唐山橋梁煤系地層勘探

肖鴻斌

(上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司，上海 200125)

0 引言

中國煤炭資源豐富。煤的形成和賦存首先需要有利的古沉積條件，其次需要有利的地球動力條件，在地球動力條件下使含煤層褶皺、斷裂等，隨著后期的剝蝕或掩埋，煤層形成新的賦存狀態(tài)。

根據(jù)《中華人民共和國煤炭法》[1]，國家依法保護煤炭資源，禁止任何亂采爛挖煤炭資源的行為。根據(jù)《中華人民共和國礦產(chǎn)資源法》[2]，在建設鐵路、工廠、水庫、輸油管道、輸電線路和各種大型建筑物或者建筑群之前，建設單位必須向所在省、自治區(qū)、直轄市地質(zhì)礦產(chǎn)主管部門了解所在地區(qū)的礦產(chǎn)資源分布和開采情況。非經(jīng)國務院授權的部門批準，不得壓覆重要礦床。

因國家對煤炭資源的保護，建設工程中一般不會遇到煤系地層，目前對煤的研究集中在煤炭系統(tǒng)。建設工程中對煤的物理力學性質(zhì)的認識非常有限。2022年唐山市擬對陡河橋梁進行改造，唐山市陡河范圍地質(zhì)構造復雜，在詳勘中揭示有煤層分布，故在巖土工程框架下對煤層進行了一些研究。

煤是植物遺體經(jīng)生物化學和物理化學作用而形成的有機物，經(jīng)泥炭化階段和煤化階段兩個階段，是高分子化合物和礦物質(zhì)組成的混合物。它的微觀結構與土的三相結構(土粒、水、空氣)有著本質(zhì)的區(qū)別，與土在高溫高壓下固結成的巖石也有本質(zhì)區(qū)別。

首先收集了煤炭系統(tǒng)對煤的一些研究成果。煤炭系統(tǒng)根據(jù)煤的巖石結構不同，把煤依次分為燭煤、絲炭、暗煤、亮煤和鏡煤，隨著結構不同煤塊光澤度逐步增強。根據(jù)碳化程度不同，把煤依次分為泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤，無煙煤碳化程度最高。隨著碳化程度加深，煤的密度總體增大，煤的密度是煤的重要指標。

煤炭系統(tǒng)有GB/T 23561煤和巖石物理力學性質(zhì)測定方法[3]，規(guī)范中煤樣的室內(nèi)測試試驗包括密度(包括真密度、塊體密度)、孔隙率、吸水率、含水率、抗壓強度和軟化系數(shù)、變形參數(shù)、三軸強度和變形參數(shù)、抗拉強度、抗剪試驗、堅固性系數(shù)、點荷載強度。煤炭系統(tǒng)對煤的研究比較深入。

在煤的物理性質(zhì)方面，王凱等[4]通過研究煤的含水率，評價了不同含水率煤層對單軸壓縮力學的損傷，熊德國等[5]評價了飽水對煤系地層巖石力學性質(zhì)影響，許興亮等[6]評價了含煤泥巖遇水強度弱化的特點，說明煤系地層屬軟質(zhì)及較軟質(zhì)巖，遇水軟化。

在煤的力學性質(zhì)方面，付英凱等[7]通過超聲波波速評價煤的力學性質(zhì)，提出煤的力學和聲學特征各向異性突出，水平層理煤樣強度、變形參數(shù)均高于斜交層理煤樣。蘇承東等[8]評價了煤樣在三軸壓縮下的變形和強度特征，提出三軸卸圍壓試驗的峰值強度與圍壓成線性關系，而內(nèi)摩擦角與加載方式?jīng)]有關系。說明煤層各向異性突出，煤的力學參數(shù)需考慮煤層的層理特征、煤層埋深等因素。

其次，收集資料發(fā)現(xiàn)，在工程建設領域，已經(jīng)有人遇到過類似問題，且有一些工程經(jīng)驗。

在勘察手段方面，姚賓科等[9]總結了穿越煤系地層和小煤窯采空區(qū)隧道工程勘察中的難點和重點，總結了煤系地層及采空區(qū)特點，強調(diào)重視區(qū)域地質(zhì)工程地質(zhì)的調(diào)查和測繪，通過物探、鉆探、室內(nèi)土工試驗、施工勘察等手段從技術上確保建設順利進行。采用了物探方法包括高密度電法、壓縮波測試和鉆孔巖芯超聲波測試，通過鉆探方法查明煤層分布，通過施工勘察對煤層分布段進行超前預報等。說明大部分勘察手段也適合煤系地層的勘察。

