澠欒高速采空區路段覆巖賦存狀態與處治對策

楊 鋒, 郭慶彪, 萬戰勝, 王 亮, 陳紅凱

(1.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司， 鄭州 450000； 2.安徽理工大學空間信息與測繪工程學院， 淮南 232001)

煤炭作為中國主要的基礎能源，其長期的高強度開采在為國家供應保障能力的同時，也衍生出一系列的生態環境負效應，如水源流失、瓦斯排放和地表沉陷等[1-2]。據不完全統計，煤炭井工開采時，每采出萬噸原煤，地表產生0.2～0.33 hm2的沉陷面積，現已形成約200×104hm2的塌陷盆地，并以每年約7×104hm2的速度增加，預計到2030年，全國累計的采煤沉陷面積將達300×104hm2[3]。近年來，伴隨著資源型城鎮的轉型擴張與交通運輸網的逐步加密，建筑、鐵路、公路等基礎設施需占用大量土地資源，不可避免地建設在采煤塌陷區上方。實踐經驗表明，部分采空區是不穩定的，其突發性的垮塌將影響上覆建(構)筑物的安全運營，甚至威脅生命財產安全，2017年3月新疆烏魯木齊水磨溝區八道灣煤礦一采空區塌陷，釀造了4人死亡、3人受傷的悲慘事故[4]。但這并不表明在采空區上方建設建(構)筑物一定是高風險、不可行的，這與其下伏采空區的覆巖賦存狀態密切相關。中國已有非常多的在煤礦采空區上方建設建(構)筑物的成功案例，如中國西部某鐵路下伏近60個小煤窯采空區，河南武云高速公路穿越古漢山與吳村采煤塌陷區，某光伏發電匯集站建設在采空區上方等[5-7]。因此，在采空區上方新建任意工程之初，查明其下伏采空區的空間分布、分析其覆巖破壞高度與賦存狀態，對于地基處治與基礎設計尤為重要。

圍繞著采空區的覆巖賦存狀態研究已開展了大量的研究工作。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(以下簡稱《規范》)中給出了分層開采厚度不超過3 m時的導水裂隙帶高度經驗計算公式[8]。許家林等[9]提出了基于關鍵層位置的導水裂隙帶高度計算方法，并通過現場鉆探驗證了上述理論分析方法的可靠性。王金濤等[10]基于灰色關聯、遺傳算法與神經網絡算法建立了導水裂隙帶發育高度預測的智能學習模型。牟義等[11]用分布式高密度電法開展了范家村煤礦淺埋采空區的精細探測。邢延團[12]采用現場鉆探的方式揭示了亭南煤礦二盤區巨厚洛河組下煤層開采后的的導水裂隙帶發育高度，該結果與基于關鍵層位置的理論值基本一致，驗證了基于關鍵層位置的導高判別方法的正確性。郭恒等[13]利用瞬變電磁法探查了顯德汪礦井的積水采空區，為四采區正常安全開采提供了有力依據。王小寧等[14]利用反射波地震法勘探了武云高速采空區路段下伏淺部地層的賦存狀態，勘探結果與資料分析結果一致。郇恒飛等[15]采用高精度重力測量法探測了撫順煤礦采空區。

通過梳理當前的研究成果可知，理論分析、地球物理勘探和現場鉆探是查明采空區覆巖賦存狀態的主要手段，其中理論分析略顯復雜，且部分經驗公式與真實值偏差較大，難以為工程所用；現場鉆探最為直觀有效，但費用昂虧，且只能實現單點的精準探測；而地球物理勘探法探測范圍更為廣泛，但勘探深度有限，且在復雜地形條件下圈定異常時的可靠性有所降低。若將上述多方法相融合，取長補短，可以更有效地分析下伏采空區覆巖賦存狀態。因此，以澠欒高速采空區路段為例，采用理論分析與現場鉆探分析采空區深部的覆巖破壞高度，利用高密度電法探查采空區淺部地層擾動狀態，進而揭示研究區域路段下伏采空區覆巖的賦存狀態。

1 工程概況

澠池至欒川高速公路，起點位于三門峽澠池縣境，北接在建的山西垣曲至澠池高速公路并與連霍高速交叉，向南經洛陽市宜陽縣西、洛寧縣東、嵩縣西，在欒川縣潭頭鎮與已建成通車的洛嵩欒高速相接。其加強了與既有公路、鐵路、民航及水運等交通干線的銜接，對于河南省現代城鎮體系整體規劃、產業集聚布局和周邊省份的交通對接起到促進作用。路線全長40.082 km，采用雙向四車道高速公路技術標準，設計時速為100 km/h，路基寬度26 m。其中澠池至洛寧段K4+800～K8+150區間穿越千秋煤礦，井田上方路線長共計3.35 km。

