某在建高速采空區處治路基段水文地質專題研究

陳 濤，田學軍

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽）

貴州省含煤地層多，采煤量大，形成的煤礦采空區分布較多，在高速公路修建過程中無可避免地存在大型采空區，針對采空區的處治措施較多，特別是采空區注漿處治[1]，路段施工可能產生地表水與地下水污染、地表水和地下水改變、地表泉點失水等水文地質問題[2]。

本文以某在建高速K2+600～K3+800 采空區處治路基段水文地質專題研究為例，分析評價對采空區進行注漿處治的水文地質影響[3]，并提出相關建議，為相關工程處治勘察設計提供工程實例借鑒。

1 工程概況

貴州某在建高速公路K2+600～K3+800 段主要以邊坡、路基為主，小樁號段接金湖大橋，此路段為反嶺山煤礦和富宏煤礦采空區影響區，為確保公路安全，須對其中不滿足工程建設要求的采空區進行注漿處治，該處路基距離百花湖水庫較近（約1.6 Km），需對該路段進行專項水文地質調查。

2 區域地質條件

2.1 地形地貌

擬建K2+600～K3+800 采空區處治路基段，地形整體為緩坡～陡坡地形，坡度13°～40°，軸線通過高程為1 202.3～1 244.2 m 之間，相對高差約41.9 m。根據地貌成因將區內地貌分為溶蝕地貌、河流侵蝕- 剝蝕地貌兩種類型。

2.2 巖土體組成

項目區出露地層由新至老有第四系（Q），三疊系安順組（T1a1-4）、大冶組（T1d1-3），二疊系吳家坪、長興組（P2w-c）和棲霞、茅口組（P1q-m）。區內三疊系、二疊系地層廣布。

2.3 煤礦開采及采空區情況

根據兩階段勘察，擬建滬昆國高貴陽至安順段擴容工程K2～K4 段附近主要分布有金華鎮富宏煤礦和反嶺山煤礦，煤礦礦界與路線位置關系見圖1。

圖1 線路與煤礦礦界位置關系圖

煤礦開采范圍見圖2，根據收集的資料，反嶺山煤礦和富宏煤礦抵近開采，兩個煤礦相互連通。

圖2 煤礦開采范圍圖

反嶺山煤礦為私人煤礦，建于1998 年，2011 年停采。長壁后退式采煤法，放炮落煤，全部跨落法管理頂板。煤礦開采K7 煤層，開采標高+1230～+900 m，采空區埋深54～284 m，回采率約65%，采空區面積約116 840 m2；煤層頂板和底板以泥巖夾炭質泥巖為主，巷道內內充滿地下水。

富宏煤礦開采時間始于1962 年，礦區歷經五十年開采。五十多年的地下開采導致其上覆巖層移動變形，引起地表移動和破壞，進而對地面建（構）筑物產生了危害，地表顯見多處塌陷坑及地裂縫，場地穩定性差。煤礦采空區范圍內可觀察到因地表變形引起的塌陷坑、深溝、房屋開裂等見圖3。

圖3 采空區地面破壞分布圖

K2+600～K3+800 采空區處治路基段布設10 個深孔，揭露煤層（未開采）比例22.2%；揭露采空（空洞）比例27.7%；揭露采空（已坍塌）比例50.1%。

3 場區水文地質特征

3.1 水文地質分區

工作區內為貓跳河及百花湖流域，地下水基本上受流域范圍控制。依據河流所起的控制作用，將區內分為3 個水文地質區（李家沖水文地質（I 區）、麥乃村水文地質（Ⅱ區）、朱昌鎮水文地質（Ⅲ區））；再根據流場和含水巖組分布，結合F3、F4、F5 阻水斷層劃分為8 個亞區，水文地質分區見圖4。

圖4 測區水文地質分區圖

3.2 煤礦地下水水質

從區域水文地質資料可知，一般地層地下水改變小，水質較好，而一些特殊礦產、特別是煤礦分布地帶，地下水易發生轉換，使水質出現異常[4]。煤礦采空區地下水污染過程見圖5。

圖5 采空區地下水污染過程圖

通過“鉆孔揭露采空區水質”與“礦井排泄水質”對比，采空區巷道內PH 為強酸性，后經地下水稀釋、中和，通過礦井口排泄的水已呈中性，但鐵含量卻嚴重超標，水呈淡黃色并有鐵銹味，存在污染，需要對其進行處理。

3.3 煤礦水處理狀況

據有關資料，百花湖入湖河流水成份常有超標現象，給湖區水質穩定帶來威脅。作為飲用水源準保護區，地方政府也加強水源地流域環境綜合治理，相繼建成了朱昌、反嶺山煤礦、盤江化工廠、清鎮醫藥園區等污水處理廠。

