CN104965229A - 一种用于确定煤矿老采空区范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定煤矿老采空区范围方法，包括以下步骤：收集现有地质资料、沉陷资料；根据现有地质资料初步圈定采空区沉陷范围；在临近未采区域采用高密度电法勘探，获得浅部区域完整地层，特别是含水地层分布状况；根据采空区地质特征，建立区域地球物理模型；对疑似采空区域进行高密度电法勘探，获得地层视电阻率展布状况；对比前后获得的含水地层视电阻率分布情况，圈定出视电阻率异常区域；根据地表沉陷变形规律，确定出采空区中间区域、拉伸产生裂隙的外边缘区域，对比分析此区域附近含水层视电阻率高、低阻异常，确定出采空区外边缘裂隙带空间分布，进一步反演分析采空区空间分布范围。本发明精确度高、时间短、成本低。

Description

一种用于确定煤矿老采空区范围的方法

技术领域

本发明属于采矿工程技术领域，尤其涉及一种用于确定煤矿老采空区范围的方法。

背景技术

随着国家经济建设的不断发展，土地资源愈来愈珍贵，煤矿老采空区地表的利用问题已成为建筑工程中的重要问题之一。地下采空区具有隐伏性强、空间分布规律性差、顶板塌陷冒落情况难以预测等特点，对采空区进行利用时，须进行必要的工程地质勘查工作，查明采空区的规模、形态、影响范围等。岩层与岩层之间、岩层与煤层、含水层与非含水层之间的物理性质(电学性质、力学性质等)差异是开展采空区物探的物性前提。煤层被采空后，在煤层上下岩层形成一定的空隙，破坏了岩石的完整性、连续性，各岩层视电阻率将会发生相应的变化。采空区裂隙带和冒落带因岩层孔隙变大，若充水，则视电阻率呈相对低阻性，若部分填充，不含水时则表现为相对高阻异常；采空区沉降边缘区，由于受水平拉伸形成的裂隙成为导水通道，而呈现相对高阻性。虽然各岩层的视电阻率存在上述规律，但目前并没有根据视电阻率的差异来进行采空区范围确定的系统的方法。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

发明内容

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种用时较少、精确度高且成本低的用于确定煤矿老采空区范围的方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种用于确定煤矿老采空区范围的方法，包括如下步骤：

步骤1：查阅、收集当地矿管、国土等部门存档煤矿相关资料，初步确定区域地层条件、煤层开采情况等；

步骤2：现场地面沉降监测，采用GPS、水准仪等仪器，获得区域现地面标高，同时调查记录地形、地貌、地面斑裂、建筑物裂缝等情况,并对比分析原有与现有的地面标高情况，初步圈定采空区沉陷范围；

步骤3：在临近确定不受采空区影响区域采用高密度电法勘探，获得埋深在150m以内浅部区域的完整地层，特别是含水地层分布状况；

步骤4：根据采空区地层冒落、断裂及沉陷特征，建立区域地球物理模型；

步骤5：对疑似采空区域进行高密度电法勘探，获得地层视电阻率展布状况；

步骤6、对比步骤3与步骤5区域含水地层视电阻率分布情况，含水地层视电阻率分布情况，圈定出视电阻率异常区域；

步骤7：根据地表沉陷变形规律，确定出采空区中间区域、拉伸产生裂隙的外边缘区域，对比分析确定的两区域附近含水层视电阻率高、低阻异常情况，确定出采空区外边缘裂隙带空间分布，进一步反演分析采空区空间分布范围。

所述步骤2中，根据原有和现有的地面标高情况，初步确定采空区沉陷范围的依据在于：煤层开采后，上覆岩层发生破坏和位移，具有明显的分带性、分区性，在垂直方向分为冒落带、裂隙带和弯曲带，其中，冒落带是在煤层采空区上部岩层出现塌落形成的，裂隙带是在冒落带上方岩层因弯曲变形作用，产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力，岩层整体性受到破坏产生大量裂隙而形成的，弯曲带是在裂隙带以上直到地面，在自重应力作用下产生弯曲变形而形成的；煤层开采后，盆地沉陷，沉陷盆地可分为中间区、内边缘区和外边缘区。