王彤標[10]在貴州煤礦工業(yè)場地的勘察中，因煤層埋藏較淺，通過調(diào)查老窯采空區(qū)，采用現(xiàn)場試驗(動探、載荷板、大剪試驗)獲取物理力學指標，提出上覆地層至煤層，硬度是漸變的，用鉆探判別煤層界面不一定很準確，建議加強施工驗槽工作。說明煤層與周邊地層的邊界是有漸變區(qū)域的。

張法智等[11]在印度尼西亞某火電廠項目遇到的煤系地層，通過標準貫入和淺層平板載荷，探討了煤層作為天然地基持力層的可行性。

在此基礎上，充分學習借鑒煤炭系統(tǒng)對煤的工程經(jīng)驗，從建設項目的工程地質(zhì)條件水文地質(zhì)條件入手，充分利用勘察手段對煤進行測試，推薦合理的設計施工參數(shù)，有效解決了橋梁的基礎設計問題。

1 工程地質(zhì)

1.1 構造地質(zhì)

唐山地區(qū)地質(zhì)構造發(fā)育，唐山市位于中朝準地臺(Ⅰ級構造單元)、燕山臺摺帶(Ⅱ級構造單元)、馬蘭峪復式背斜(Ⅲ級構造單元)、開灤臺凹(Ⅳ級構造單元)之開灤向斜的西北翼,基底構造復雜。

陡河是唐山的母親河，又是地質(zhì)構造比較集中地區(qū)。擬建場地的地質(zhì)構造圖如圖1所示，圖1中深藍色線(灰色線)為自北向南的陡河。黑色線為褶皺，場地區(qū)域內(nèi)從西向東褶皺構造有碑子院背斜、缸窯向斜、城子莊背斜。紅色線(細實線)為斷裂，周邊分別有陡河斷裂及分支、唐山斷裂。中部灰色(淺灰色)區(qū)域為石炭系C、二疊系P地層，外圍藍色(白色)區(qū)域為奧陶系O地層。

1976年的唐山地震是由唐山斷裂活動導致。擬建場地離陡河斷裂約1 km，位于陡河斷裂分支斷裂帶和缸窯向斜附近，經(jīng)調(diào)查，陡河斷裂為更新世晚期之前的活動斷裂，為非全新活性斷裂，故場地是穩(wěn)定場地。

我方首先通知了建設方有關場地分布煤層的情況，規(guī)劃部門在土地批復時無壓覆礦調(diào)查報告，本場地煤層為未知煤層，建設方一般需委托第三方進行壓覆礦評價。

因本場地為唐山市區(qū)范圍，周邊分布較多居民小區(qū)和大量配套設施，而且根據(jù)地質(zhì)構造和煤層分布特點，煤層為雞窩狀，儲量有限，所以判斷該處煤層不列入壓覆礦產(chǎn)范圍。

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場地表層為填土層，填土層以素填土為主局部為雜填土，河流底部有淤泥層。填土層一般厚度3.5 m。3.5 m范圍為砂土、圓礫夾黏性土，16.0 m～21.0 m范圍分布第⑦層卵石層。

在21 m以深地層中，橋梁6個橋墩中西部4個分布厚層變化較大的全風化泥巖和強風化泥巖。東部2個橋梁中，1個橋墩在第⑦層卵石層下直接分布厚層煤層，另一個在1.0 m～3.0 m全風化泥巖下分布有厚層煤層。煤層層頂埋深21.0 m～31.5 m，埋深起伏大于10.0 m，最大揭示厚度大于48.0 m。詳勘期間對遇煤勘探孔不斷加深至70 m仍未揭穿煤層。