千秋煤礦于 1955 年建井，年產150×104t，目前仍然是生產礦井，為一構造較簡單、水文地質類型中等的高瓦斯礦井，采用一對立井雙水平盤區上下山開拓，主采煤層為二1煤，開采方式以綜采綜放為主。依據資料收集、現場調研和采掘工程圖綜合分析可知，當前路線走廊在千秋煤礦采空區和儲煤區通過，如圖1所示。

圖1 澠欒高速下伏采空區示意圖Fig.1 Schematic diagram of goaf under Mian-Luan expressway

由圖1可知，路線K4+800～K7+760位于采空區上方，K7+760～K8+150位于儲煤區上方，而路線走廊兩側的山韭溝煤礦、鵬程煤礦和孟村一礦分別于2006年、2006年和2008年關閉。結合所收集的資料進一步分析，可得沿線下伏各工作面的回采詳細信息如表1所示。

表1 澠欒高速采空區路段下伏工作面回采信息Table 1 Mining information of the working face under the goaf section of the Mian-Luan expressway

2 采空區覆巖破壞高度分析

2.1 分析方法

在路線K5+600處附近布設ZK5600探測鉆孔，為滿足鉆孔探測下伏采空區覆巖破壞高度的需求，鉆孔需貫穿采空區，直至煤層底板。通過分析巖芯形狀特征，確認鉆孔已鉆穿本區煤層，該孔實際鉆探深度為210.7 m，已收集的資料顯示鉆孔處煤層開采厚度為3.48 m。鉆探結果顯示，在孔深0～153 m范圍內，覆巖完整性好，進尺較平穩，耗水量小，取芯率較高；在孔深153～199.5 m范圍內，覆巖較破碎，完整性差，無顯著掉鉆發生，有漏水現象，曾發生過埋鉆事故；在孔深199.5～207.3 m范圍內，鉆進明顯加快，鉆進充填物后嚴重夾持鉆桿，提鉆阻力加大，提鉆口充填物塌陷又掩埋新鉆進尺，反復掃孔后，情況類似，漏水情況嚴重，取芯率不足20%；在孔深199.5～207.3 m范圍內，覆巖為完整性炭質泥巖。鉆探過程中的部分取芯照片如圖2所示。

圖2 鉆探過程部分取芯照片Fig.2 Part of the core photos during the drilling process

依據《采空區公路設計與施工技術細則》(JTG/T D31-03—2011)行業標準[16]，冒落帶的判定依據為：①突然掉鉆；②埋鉆、卡鉆；③孔口水位突然消失；④孔口吸風；⑤進尺特別快；⑥巖芯破碎混雜、有巖粉、淤泥、坑木等；⑦瓦斯等有害氣體上涌。裂隙帶的判定依據為：①突然嚴重漏水或漏水量顯著增加；②鉆孔水位明顯下降；③巖芯有縱向裂紋或陡傾角裂縫；④鉆孔有輕微吸風現象；⑤瓦斯等有害氣體上涌；⑥巖芯采取率小于75%。彎曲帶的判定依據為：①全孔返水；②無耗水量或耗水量小；③取芯率大于75%；④進尺平穩；⑤開采礦層巖芯完整、無漏水現象。綜合判定此處下伏導水裂隙帶的發育高度為54.3 m。

《規范》中給出了覆巖巖性為中硬類別時導水裂隙帶發育高度經驗計算公式[8]，即

(1)

式(1)中：H為導水裂隙帶發育高度，m；M為累計采厚，m。

將煤層厚度3.48 m代入式(1)可得導水裂隙帶最大發育高度約為26.00 m，該值與上述現場鉆探結果差異較大(表2)，也就是說，該經驗公式在此并不適用。這主要是由于《規范》中的經驗公式僅概化了覆巖整體巖性，且未能考慮覆巖結構特征影響所導致的[9]。

表2 導水裂隙帶高度理論計算結果Table 2 Theoretical calculation result of the height of the water conduction fracture zone

研究表明導水裂隙帶高度與關鍵層的位置密切相關，當主關鍵層與開采煤層的距離小于(7～10)M時，導水裂隙帶將發育至基巖頂部；當主關鍵層與開采煤層的距離大于(7～10)M時，導水裂隙帶發育高度將受亞關鍵層位置的影響，發育至(7～10)M上方最近的關鍵層底部[9]。基于覆巖關鍵層位置的判別理論[17]，判別此處關鍵層位置的結果如表3所示。由表3可知覆巖主關鍵層與開采煤層的距離大于(7～10)M，依據上述理論可得導水裂隙帶發育高度約為51.50 m，該值與上述現場鉆探結果偏差較小(表2)，理論分析誤差約為5%，說明該方法更適用于分析本路段下伏采空區的覆巖破壞高度。

表3 ZK5600鉆孔關鍵層位置判別結果Table 3 The result of key layer position discrimination of ZK5600 borehole

