倍。

②裂隙带（破裂弯曲带）处于冒落带之上，并产生较大的弯曲和变形，其厚度一般取采矿厚度的12～18倍（从矿层顶板向上的厚度）。

③弯曲带（不破裂弯曲带）裂隙带顶面至地面的厚度。

二、钻探工程判断采空区依据及布置原则

（一）采空区垮落带钻探判断依据

钻探工程是本次采空区地质勘查的主要工作手段，在钻探过程中现场判断采空区垮落带的主要依据为：

1、正常的钻进过程中，突然出现掉钻现象，或钻进进尺特别快;

2、正常的钻进过程中，钻孔孔口水位突然消失，或孔口出现吸风的现象;

3、钻探所获取的岩芯破碎混杂，有岩粉、煤灰等，或岩芯中夹杂淤泥、粉末状煤渣、坑木、砖瓦碎片等。

（二）钻孔布置原则

采空区核实钻孔具有较强的目的性，钻孔的布置要考虑多方面的因素，以保证用少的工程量达到核实清楚采空区分布的目的。本次核实钻孔的布置主要依据以下原则：

1、地面变形特征明显处及居民反映地表沉降量最大处，为最有可能存在采空区的部位，在该部位布置钻探验证孔加以核实，针对性较强，本次施工2号钻孔即为依据此原则布置。

2、依据核实区附近已有的地质成果确定的煤层赋存的厚度、埋深、层位特征及煤层发育的范围、倾角等，预测采空区可能存在的空间及平面位置，从而布置核实钻孔加以验证。

3、依据居民区建筑物的分布特征，结合其下煤层的埋深及赋存特征，初步确定建筑物下需要留设的保安煤柱范围，即采空区对建筑物的影响边界，在可能的影响边界附近布置采空区核实钻孔。

4、核实钻孔施工过程中查明确定存在采空区时，根据煤层特征及建筑物方位，进一步布置控制钻孔来控制采空区。

三、采空区地表变形危险性分区

（一）项目概括

海拉尔农垦集团第八生产队住宅区位于拉布大林煤田的中北部接近煤层露头位置，煤层埋深较浅。上世纪九十年代后期该区域内地下有过小煤窑采矿活动，经过之后的整顿，小煤窑撤去，近几年来受煤矿采空区地表变形的影响该处居住村民发现其住宅主房产生裂痕，为此需查明此处采空区的分布范围及其地表变形危险区影响范围。

（二）采空区地表变形理论

由于小煤窑采矿活动的影响，在采空区上方的地表形成移动盆地，依据对地表建筑物和构造的危害，在移动盆地内区划2个区域：风险变形区域（移动盆地内很有可能对各种各样建筑物和构造导致危害的区域）、无风险变形区域（移动盆地内不容易对各种各样建筑物和构造导致危害的区域）。

非危险变形区的临界边界用地表临界变形值来圈定，地表临界变形值是指不需要维护即能保持建筑物正常使用所允许的最大变形值。依据《建筑物、水质、铁路线及关键巷道煤柱留设与压煤采掘技术规范》，针对一般砌体，临界值变形值设定为斜率i=3mm/m，曲率K=0.2×10-3/m，水平变形ε=2mm/m。

理论计算非危险变形区的临界边界需要用到移动角，移动角指在充分采动或接近充分采动的情况下，移动盆地主要断面上临界变形值点和采空区边界的连线与水平线之间在煤壁一侧的夹角。移动角分为松散层移动角和基岩移动角。松散层移动角的符号为ψ，下山移动角的符号为β，上山移动角的符号为γ（見图1）。

（三）临界边界计算及采空区地表变形分区

1、计算公式

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》及《采矿工程设计手册》（上册）第七章“保护煤柱留设”的相关内容及图2所示，采空区地表非危险变形区的临界边界距采空区边缘的距离可按下面公式计算：

式中：L—采空区地表非危险变形区的临界边界距采空区边缘的距离（m）

W—建筑物保护煤柱的围护带宽度（m）

H1—第四系松散层厚度（m）

H2—基岩层厚度（m）

ψ—第四系松散层移动角（°）

β—基岩下山移动角（°）

2、计算参数

（1）建筑物保护煤柱的围护带宽度（w）

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中关于矿区建（构）筑物保护等级划分，第八生产队住宅区砖混结构房屋保护等级为Ⅲ级，建（构）筑物各保护等级煤柱的保护宽度（见表1），第八生产队住宅区砖混结构房屋保护煤柱的围护带宽度取10m。

（2）第四系松散层厚度H1

倾向上采空区边界位于2号钻孔、4号钻孔之间，第四系松散层厚度取2个钻孔第四系松散层厚度的平均值为6.74m。

（3）基岩层厚度H2

倾向上采空区边界位于2号钻孔、4号钻孔之间，基岩层厚度在倾向2-4线剖面图上直接量取，量取范围为煤层顶板中點至第四系底板中点的垂直距离，剖面上量取基岩层厚度为60m。

（4）第四系松散层移动角ψ

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（松散层移动角取值），本区松散层厚度小于40m，松散层含水性较强，查得本区第四系松散层移动角为45°。

（5）基岩下山移动角β

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（按上覆岩性区分的地表移动角一般参数综合表），本区煤层上覆岩层岩性主要以泥岩、粉砂岩及各类砂岩为主，附近勘查区工程地质资料表明，岩层的单向抗压强度平均值为20MPa左右，小于30MPa，覆岩类别为软弱岩层，煤层的倾角α为18°，查得本区岩层移动角为70°，按表中公式倾角α系数取0.3计算下山岩层移动角β为65°。

3、计算结果及分区

将上面确定的参数值带入采空区地表非危险变形区的临界边界距采空区边缘的距离的计算公式：

依据经验参数计算得到采空区地表非危险变形区的临界边界距采空区边缘的距离为45m，以此为依据圈定采空区地表非危险变形区的临界边界（如图3），边界线以内为采空区地表危险变形区，边界线以外为采空区地表非危险变形区。

调查走访资料显示，砖混住宅区东侧五栋房屋受采空区地表变形破坏最严重，影响房屋的正常使用并存在较大的安全隐患，该五栋房屋在计算确定的采空区地表危险变形区内，地表现象与计算结果一致。

四、结论

钻探工程是地质勘查工作中应用最广的一种技术手段，其同样适用于采空区地质勘查，本文在调查访问大致圈定采空区范围的基础上，确定第八生产队住宅区北侧存在一处开采煤层所形成的采空区，钻探工程所确定的采空区地表变形危险区边界与砖混房屋的变形破坏程度高度一致，说明钻探工程所确定的采空区地表变形危险区较为合理，为今后类似采空区地质勘查提供较好的借鉴意义。

参考文献

[1] 甄大勇. 铁路工程中煤窑采空区勘探方法的组合选择及应用[D]. 成都理工大学， 2013.

[2] 朱益明， 王润伦， 王亚凤. 复杂采空区地质灾害治理钻探施工技术[J].  2013.

[3] LI Jian， 李坚. 小煤窑采空区物探技术在铁路工程地质勘察中的应用[J].  2012.

[4] 刘鹏， 卜庆晖， 肖轶业. 物探在地下采空区工程地质勘查中的应用[J]. 科技致富向导， 2011（11）：2.

[5] 李坚. 小煤窑采空区物探技术在铁路工程地质勘察中的应用[J]. 物探与化探， 2012， 36（B10）：6.