擬建地層情況詳見表1。

表1 擬建場地地層情況

按煤層形態(tài)，煤層一般沿走向和傾向呈層狀或似層狀展布，有的呈透鏡體、雞窩狀、串珠狀。根據(jù)煤層分布特點，擬建場地煤層為雞窩狀。按煤層結構，煤層一般在頂?shù)装鍘r石間有煤層和煤矸石層，含矸石層的為復雜結構，不含的為簡單結構。擬建場地煤層基本為黑色煤層，局部在較厚層全風化泥巖下夾薄層灰黑色煤矸石，總體為簡單結構。煤矸石范圍巖芯完整性相對較好，煤層范圍巖芯較破碎。

剖面圖中的黑色地層為煤層(見圖2)。煤層巖芯結構大部分破壞，巖芯呈短柱狀，風化裂隙很發(fā)育，巖芯用手可掰斷，用鎬可挖，干鉆不易鉆進。煤層為較破碎狀態(tài)。若參照《工程巖體分級標準》[12]，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。

1.3 水文地質(zhì)條件

擬建橋梁均位于陡河。陡河自北向南獨流入海，因地勢造成河道落差較大，形勢陡峭，故名陡河。

陡河上游有陡河水庫，1976年唐山大地震期間唐山市民展開了陡河水庫大壩保衛(wèi)戰(zhàn)，對水庫大壩進行了加高。目前陡河正常蓄水位34.0 m。陡河水位直接受到陡河水庫的影響。

淺層土層以砂土為主局部夾黏性土層，且黏性土為不連續(xù)分布，地表水與潛水相通?？辈炱陂g陡河水水位標高為14.72 m，陡河兩岸潛水穩(wěn)定水位埋深為5.00 m～8.00 m，穩(wěn)定水位標高為9.70 m～14.16 m，呈現(xiàn)出陡河補給地下水特征。

1.4 場地抗震效應

擬建場地抗震設防烈度為8度。場地設計基本地震加速度值為0.20g，所屬的設計地震分組為第二組。

根據(jù)波速試驗，覆蓋層范圍內(nèi)土層的等效波速為Vse=191.86 m/s～248.66 m/s。該場地覆蓋層厚度小于50 m，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期值為0.40 s。

經(jīng)液化判別，該場地不存在液化土層，場地為非液化場地。擬建橋梁為臨岸場地，判定該場地為抗震不利地段。

2 煤層勘察手段

本次勘察根據(jù)煤層的特點，對煤層進行了鉆探取芯、重型動探試驗、剪切波速試驗，室內(nèi)土工試驗進行了密度試驗和點荷載試驗。

煤層位于河流范圍且埋深較深，無法進行高密度電法試驗和載荷板試驗。因鉆探取樣無法滿足煤炭系統(tǒng)對煤樣要求，也無法委托煤炭系統(tǒng)的專業(yè)試驗室進行一些試驗(煤炭規(guī)范煤樣采樣一般要求采用刻槽取樣，煤樣一般25 cm×25 cm×20 cm，最小應大于15 cm×15 cm×15 cm)。

根據(jù)勘察各測試手段，對場地煤層的各測試指標等匯總如表2所示。

表2 煤層原位測試及室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)

3 煤層確定

因煤礦資源受國家保護，在工程建設規(guī)劃時會避開已知煤礦，所以建設工程勘察不會遇到煤層。其次，巖層中的黑色巖系也不一定就是煤。

黑色巖系一般指含有機碳及硫化物較多的深灰～黑色巖石，包括硅巖、碳酸巖、泥質(zhì)巖及其變質(zhì)巖，其中黑色泥巖(碳質(zhì)泥巖)中C有機含量很高。唐山地區(qū)泥巖分布較廣，擬建場地黑色巖石也可能為碳質(zhì)泥巖，碳質(zhì)泥巖巖性介于一般泥巖和煤之間。

根據(jù)煤系烴源巖的評價標準，通常將總有機碳TOC小于6%的為泥巖，介于6%～40%為碳質(zhì)泥巖，大于40%為煤。

由于總有機碳TOC試驗為煤炭系統(tǒng)的化學試驗，本項目未通過試驗進行定量判定，所以對煤進行了定性判定。根據(jù)調(diào)查和試驗(A)擬建場地有形成煤的地質(zhì)構造條件(B),經(jīng)調(diào)查取證，擬建場地附近有廢棄已封閉的煤巷道及其入口(C),根據(jù)土工試驗，煤層密度非常低，在0.69 g/cm3～0.85 g/cm3，不屬于常規(guī)巖石范疇，基本位于煤層密度范圍。

