小煤窯采空區(qū)工程地質(zhì)勘察及穩(wěn)定性評價

孫 林

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142)

近年來，隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，針對采空區(qū)勘察積累了很多實踐經(jīng)驗。其中，綜合物探方法在采空區(qū)勘察中發(fā)揮了十分重要的作用[1-3]。其根據(jù)巖土體的密度、電性、彈性等多種物性對采空區(qū)進行探測，多方法相互補充與驗證，使得采空區(qū)勘察結(jié)果更加準確、可靠。許多學(xué)者進行了相關(guān)研究，蔡為益等對綜合物探方法在采空區(qū)探測中的應(yīng)用進行了研究，表明采空區(qū)探測綜合物探方法相比單一的物探方法效果更好，準確度更高[4-6]；姚成志通過地質(zhì)測繪調(diào)查、高密度電法結(jié)合鉆探，查明了某小型采空區(qū)的分布范圍[7]；孫金等通過資料搜集、地質(zhì)調(diào)繪、地震反射波法及鉆探驗證，查明了鄭新天富煤業(yè)的采空區(qū)的分布[8]；黃創(chuàng)等通過現(xiàn)場調(diào)查走訪、地質(zhì)調(diào)繪、礦區(qū)煤層資料收集、高密度電法及鉆探驗證，查明了采空區(qū)的分布[9-10]。

一般情況下，小煤窯采空區(qū)物探方法主要分為地面物探和跨孔物探[11]。其中，地面物探中高密度電法用于采空區(qū)探測效果較好(因采空區(qū)與巖體電阻率差異明顯，易于辨認)[12-15]；而跨孔物探中彈性波CT 技術(shù)通過彈性波信號的差異反應(yīng)獲取地下巖土體物性參數(shù)的分布信息，該區(qū)域泥巖、砂巖、煤對電磁波吸收強烈，無法有效判斷出采空區(qū)域，故此處不適合開展跨孔電磁波CT法。

以某鐵路客運專線通過小煤窯采空區(qū)為實際案例，通過采用資料搜集、地面調(diào)查走訪、綜合物探、鉆探驗證及室內(nèi)試驗的綜合勘察方法，探明線路附近小煤窯采空范圍、埋深、邊界和構(gòu)造，并對采空區(qū)的穩(wěn)定性進行評價，分析采空區(qū)對鐵路工程的影響，并提出具體工程措施建議。

1 工程概況及地質(zhì)條件

研究區(qū)域位于山西省沁水塊坳東南部，晉獲褶斷帶的東側(cè)；區(qū)域構(gòu)造線方向與地層總體走向一致，均為北北東向，地層傾向東南，傾角平緩，一般在4°左右。地形整體東高西低，由西向東地貌分區(qū)明顯，為山前沖洪積平原-低中山區(qū)，鐵路里程范圍為DK227+395～DK227+495，屬黃土臺塬，地勢起伏較大，南側(cè)及北側(cè)沖溝發(fā)育。主要地層為第四系新黃土、老黃土、粉土及細砂，上第三系粉質(zhì)黏土、粗角礫土，石炭系太原組砂巖、泥巖、灰?guī)r及含煤地層。所開采礦產(chǎn)為石炭系太原組15#煤，位于太原組K2石灰?guī)r以下，煤層一般厚1.5～10.4 m，埋深94.1～102.9 m。

2 勘察方法

2.1 資料搜集和調(diào)查

首先在收集已有勘察資料基礎(chǔ)上開展走訪工作，經(jīng)調(diào)查，本區(qū)域煤礦多為私人開辦，開采時間多為清朝末年及民國時期，主要開采方式為巷道式，天然頂板一般無支撐，采空區(qū)煤礦開采面積不大。現(xiàn)場調(diào)查廢棄井口，礦井深度約為110 m，井口部分填埋(井深20～25 m)，未見周圍地表發(fā)生塌陷，以及地裂縫、沉降和附近村莊房屋開裂，現(xiàn)場調(diào)查情況見表1。

表1 煤礦廢棄井口坐標

觀測點情況如圖1、圖2。

圖1 兩個廢棄井口全景

圖1為廢棄井口1與廢棄井口2 的全景。井口常年被植被覆蓋，植被茂盛，不易被察覺。

圖2 現(xiàn)場煤渣

圖2為煤渣堆積物，該點位于DK227+475右側(cè)84 m，表層30 cm為耕植土，含植物根系，地表植被茂盛，地表未見塌陷。

2.2 物探成果

為了初步查明采空范圍，本次物探采用高密度激電法、鉆孔剪切波速測試，結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)物理特征及鐵路線位走向，布置南北向8條物探測線，共完成高密度激電法測點318個，剪切波速測試孔13個。