所述裂隙带的高度根据覆岩岩性不同约为采厚的9～40倍。

所述沉陷盆地的外边缘区在煤层开采边界的煤柱上方地表，受到拉伸变形，出现高角度张性裂缝，会成为导水通道，使含水层失水而改变视电阻率。

正常情况下能使覆岩产生裂缝而形成导水通道的水平拉伸值≥2.0m/mm，沉陷盆地产生裂缝的影响边界可以在一定地质条件下，近似为常数，且该常数由主要影响角β来确定，其中，H为采深、r为主要影响半径，β角取值范围45°～76°，主要集中在50°～69°。

所述步骤3中，采用高密度电法进行勘探时，探测场地允许的情况下使用高密度电法四极装置进行数据采集，高密度电法四极装置包括温纳装置和施伦贝尔装置。

所述步骤3中，采用高密度电法进行勘探时，场地较小时采用高密度电法三极装置，现场探测时要尽可能避开起伏较大地形，无法避开时可通过加大电极距以减缓地形干扰。

所述步骤4中，区域地球物理模型的建立根据具体为：所述外边缘区、垂直方向上的裂隙带和冒落带与围岩存在着明显的导电性差异；沉降拉伸破坏的外边缘区为第四系地层潜水下渗的通道，导致其因潜水下渗而含水量变低呈现相对高阻性，裂隙带和冒落带因含水呈现低阻；根据物探异常和实地调查结果,确定测区内各类地层视电阻率范围以及浅部异常的视电阻率的下限值，从而建立起区域地球物理模型。

所述步骤7中，根据视电阻率推定采空区范围的依据在于：岩层与岩层之间、岩层与煤层、含水层与非含水层之间的物理性质差异是开展采空区物探的物性前提；煤层被采空后，在煤层上下岩层形成一定的空隙，破坏了岩石的完整性、连续性，各岩层视电阻率将会发生相应的变化；裂隙带和冒落带因岩层孔隙变大，充水后，视电阻率呈相对低阻性，视电阻率在10Ω·m～3×100Ω·m之间，若部分填充，不含水时表现为相对高阻异常，视电阻率＞500Ω·m；采空区沉降边缘区，由于受水平拉伸形成的裂隙而形成的导水通道，呈现相对高阻性，视电阻率为60～70Ω·m。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

本发明公开了一种通过探测浅部含水层异常来确定煤矿老采区范围的方法，本发明综合利用地面地质调查、沉陷理论及电法勘探浅部含水层异常，以确定煤矿老采区及其影响范围，具体为：通过高密度电法精细探测采空区浅部地层视电阻率，建立采空区区域地球物理模型，结合沉陷理论，对比分析采空区影响区和未影响区含水层附近视电阻率的异常情况，进一步断定深部探测不到的采空区情况。该方法通过探测浅部含水地层的视电阻率异常来确定深部采空区范围，具有影响因素少，精确度高、时间短、成本低等突出优点。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为煤层开采后岩层的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1和图2所示，一种用于确定煤矿老采空区范围的方法，包括如下步骤：

步骤1：查阅、收集当地矿管、国土等部门存档煤矿相关资料，初步确定区域地层条件、煤层开采情况等；

步骤2：现场地面沉降监测，采用GPS、水准仪等仪器，获得区域现地面标高，同时调查记录地形、地貌、地面斑裂、建筑物裂缝等情况,并对比分析原有与现有的地面标高情况，初步圈定采空区沉陷范围；根据原有和现有的地面标高情况，初步确定采空区沉陷范围的依据在于：煤层开采后，上覆岩层发生破坏和位移，具有明显的分带性、分区性，在垂直方向分为冒落带7、裂隙带6和弯曲带5，其中，冒落带7是在煤层采空区上部岩层出现塌落形成的，裂隙带6是在冒落带7上方岩层因弯曲变形作用，产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力，岩层整体性受到破坏产生大量裂隙而形成的，裂隙带6的高度根据覆岩岩性不同约为采厚的9～40倍，裂隙带6的高度也可参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的相关经验公式进行计算，弯曲带5是在裂隙带6以上直到地面，在自重应力作用下产生弯曲变形而形成的；煤层开采后，盆地沉陷，沉陷盆地可分为中间区4、内边缘区2和外边缘区1，外边缘区1在煤层开采边界的煤柱上方地表，受到拉伸变形，出现高角度张性裂缝，会成为导水通道3，使含水层失水而改变视电阻率；正常情况下能使覆岩产生裂缝而形成导水通道3的水平拉伸值≥2.0m/mm，沉陷盆地产生裂缝的影响边界可以在一定地质条件下，近似为常数，且该常数由主要影响角β来确定，其中，H为采深、r为主要影响半径，主要影响角β取值范围45°～76°，且主要集中在50°～69°；

