小煤窯采空區(qū)工程地質勘察及穩(wěn)定性評價

孫 林

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

近年來，隨著我國鐵路建設的快速發(fā)展，針對采空區(qū)勘察積累了很多實踐經驗。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)勘察結果更加準確、可靠。許多學者進行了相關研究，蔡為益等對綜合物探方法在采空區(qū)探測中的應用進行了研究，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]；姚成志通過地質測繪調查、高密度電法結合鉆探，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、地質調繪、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)等通過現場調查走訪、地質調繪、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 技術通過彈性波信號的差異反應獲取地下巖土體物性參數的分布信息，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、地面調查走訪、綜合物探、鉆探驗證及室內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；區(qū)域構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，南側及北側沖溝發(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 資料搜集和調查

首先在收集已有勘察資料基礎上開展走訪工作，經調查，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。現場調查廢棄井口，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，現場調查情況見表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 現場煤渣

圖2為煤渣堆積物，該點位于DK227+475右側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，結合該區(qū)域地質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，并結合現場地形、地貌，在充分走訪調查和搜集地質資料的基礎上進行相互比對。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)現周圍地表發(fā)生塌陷。

圖4 孔內波速對比

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)。根據鉆探成果，發(fā)現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情況見圖5～圖7。

圖5 鉆孔布置示意

圖6 3-3′剖面地質情況(單位：m)

圖7 9-9′剖面地質情況(單位：m)

3 采空區(qū)分析

3.1 采空區(qū)范圍的確定

根據調查、物探及鉆探成果可知， 17-ZD-4000、17-ZD-4015-1、17-ZD-4031孔出現掉鉆，17-ZD-4015、17-ZD-4015-2、17-ZD-4034出現泥巖及煤層堆積物，而其周邊鉆孔鉆進過程中均未出現掉鉆及煤層缺失現象，說明該煤礦僅為小面積開采。采空區(qū)范圍內，主要開挖煤礦巷道未進行過大范圍開采。另外，根據物探異常區(qū)范圍，再結合鉆探進行驗證，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前期勘察鉆孔(里程為DK227+350～ DK227+530)進行對比，結果表明，采空鉆孔其物理力學指標差異較小，說明頂板未塌陷。

根據《鐵路工程地質手冊》[17]，礦層未開采前，巖體內部只存在垂直壓應力和水平壓應力，計算式為

σZ=γ·H

(1)

(2)

式中σZ——垂直壓應力/kPa；

σZ、σy——水平壓應力/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，按內摩擦角25°計算自然平衡臨界值H0(最不利考慮)，計算結果見表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與壓煤開采規(guī)程》計算采空區(qū)影響邊界，結果見表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、調查及鉆探、物探工作，共發(fā)現采空區(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)地面調查未發(fā)現塌陷區(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 結論

(1)小煤窯采空區(qū)調查是綜合勘察手段的基礎，直接影響后續(xù)物探、鉆探工作的開展，準確翔實的調查對小煤窯采空區(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)邊界范圍內可采用注漿加固等措施。