(1)高密度激電法

高密度激電法[16]以電阻率成果為主，充電率成果為輔，并結(jié)合現(xiàn)場地形、地貌，在充分走訪調(diào)查和搜集地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上進行相互比對。高密度激電法成果資料具體解釋步驟如下：首先綜合比對電阻率及充電率斷面，找出電阻率斷面中低阻閉合圈及充電率斷面中的高值帶。

本次激電測深法共發(fā)現(xiàn)6處異常，分別為IS-6：DK227+415～DK227+450，IS-2：DK227+405～ DK227+480，IS-3：DK227+415～ DK227+470，IS-1：DK227+440～DK227+495，IS-4：DK227+415～ DK227+475，IS-8：DK227+430～DK227+470，探測總面積為12 061 m2。異常區(qū)距線位0～140 m。

物探測線布置及物探異常區(qū)域示意見圖3。

圖3 物探測線布置及物探異常區(qū)域示意

(2)剪切波速測試

為了查明線位采空區(qū)頂板塌陷范圍及程度，本階段共布置剪切波速測試孔13個，分別為17-ZD-4015、17-ZD-4015-1、17-ZD-4015-2、17-ZD-4016、17-ZD-4018、17-ZD-4018-1、17-ZD-4019、17-ZD-4020、17-ZD-4021、17-ZD-4026、17-ZD-4031、17-ZD-4031-1、17-ZD-4031-2。17-ZD-4015-1(采空鉆孔)與17-ZD-4020(非采空鉆孔)孔內(nèi)波速對比見圖4。由圖4可知，采空對剪切波速值影響較小，未發(fā)現(xiàn)周圍地表發(fā)生塌陷。

圖4 孔內(nèi)波速對比

2.3 鉆探成果

為了進一步查明采空區(qū)埋深、范圍、層位及種類，在物探成果的基礎(chǔ)上，共布置鉆孔28個(進尺共計3 085.9 m，孔深101.0～122.0 m)。根據(jù)鉆探成果，發(fā)現(xiàn)采空及塌落的剖面有：3-3′(堆積物長度為60.6 m，最大堆積厚度為2.7 m；采空長度為18.5 m，最大采空厚度為3.4 m)、5-5′(堆積物長度為3.5 m，最大堆積厚度為2.7 m )、6-6′(堆積物長度為6.0 m，最大堆積厚度為1.1 m )、7-7′(堆積物長度為7.8 m，最大堆積厚度為4.1 m；采空長度為20.1 m、最大采空厚度為3.4 m)、8-8′(堆積物長度為3.5 m，最大堆積厚度為3.0 m )、9-9′(堆積物長度為17.0 m，最大堆積厚度為4.1 m；采空長度為8.6 m、最大采空厚度為0.6 m)。

揭露出采空、塌落及回填堆積物的鉆孔共6個，分別為17-ZD-4000(99.7～103 m有輕微掉鉆現(xiàn)象，其中99.7～118.5 m為煤層)、17-ZD-4015(97.2～98.3 m為采空，全填充，主要填充物為煤塊及泥巖碎塊，其中97.2～101 m為煤層)、17-ZD-4015-1(78.5～79.7 m為溶洞，無填充，空洞，掉鉆，97.0～98.6 m、100.5～102.3 m為空洞，掉鉆，漏水嚴重， 98.6～100.5 m、102.3～103.5 m為煤層)、17-ZD-4015-2(94.7～97.4 m為采空，全填充，主要填充物為煤塊及泥巖碎塊，漏水嚴重，97.4～98.3 m為煤層)、17-ZD-4031(97.1～102.7 m為采空，其中99.1～99.7 m為空洞，掉鉆，99.7～102.7 m為全填充，充填泥巖及煤塊，漏水嚴重，102.7～108.0 m為煤層)、17-ZD-4034(98.8～102.9 m為采空，全填充，充填泥巖及煤塊)，鉆孔布置及剖面地質(zhì)情況見圖5～圖7。

圖5 鉆孔布置示意

圖6 3-3′剖面地質(zhì)情況(單位：m)

圖7 9-9′剖面地質(zhì)情況(單位：m)

3 采空區(qū)分析

3.1 采空區(qū)范圍的確定

根據(jù)調(diào)查、物探及鉆探成果可知， 17-ZD-4000、17-ZD-4015-1、17-ZD-4031孔出現(xiàn)掉鉆，17-ZD-4015、17-ZD-4015-2、17-ZD-4034出現(xiàn)泥巖及煤層堆積物，而其周邊鉆孔鉆進過程中均未出現(xiàn)掉鉆及煤層缺失現(xiàn)象，說明該煤礦僅為小面積開采。采空區(qū)范圍內(nèi)，主要開挖煤礦巷道未進行過大范圍開采。另外，根據(jù)物探異常區(qū)范圍，再結(jié)合鉆探進行驗證，確定此采空區(qū)為巷道采空，實際開采范圍不大，面積約2 826.75 m2。主要為煤礦采空，開采深度94.1～102.9 m，回采率約為25%。