步骤3：在临近确定不受采空区影响区域采用高密度电法勘探，获得埋深在150m以内浅部区域的完整地层，特别是含水地层分布状况；所述步骤3中，采用高密度电法进行勘探时，探测场地允许的情况下使用高密度电法四极装置进行数据采集，高密度电法四极装置包括温纳装置和施伦贝尔装置；采用高密度电法进行勘探时，场地较小时采用高密度电法三极装置；现场探测时要尽可能避开起伏较大地形，无法避开时可通过加大电极距以减缓地形干扰；

步骤4：根据采空区地层冒落、断裂及沉陷特征，建立区域地球物理模型；该区域地球物理模型的建立根据具体为：所述拉伸破坏外边缘区1、垂直方向上的裂隙带6和冒落带7与围岩存在着明显的导电性差异；沉降拉伸破坏外边缘区1为第四系地层潜水下渗的通道，导致其因潜水下渗而含水量变低呈现相对高阻性，裂隙带6和冒落带7因含水呈现低阻；根据物探异常和实地调查结果,确定测区内各类地层视电阻率范围以及浅部异常的视电阻率的下限值，从而建立起区域地球物理模型；

步骤5：对疑似采空区域进行高密度电法勘探，获得地层视电阻率展布状况；

步骤6、对比前后获得的含水地层视电阻率分布情况，圈定出视电阻率异常区域；

步骤7：根据地表沉陷变形规律，确定出采空区中间区域、拉伸产生裂隙的外边缘区域，对比分析确定的两区域附近含水层视电阻率高、低阻异常情况，确定出采空区外边缘裂隙带空间分布，进一步反演分析采空区空间分布范围；其中，根据视电阻率推定采空区范围的依据在于：岩层与岩层之间、岩层与煤层、含水层与非含水层之间的物理性质差异是开展采空区物探的物性前提；煤层被采空后，在煤层上下岩层形成一定的空隙，破坏了岩石的完整性、连续性，各岩层视电阻率将会发生相应的变化；裂隙带6和冒落带7因岩层孔隙变大，充水后，视电阻率呈相对低阻性，视电阻率10Ω·m～3×100Ω·m，若部分填充，不含水时表现为相对高阻异常，视电阻率＞500Ω·m；采空区沉降边缘区，由于受水平拉伸形成的裂隙而形成的导水通道3，呈现相对高阻性，视电阻率约为60Ω·m。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种用于确定煤矿老采空区范围的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：查阅、收集当地矿管、国土等部门存档煤矿相关资料，初步确定区域地层条件、煤层开采情况等；

步骤2：现场地面沉降监测，采用GPS、水准仪等仪器，获得区域现地面标高，同时调查记录地形、地貌、地面斑裂、建筑物裂缝等情况,并对比分析原有与现有的地面标高情况，初步圈定采空区沉陷范围；

步骤3：在临近确定不受采空区影响区域采用高密度电法勘探，获得埋深在150m以内浅部区域的完整地层，特别是含水地层分布状况；

步骤4：根据采空区地层冒落、断裂及沉陷特征，建立区域地球物理模型；

步骤5：对疑似采空区域进行高密度电法勘探，获得地层视电阻率展布状况；

步骤6、对比步骤3与步骤5区域含水地层视电阻率分布情况，含水地层视电阻率分布情况，圈定出视电阻率异常区域；

步骤7：根据地表沉陷变形规律，确定出采空区中间区域、拉伸产生裂隙的外边缘区域，对比分析确定的两区域附近含水层视电阻率高、低阻异常情况，确定出采空区外边缘裂隙带空间分布，进一步反演分析采空区空间分布范围。

