斜孔勘探技術(shù)在西渝高速鐵路采空區(qū)勘察中的應(yīng)用

李 欣 李成龍 杜宇本 陳 亮

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)

采空區(qū)勘察是鐵路工程地質(zhì)選線的重要組成部分。采空區(qū)具有隱蔽性強(qiáng)、既有資料準(zhǔn)確性參差不齊等特點(diǎn)，特別是已關(guān)閉的礦井采空區(qū)，因無(wú)法實(shí)施井下巷道實(shí)測(cè)，需輔助一定的鉆探工作予以驗(yàn)證。

西渝高速鐵路東線工程自既有萬(wàn)州北站引出后，向北穿越鐵峰山背斜。區(qū)內(nèi)大、小煤礦眾多，開(kāi)采歷史悠久，多數(shù)礦井因資源枯竭或國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整需要等原因已關(guān)閉，遺留大范圍采空區(qū)?，F(xiàn)有收集資料顯示，各采空區(qū)大部分已聯(lián)通，僅局部留有通道。鐵峰山隧道為長(zhǎng)大巖溶隧道，加之隧道進(jìn)出口不良地質(zhì)發(fā)育等諸多不利因素，本段鐵路選線一度陷入困境。

經(jīng)反復(fù)商討論證，擬定了本段選線原則為：

(1)確保線路標(biāo)高以下50 m以外沒(méi)有采空區(qū)。

(2)在充分認(rèn)識(shí)巖溶風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，選擇相對(duì)有利的線路標(biāo)高大角度短距離穿越巖溶地層[2]。

(3)繞避極難處理的重大不良地質(zhì)體，選擇相對(duì)有利的隧道口。

在收集礦區(qū)資料和詳細(xì)地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，最終篩選出的可行線路方案為：平面上穿越橋溝煤礦資料顯示的煤層薄化區(qū)域，本段線路標(biāo)高控制在+350 m左右。本方案的進(jìn)出口條件及巖溶水條件都較好，方案成立與否的關(guān)鍵在于驗(yàn)證“線路穿越段落煤層薄化”“線路下方?jīng)]有采空區(qū)”。

1 工程及地質(zhì)概況

1.1 工程概況

西渝高速鐵路(西安—重慶高速鐵路)是西三角(重慶、西安、成都)環(huán)形高速鐵路通道的一部分，是國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》 “八縱八橫”中包(銀)海通道的重要組成部分，也是《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》十條縱向綜合運(yùn)輸通道包頭至防城港的一部分。該線自安康引出后，西線經(jīng)達(dá)州至重慶，東線經(jīng)開(kāi)州至萬(wàn)州與規(guī)劃的渝萬(wàn)高速鐵路相接。正線建筑長(zhǎng)度489.467 km(不含北碚南至童家溪/蔡家聯(lián)絡(luò)線長(zhǎng)度10.977 km，改建既有襄渝貨車線8.733 km)，其中陜西省境內(nèi)建筑長(zhǎng)度79.7 km，重慶市境內(nèi)建筑長(zhǎng)度189.109 km，四川省境內(nèi)建筑長(zhǎng)度220.658 km。新建車站9個(gè)，正線橋梁288座(長(zhǎng)121.116 km)，隧道90座(長(zhǎng)291.641 km)。橋隧總長(zhǎng)412.757 km，占正線建筑長(zhǎng)度的84.33%。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造及地形地貌

鐵峰山背斜屬于川東褶皺帶，為區(qū)域褶皺。該背斜南西端起自雷家坪，經(jīng)大埡口至高陽(yáng)鎮(zhèn)為北50°～70°東，到云安廠為近東西向。在三疊系中統(tǒng)巴東組內(nèi)消失，背斜全長(zhǎng)114 km，軸線呈凸向北北西之弧形，軸部地層為三疊系中統(tǒng)巴東組，兩翼由三疊系上統(tǒng)及侏羅系中、下統(tǒng)組成。軸向N64°E,軸面近直立。背斜核部較緊湊，南東翼較陡，傾角約70°，并直立倒轉(zhuǎn)；北西翼略緩，傾角25°左右，局部較陡°，為一不對(duì)稱背斜[3]。地貌形態(tài)屬低山丘陵地貌，主要受構(gòu)造、巖性控制，丘槽相間，地形波狀起伏，背斜核部出露地層表現(xiàn)為“一山三嶺二槽”的奇觀?？扇軒r與非可溶巖相間，平行構(gòu)造線呈條帶狀展布。