4 煤層物理性質(zhì)

4.1 煤的密度

煤的密度是煤的重要指標。煤的密度包括真密度、塊狀密度(又稱視密度)。煤的真密度是不包含孔隙體積的密度，塊狀密度為包含孔隙體積的密度。煤還有散體密度，指裝滿容器的煤粒集體質(zhì)量與容器體積之比。

煤炭系統(tǒng)根據(jù)碳化程度把煤依次分為泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤，隨著碳化程度不斷加深密度總體增大。根據(jù)資料，泥炭與褐煤真密度約在0.7 g/cm3～1.0 g/cm3,1.1 g/cm3～1.4 g/cm3，泥炭與褐煤的塊狀密度約0.2 g/cm3～0.5 g/cm3,1.0 g/cm3～1.3 g/cm3，煤的散密度約0.5 g/cm3～0.7 g/cm3。

土工試驗室對煤層進行了密度試驗，這是根據(jù)GB/T 50123—2019土工試驗方法標準[13]進行的密度試驗，相當于煤炭標準的塊狀密度試驗。根據(jù)試驗結果，煤層密度在0.69 g/cm3～0.92 g/cm3，位于泥炭塊狀密度與褐煤塊狀密度之間，總體更接近褐煤。

4.2 煤的含水率

煤層富含有機質(zhì)，有機質(zhì)對溫度比較敏感，本次未進行含水率試驗。根據(jù)工程地質(zhì)條件和水文條件，淺層土層以砂土為主局部夾黏性土層，且黏性土為不連續(xù)分布，地表水與潛水相通。潛水與煤層也有較好的聯(lián)系通道，故判定煤層總體處于濕潤～飽和狀態(tài)。

4.3 煤的分類

引言中說明了煤炭系統(tǒng)對煤可以根據(jù)巖石結構進行分類，隨著結構不同煤塊光澤度逐步增強。對煤也可以根據(jù)碳化程度進行分類，隨著碳化程度加深，煤的密度總體增大。擬建場地的煤層顏色總體黑色，缺少光澤，根據(jù)煤的巖石結構結合煤塊的光澤，比對各類煤塊照片，初步判定煤層屬褐煤、暗煤。根據(jù)上述對煤密度的分析比對，煤的分類更接近褐煤。由此綜合判定擬建場地煤層屬褐煤。根據(jù)煤炭系統(tǒng)的經(jīng)驗，褐煤煤化程度較低，含碳量較低，孔隙率較大，且處于濕潤～飽和狀態(tài)。

5 煤層力學性質(zhì)

5.1 分析煤的場地構造特點

擬建場地位于斷層和褶皺帶附近，地質(zhì)構造對附近煤層力學性質(zhì)產(chǎn)生不利影響。

5.2 分析煤的微觀結構

煤是植物遺體經(jīng)生物化學和物理化學作用而形成的有機物，是高分子化合物和礦物質(zhì)組成的混合物。它的微觀結構與土的三相結構有著本質(zhì)的區(qū)別。參照巖土對煤進行評價時應考慮微觀結構導致的不利影響。

5.3 分析煤的原位測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表2 ，煤層重型動探在修正后均大于18擊，相當于碎石的密實狀態(tài)；煤層的剪切波速大于500 m/s，相當于基巖范疇；煤的點荷載換算的飽和單軸強度標準值為2.97 MPa，相當于極軟巖范疇。

按照勘察專業(yè)的工程類比法，可以把煤參照碎石或極軟巖推薦煤的地基承載力和變形模量。

5.4 分析煤層的其他特點

根據(jù)引言中煤炭系統(tǒng)經(jīng)驗，煤的力學性質(zhì)的確定尚需考慮如下特征：1)煤層埋深的影響；2)煤層的層理特點；3)煤層各向異性特點；4)煤層遇水軟化特點。擬建場地煤層局部分布且層頂埋深起伏較大，煤層埋深在21.0 m～31.5 m，埋深深度不大。煤層層頂起伏大于10 m，煤層層理方向與層頂方向基本接近，煤層總體為斜交層理，煤層層理角度最大約30°。因煤層各項異性明顯，斜交層理煤層的力學性質(zhì)遠低于水平層理各項指標。煤層總體處于濕潤～飽和狀態(tài)，遇水軟化。綜上所述，尤其是結合煤層場地構造特點和微觀結構特點，按不利對煤層參照碎石，根據(jù)工程類比法推薦煤層承載力和變形模量。