2.根据权利要求1所述的一种用于确定煤矿老采空区范围的方法，其特征在于：所述步骤2中，根据原有和现有的地面标高情况，初步确定采空区沉陷范围的依据在于：煤层开采后，上覆岩层发生破坏和位移，具有明显的分带性、分区性，在垂直方向分为冒落带、裂隙带和弯曲带，其中，冒落带是在煤层采空区上部岩层出现塌落形成的，裂隙带是在冒落带上方岩层因弯曲变形作用，产生较大的拉应力，两侧受到较大的剪应力，岩层整体性受到破坏产生大量裂隙而形成的，弯曲带是在裂隙带以上直到地面，在自重应力作用下产生弯曲变形而形成的；煤层开采后，盆地沉陷，沉陷盆地可分为中间区、内边缘区和外边缘区。

3.根据权利要求2所述的一种用于确定煤矿老采空区范围的方法，其特征在于：所述裂隙带的高度根据覆岩岩性不同约为采厚的9～40倍。

4.根据权利要求2所述的一种用于确定煤矿老采空区范围的方法，其特征在于：所述沉陷盆地的外边缘区在煤层开采边界的煤柱上方地表，受到拉伸变形，出现高角度张性裂缝，会成为导水通道，使含水层失水而改变视电阻率。

5.根据权利要求4所述的一种用于确定煤矿老采空区范围的方法，其特征在于：正常情况下能使覆岩产生裂缝而形成导水通道的水平拉伸值≥2.0m/mm，沉陷盆地产生裂缝的影响边界可以在一定地质条件下，近似为常数，且该常数由主要影响角β来确定，其中，H为采深、r为主要影响半径，β角取值范围45°～76°，主要集中在50°～69°。

6.根据权利要求1所述的一种用于确定煤矿老采空区范围的方法，其特征在于：所述步骤3中，采用高密度电法进行勘探时，探测场地允许的情况下使用高密度电法四极装置进行数据采集，高密度电法四极装置包括温纳装置和施伦贝尔装置。

7.根据权利要求3所述的一种用于确定煤矿老采空区范围的方法，其特征在于：所述步骤3中，采用高密度电法进行勘探时，场地较小时采用高密度电法三极装置，现场探测时要尽可能避开起伏较大地形，无法避开时可通过加大电极距以减缓地形干扰。

8.根据权利要求2所述的一种用于确定煤矿老采空区范围的方法，其特征在于：所述步骤4中，区域地球物理模型的建立根据具体为：所述外边缘区、垂直方向上的裂隙带和冒落带与围岩存在着明显的导电性差异；沉降拉伸破坏的外边缘区为第四系地层潜水下渗的通道，导致其因潜水下渗而含水量变低呈现相对高阻性，裂隙带和冒落带因含水呈现低阻；根据物探异常和实地调查结果,确定测区内各类地层视电阻率范围以及浅部异常的视电阻率的下限值，从而建立起区域地球物理模型。

9.根据权利要求1所述的一种用于确定煤矿老采空区范围的方法，其特征在于：所述步骤7中，根据视电阻率推定采空区范围的依据在于：岩层与岩层之间、岩层与煤层、含水层与非含水层之间的物理性质差异是开展采空区物探的物性前提；煤层被采空后，在煤层上下岩层形成一定的空隙，破坏了岩石的完整性、连续性，各岩层视电阻率将会发生相应的变化；裂隙带和冒落带因岩层孔隙变大，充水后，视电阻率呈相对低阻性，视电阻率在10Ω·m～3×100Ω·m之间，若部分填充，不含水时表现为相对高阻异常，视电阻率＞500Ω·m；采空区沉降边缘区，由于受水平拉伸形成的裂隙而形成的导水通道，呈现相对高阻性，视电阻率为60～70Ω·m。