1.3 地層巖性

2 勘探目的及勘探點(diǎn)布置

橋溝煤礦主采煤層為正煤、礦煤。其中正煤位于三疊系上統(tǒng)須家河組五段底部，礦煤位于須家河組三段上部。橋溝煤礦資料顯示，這兩層煤均在鐵路擬選線位附近薄化，未進(jìn)行開(kāi)采[5]。

為驗(yàn)證資料的準(zhǔn)確性，地質(zhì)專業(yè)人員將直井鉆探方案與斜孔鉆探進(jìn)行了比較，在位置選擇上，直井鉆孔不如斜孔靈活，本次勘探選定的鉆孔位置、地形和交通條件均較差，鉆機(jī)就位難度很大。結(jié)合既有資料及外業(yè)調(diào)繪成果，鉆孔孔位附近巖層產(chǎn)狀真傾角已超過(guò)70°。根據(jù)既有的勘察經(jīng)驗(yàn)，即便不考慮成本，鉆機(jī)能夠就位，在巖層傾角大于60°的陡傾地區(qū)，直井鉆進(jìn)也存在一定困難，而斜孔鉆探更加具有優(yōu)勢(shì)[6]。在陡傾巖層中，直井鉆進(jìn)遇到上覆軟巖、下伏硬質(zhì)巖的界面時(shí)，鉆孔易順巖層傾斜，鉆進(jìn)地層假厚增加，孔深急劇加大，勘探成本增加，施工周期加長(zhǎng)[7]。

因此，本次勘察嘗試采用斜孔勘探，結(jié)合線路走向、巖層及巖層產(chǎn)狀、探煤位置，勘探點(diǎn)布置如表1所示。

表1 橋溝煤礦采空驗(yàn)證孔勘探點(diǎn)布置表

3 鉆孔設(shè)計(jì)主要技術(shù)要求及施工工藝

3.1 鉆孔設(shè)計(jì)主要技術(shù)要求

(1)鉆孔深度需根據(jù)實(shí)測(cè)孔口標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，并由地質(zhì)技術(shù)人員根據(jù)線路設(shè)計(jì)標(biāo)高、揭示巖層層位情況最終確定。嚴(yán)禁擅自挪動(dòng)鉆孔位置。

(2)鉆探過(guò)程中，須采用有效的施鉆方法和采芯，控制回次進(jìn)尺，不得超管鉆進(jìn)，保證各層段和關(guān)鍵部位的巖心采取率[8]。

(3)及時(shí)校正孔深和斜孔角度，每鉆進(jìn)50 m必須校正孔深和斜孔角度1次，確?？咨钫`差不超過(guò)0.2%，并保證各類測(cè)試儀器順利下入井內(nèi)，達(dá)到測(cè)試目的。開(kāi)鉆前應(yīng)充分考慮鉆桿、鉆頭等因自重引起的孔斜角度誤差，采取一定方案確保探到需要的煤層位置[9]。

(4)對(duì)于破碎地層，須采用單動(dòng)雙管取芯，并認(rèn)真檢查各部件的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性和間隙合規(guī)性。

3.2 施工工藝

3.2.1 鉆頭的選擇

根據(jù)本工點(diǎn)巖石較硬、研磨性強(qiáng)的特點(diǎn)以及既有勘察施工方面的經(jīng)驗(yàn)，擬全部選用普通硬質(zhì)合金鉆頭和金剛石鉆頭。其主打鉆頭選型如表2所示。

表2 主打鉆頭性能參數(shù)表

3.2.2 鉆進(jìn)參數(shù)