3.2 采空穩(wěn)定性計算

為了查明線位采空區(qū)頂板塌陷范圍及程度，對本采空區(qū)域15個鉆孔土樣進行土工試驗，并與同一單元地貌內(nèi)前期勘察鉆孔(里程為DK227+350～ DK227+530)進行對比，結(jié)果表明，采空鉆孔其物理力學(xué)指標差異較小，說明頂板未塌陷。

根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊》[17]，礦層未開采前，巖體內(nèi)部只存在垂直壓應(yīng)力和水平壓應(yīng)力，計算式為

σZ=γ·H

(1)

(2)

式中σZ——垂直壓應(yīng)力/kPa；

σZ、σy——水平壓應(yīng)力/kPa；

γ——上覆巖層重度/(kN/m2)；

H——礦層頂板埋藏深度/m；

φ——巖層的內(nèi)摩擦角/(°)。

頂板上方巖層的自拱力恰好能保持自然平衡而不塌，此時，H為臨界深度H0，有

(3)

a為巷道半寬/m，上覆地層土層較厚，按內(nèi)摩擦角25°計算自然平衡臨界值H0(最不利考慮)，計算結(jié)果見表2。

由表2可知，H1.5H0時，頂板穩(wěn)定。

在有采空及堆積物的剖面中，頂板自然平衡臨界值為18.49～320.2 m，巷道頂板埋藏深度H為94.70～99.10 m，3-3′剖面處于不穩(wěn)定狀態(tài)，7-7′、9-9′剖面穩(wěn)定性較差，5-5′、6-6′、8-8′剖面處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 小型采空區(qū)穩(wěn)定性計算

3.3 采空塌陷破壞影響區(qū)計算

在物探及鉆探相互驗證確定的采空邊界的基礎(chǔ)上[18]，等距選取23個點，參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》計算采空區(qū)影響邊界，結(jié)果見表3。

表3 采空影響邊界計算

由表3可知，采空塌陷破壞影響區(qū)最大影響寬度為106～113.5 m，采空區(qū)對鐵路正線有影響。

4 采空區(qū)綜合評價

(1)采空區(qū)開采時間為20世紀前期，多為無序開采。通過收集資料、調(diào)查及鉆探、物探工作，共發(fā)現(xiàn)采空區(qū)1處，其最大開采深度為102.9 m(17-ZD-4034孔)，最大開采高度為6 m(17-ZD-4034孔)。其距線位最近處為30 m，對鐵路有影響。

(2)區(qū)域內(nèi)采空區(qū)均屬于小型采空區(qū)，泥巖為直接頂板，K2石灰?guī)r可視作老頂，該層厚度一般1.80～8.00 m，根據(jù)鉆探情況，17-ZD-4015-1、17-ZD-4015-3孔揭露溶洞，說明局部巖溶較發(fā)育。石灰?guī)r一般強度較高，采空區(qū)的穩(wěn)定性主要取決于該層的穩(wěn)定性。

(3)地面調(diào)查未發(fā)現(xiàn)塌陷區(qū)域，鉆孔揭示老頂灰?guī)r以上地層較穩(wěn)定；通過土工試驗物理力學(xué)指標及物探成果指標對比分析，顯示同地貌單元采空區(qū)范圍指標與非采空范圍指標接近；剖面穩(wěn)定性計算結(jié)論顯示，僅3-3剖面不穩(wěn)定，其余剖面處于穩(wěn)定及穩(wěn)定性差狀態(tài)。綜合判定采空區(qū)目前處于穩(wěn)定性差狀態(tài)。

5 結(jié)論

(1)小煤窯采空區(qū)調(diào)查是綜合勘察手段的基礎(chǔ)，直接影響后續(xù)物探、鉆探工作的開展，準確翔實的調(diào)查對小煤窯采空區(qū)勘察往往能起到事半功倍的效果。

(2)物探方法彌補了單一鉆探的不足，可大幅減少鉆探工作量，節(jié)約勘察成本。采用兩種及以上物探方法可以提高物探成果精度及準確度，再通過鉆探可進一步驗證和補充。

( 3) 通過綜合勘察，認為該小煤窯采空區(qū)目前處于穩(wěn)定性差的狀態(tài)，對采空區(qū)邊界范圍內(nèi)可采用注漿加固等措施。