2.2 沿線下伏覆巖破壞高度分析

通過分析已收集的地質資料分析可知，路段沿線區域地質構造簡單，無較大斷層，采用插值的方式可得沿線下伏覆巖破壞高度，進而繪制研究區域路段覆巖破壞縱斷面簡圖，如圖3所示。同時，由上述內容可知，研究區域采空區煤層開采厚度普遍大于3 m，也就是說，基于關鍵層位置的理論方法更適合于分析本區覆巖導水裂隙帶發育高度。結合沿線下伏各工作面的煤層開采厚度，并參照各工作面周邊鄰近的鉆孔柱狀，獲取了各工作面的導水裂隙帶發育高度，如表4所示。

表4 澠欒高速采空區路段沿線覆巖導水裂隙帶發育高度Table 4 Development height of overlying water-conducting fissure zone along the goaf section of the Mian-Luan expressway

圖3 澠欒高速采空區路段覆巖破壞縱斷面簡圖Fig.3 Vertical section diagram of overburden failure in gob section of Mian-Luan expressway

3 淺部地層賦存狀態勘探

為進一步分析研究路段下伏覆巖淺層的賦存狀態，采用高密度電法進行現場探查。高密度電法勘探是以巖石的電性差異為物理基礎，通過研究人工電場作用下介質導電流的分布規律，探測一定深度范圍內不同電性地質體引起的異常特征，從而達到地質解釋的目的[18]。因其探測深度有限，近年來，該法在煤礦淺層采空區探測中發揮著重要作用[11]，當采空區不充水或砂礫石時，呈現高阻反應，當采空區充水或砂礫石時，呈低阻反應。正是由于采空區與圍巖存在明顯的電阻率差異，為高密度電法探測采用區提供了物理前提條件。

本次勘探沿線路走廊布設，選用重慶地質儀器廠研制的DUK-2A高密度電法測量系統，采用溫納裝置α排列，電極距為5 m，供電電壓200 V，連續滾動測量。依測線為單位，繪制了測線的電阻率剖面圖，如圖4所示。

由圖4可知，本次高密度電法勘探的有效深度平均約為50 m。縱向上，電阻率由淺至深總體上呈“低阻—高阻”的變化趨勢，這與實際地層層位的電性變化特征相吻合。橫向上，在K4+790～K5+040路段下方10～20 m范圍內電阻率呈現出局部高阻，明顯高于兩側電阻率，結合地質采礦資料進行分析，推測該高阻應為老采空區的反映；在K5+250～ K6+230路段下方淺層電阻表現出橫向不均勻變化，該現象可能是受到電極接地電阻的影響；在其余路段下方50 m范圍內，電阻率連續性較好，沒有明顯的異常擾動，說明此區域覆巖較完整，成層性好，等值線的波動說明本區發生過整體性的開采沉陷，但在沉降過程中未發生過明顯的層位錯動。由此可知，該物探結果與前文采空區覆巖破壞高度的分析結論相呼應。

圖4 澠欒高速采空區路段電阻率剖面圖Fig.4 Resistivity profile of the goaf section of the Mian-Luan expressway

4 線路采空區路段處治對策

考慮到采空區不良地基的特殊性，為保障車輛的運行安全，需對高速公路采空區路段加以處治。結合前文覆巖破壞高度與淺部地層賦存狀態的研究結果可知，僅K4+790～K5+070路段的采空區位于地表下方10～20 m范圍內，其余路段的采空區賦存深度均超過100 m。依據中外有關采空區上方高速公路建設的成功案例和本區的實際地質采礦條件，提出如下處治對策：①路基設計建議采用加鋪土工材料的特殊路基，不做特殊路面設計；②強化防排水設計，結構物選型時宜采用整體性好，易維護結構形式；③施工中如發現小窯井口，需用砂性土密實回填，并針對性局部注漿加固；④嚴格落實禁采，以避免二次采動形成新的采空區；⑤預留一定維護費用用于采空區病害專項治理。

5 結論

(1)在線路K5+680附近布設鉆孔ZK5600探測此處下伏覆巖破壞高度，約為54.3 m，該值與《規范》中經驗公式的計算結果差異較大，但與基于關鍵層位置的理論分析結果基本一致，表明該法更適用于分析本區的覆巖破壞高度，并采用該法分析得出澠欒高速采空區路段沿線下伏覆巖破壞高度。

(2)采用高密度電法勘探研究路段下伏覆巖淺層的賦存狀態，其中在K4+790～K5+040路段下方10～20 m范圍內電阻率呈現出局部高阻，推測該高阻應為老采空區的反映，而其余路段下方50 m范圍內電阻率未見明顯異常擾動。該物探結果與理論分析結果相呼應。

(3)結合路線下伏覆巖賦存狀態與實際地質采礦條件，提出了澠欒高速采空區路段的處治對策。但需要說明的是本文分析得出的沿線下伏采空區覆巖破壞高度是以點為基礎，基于一定地質條件假設均勻插值獲取的，可能會與實際情況有所差別，建議還應對此區域配套長期的變形監測，以便發現問題及時處理。