根據(jù)巖石性質(zhì)、鉆頭類型、鉆進(jìn)深度、沖洗液類型綜合確定鉆進(jìn)參數(shù)，兩孔鉆進(jìn)參數(shù)如表3所示。

表3 鉆孔鉆進(jìn)主要參數(shù)表

4 勘探過(guò)程簡(jiǎn)述

4.1 CZ-QGS斜-01號(hào)鉆孔勘探過(guò)程簡(jiǎn)述

CZ-QGS斜-01號(hào)鉆孔開(kāi)孔前，地質(zhì)調(diào)繪發(fā)現(xiàn)地表地層產(chǎn)狀傾向與區(qū)域產(chǎn)狀相反，在大范圍地表調(diào)繪和分析區(qū)域地質(zhì)及煤礦閉坑資料后，推斷該處地表發(fā)育一小型褶曲，但該處深部地層產(chǎn)狀應(yīng)與區(qū)域整體產(chǎn)狀傾向相符。鉆探機(jī)組按設(shè)計(jì)方位角及傾角開(kāi)孔，并安排了專人密切關(guān)注鉆探過(guò)程，最終鉆探結(jié)果與地勘項(xiàng)目部推斷大體相符。該孔在168.5 m深度進(jìn)入了含煤地層須家河組五段(T3xj5)，在229.1 m深度揭示到了須家河五段中的正煤煤層，煤層真厚度僅有約5 cm，完全不具備開(kāi)采價(jià)值。在373.3 m深度進(jìn)入了含煤地層須家河組三段(T3xj3)，在391.4 m深度打穿該段，進(jìn)入了須家河二段(T3xj2)，須家河組三段巖芯中未發(fā)現(xiàn)明確的礦煤煤層，推測(cè)其已薄化尖滅。鉆進(jìn)至418.4 m，確保進(jìn)入了須家河二段(T3xj2)之后終孔。全孔所揭示的煤層均薄化，未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)。

4.2 CZ-QGS斜-02號(hào)鉆孔勘探過(guò)程簡(jiǎn)述

CZ-QGS斜-02號(hào)鉆孔開(kāi)孔前，地質(zhì)調(diào)繪結(jié)果顯示，孔位處地層巖性、巖層產(chǎn)狀與附近區(qū)域地質(zhì)及煤礦閉坑資料吻合，鉆探機(jī)組按設(shè)計(jì)方位角及傾角開(kāi)孔。該孔在325.5 m深度進(jìn)入了含煤地層須家河組五段(T3xj5)，在370.7 m深度揭示到了須家河五段中的正煤煤層，煤層真厚度僅約6 cm，完全不具備開(kāi)采價(jià)值。鉆進(jìn)至385 m，確保進(jìn)入了須家河四段(T3xj4)之后終孔。全孔所揭示的煤層均薄化，未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)。

4.3 勘探資料對(duì)比整理

兩個(gè)鉆孔勘探過(guò)程中，技術(shù)人員不斷對(duì)兩個(gè)孔的編錄資料進(jìn)行比對(duì)，兩孔地層巖芯層位能夠相互對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了編錄資料的合理性。鉆孔結(jié)束后進(jìn)行了物探測(cè)井，物探曲線分析亦與鉆探編錄結(jié)論總體相符。根據(jù)鉆孔資料填繪的地質(zhì)斷面如圖1所示。

圖1 地質(zhì)斷面示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

斜孔勘探作為冶金、煤礦及油氣等資源勘察企業(yè)帶頭應(yīng)用的新興技術(shù)，在陡傾巖層的勘察中，可與產(chǎn)狀傾向大角度相交針對(duì)性布置鉆孔，且相同孔深可揭示更多地層以相互印證，具有明顯的靶向勘察優(yōu)勢(shì)。同時(shí)其孔位選擇相對(duì)靈活，利于克服勘察過(guò)程中孔位地形與交通不便的困難，節(jié)約搬遷、賠償?shù)容o助費(fèi)用。但其在高速鐵路采空區(qū)勘探中應(yīng)用較少。

本次西渝高速鐵路鐵峰山越嶺段的勘探在充分分析現(xiàn)有地質(zhì)資料和進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，布置了斜孔勘探對(duì)采空區(qū)情況進(jìn)行驗(yàn)證，為線路走向及標(biāo)高選擇提供了明確的依據(jù)，起到了良好的效果。與此同時(shí)，本次勘察實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)也可為日后采空區(qū)、巖溶、斷裂、蝕變帶、重要巖層界面、物探異常區(qū)驗(yàn)證等勘探工作提供技術(shù)儲(chǔ)備。