對于反嶺山煤礦排水，在開采期間曾建有一座礦井廢水處理站，在煤礦關閉時停止使用。為了解決該礦礦井廢水污染問題，2016 年貴州大學在當地政府的組織下，在煤礦下游李家沖區域開展試點示范治理，日處理量為200 m3/d，處理能力有限，達不到治理反嶺山和富宏兩個相連煤礦排出的污水需要，現基本處于廢棄狀態。2022 年8 月中國環境科學研究院受當地政府委托，重新開始了反嶺山廢棄煤礦廢水治理擴容應急工程，建設總規模4 500 m3/d，建成后能使煤礦井口排出的污水得到有限控制。目前，該項目正在實施中。

4 公路工程建設對地表水、地下水影響預測

K2+600～K3+800 段以路基及部分橋梁從煤礦采空區上面及附近通過，為此，采空區注漿處治、路基和橋梁施工對地下水的影響應有一個較明確的認識。

4.1 采空區注漿處治方案設計

針對煤礦采空區情況，已委托某大學進行《滬昆國高貴陽至安順段擴容工程施工圖設計階段K2～K4段煤礦采空區安全影響》專項論證，論證結果：K2+500～K3+271.9、K3+544.48～K3+900 段采空區埋深大或未開采，場地穩定性較好；K3+271.9～K3+645.1 段埋深淺，場地不穩定，需采取措施進行處理。

按該采空區治理設計，K3+271.9～K3+645.1 段采空區采用注漿法加固，處置深度為地面至采空區底板下1 m 處，確定軸線下處治最大深度約為128.0 m，最大處治寬度約為176.6 m，處治長度373.2 m。

4.2 注漿充填體對地下水補給、徑流、排泄的影響

采空區注漿以充填采空區及其覆巖中的空洞和裂隙為主，在一般線性工程中主要形成一條延至地面堤狀支撐體。場區線路展布與地層和采空區走向近直交，注漿充填固結體和地表水、地下水徑流方向大體垂直。由于場區地表無水塘、水田分布，向下注漿加固施工則基本只與地下水發生直接關系。采空區采取注漿加固處治后，注漿充填體對全區地下水補給、徑流和排泄影響都小，地下水循環交替排出地表，共同排向百花湖。

5 主要水文地質問題分析

5.1 地下水污染

場區地表未有加工企業、水塘、水田等分布，水質污染主要于地下產生，直接為地下水污染。由于區內出露地層是P1q-m、P2w、P2c、T1d1-3、T1a1-4，其中P2w 為灰巖、泥巖及含兩層可采7#、8#煤，于是自20 世紀60年代開始分別建有反嶺山煤礦、富宏煤礦進行開采。煤礦未開采前，地下水基本和周圍地層水一樣無色、無味、透明，水質較好；煤礦開采后，煤層、圍巖中的硫化物礦物與氧氣和水接觸，在微生物的催化作用下，經過一系列復雜的化學反應，產生酸性礦井水。這些生成的礦井水多呈淡黃色并有鐵銹味，不宜飲用，致使原本優質的地下水轉變為礦坑污水。煤礦于2011年關閉后，積聚于采空區內的水不僅飽和，而且酸性仍強，鐵離子也嚴重超標，并且溝通了上部含水層，進一步擴大了水循環和污染范圍。根據本次于鉆孔采空區和煤礦井口取樣測試及收集資料，按照百花湖特殊區域內現有排放源管理要求，統一以《煤炭工業污染物排放標準》（GB20426-2006）和《貴州省環境污染物排放標準》（DB52-864-2022）作為判別標準，采空區內水PH 值3 左右，屬強酸性；煤礦井口出水鐵離子2.4～24.6 mg/L，超標2.4～24 倍。

5.2 地表水、地下水（污水）外引困難

工作區地處烏江水系貓跳河上游百花湖地帶，與同屬烏江水系的清水河上游的南明河阿哈湖相鄰。著眼長遠（根治），將百花湖附近污染水跨流域遠程外排阿哈湖下游，連接兩地和穿越分水嶺工程量巨大，經濟不可行。

貓跳河及百花湖流域地形向下傾斜，地層大致沿河谷和湖床縱向交替產出，閉合性較好。若施工人工渠道將污染水引致百花湖下游排泄，工程規模大，也無現實意義。

因此，地下水跨流域或向百花湖下游側向排放，工程量大，經濟技術不可行，宜加強管理、減少甚至杜絕污染或處理后就近排放。

6 結論

（1）注漿充填體加固采空區，可能擠出少部分采空區積水（靜儲量），擠出部分加入淺部循環很快即恢復平衡。

（2）反嶺山廢棄煤礦廢水治理擴容應急工程建成后能使煤礦井口排出的污水得到有限控制，該項目目前正在實施中。

（3）采空區采取注漿加固處治后，注漿充填體對全區地下水補給、徑流和排泄影響都小，地下水循環交替排出地表，共同排向百花湖。

（4）地下水于帷幕段局部受阻雍高，受水力聯系影響，將向左右兩側分別繞過注漿帷幕體繼續向兩側排泄，再聚集。鑒于采空區巖體裂隙連通及巷道多有保留，反嶺山煤礦主井出水量變化不大。