6 橋梁基礎方案確定

6.1 樁基持力層分析

擬建橋梁僅為中橋，因場地抗震設防等級8級，橋梁的單樁承載力設計值達5 000 kN。若均以16.0 m～21.0 m的 第⑦層卵石作為樁基持力層，單樁承載力與設計要求相差較大。若樁長進入21.0 m以下地層，橋梁西部4個橋墩可采用強風化泥巖作為樁基持力層；可東部是否能采用煤層作為樁基持力層，目前尚未查到煤層作為樁基持力層的工程經(jīng)驗。且本場地煤層層理角度最大約30°，煤層各向異性明顯，若采用煤層作樁基持力層，地基均勻性較差，地基穩(wěn)定性有待進一步確認。若橋梁東部、西部采用截然不同的樁基持力層，建成后可能產(chǎn)生較大不均勻變形。

6.2 沉樁可行性分析

煤是有機化合物，煤中大量的有機質(zhì)對水泥施工是非常不利的。采用鉆孔灌注樁以煤層作為樁基持力層的沉樁可行性需要進一步驗證。勘察期間，陡河河面冰面厚度約0.5 m，勘察期間有3個孔揭露有煤層。發(fā)現(xiàn)這些鉆孔孔口冰面被大面積染黑(后封孔)，尤其是70 m勘探孔。經(jīng)查閱資料，煤層有機質(zhì)中含碳、氫、氧、氮、硫等，還有極少磷、氟、氯、砷等。硫、磷、氟、氯和砷是煤炭中的有害成分。煤矸石中含堿金屬、硫及其他有毒有害的可溶成分。若以煤層為樁基持力層，煤層的環(huán)境問題有待進一步研究。

6.3 樁基設計方案調(diào)整和基礎方案確定

由于煤層作為樁基持力層的沉樁可行性比較復雜，經(jīng)與設計反復溝通討論，重新調(diào)整了設計方案，橋梁的單樁承載力設計值下降至3 000 kN。通過樁基方案比選，設計采納了勘察報告方案，以煤層之上的第⑦層卵石層為樁基持力層，采用大直徑鉆孔灌注樁φ1 200 mm，樁長15 m，并選用后注漿工藝以提高單樁承載力。

6.4 樁基方案驗證

因基樁大部分位于河中，檢測單位采用了自平衡法對單樁承載力進行靜載試驗。樁基靜載試驗結果顯示單樁承載力特征值大于3 000 kN，滿足設計要求。

7 結語

1)因國家對煤炭資源的保護，建設工程中一般不會遇到煤層，建設工程中對煤的認識非常有限，當遭遇到煤層勘察，將是一場跨領域的探索。2)在地質(zhì)構造條件比較復雜的有沉積條件的場地可能分布有煤層。3)當在工程勘察中若遇到煤系地層，首先應進行壓覆礦評價，否則不能作為建設場地。4)本次勘察對煤層采用了鉆探、動探、波速等原位測試手段。室內(nèi)試驗采用了密度試驗、點荷載試驗。若條件允許，可也采用高密度電法和鉆孔巖芯超聲波測試等物探方法。5)煤層勘探中，需要充分學習煤炭系統(tǒng)的工程經(jīng)驗，從各角度全面了解煤層物理力學性質(zhì)。可以從煤的物理性質(zhì)為突破口，對煤有個定性認識，綜合原位測試結合工程類比法推薦煤層力學參數(shù)，為基礎方案設計提供依據(jù)。6)當對煤層進行地基基礎評價時，不僅要考慮地基均勻性和穩(wěn)定性問題、地基承載力和變形問題，尚需考慮煤的大量有機質(zhì)對各類基礎的影響，考慮煤層的環(huán)境問題。

本次唐山橋梁的煤系地層勘察，是逐步發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程。隨著勘察范圍的不斷擴大，勘探中遇到煤層的概率可能會增大，本論文拋磚引玉，希望為煤系地層的勘察提供借鑒。