澠欒高速采空區(qū)路段覆巖賦存狀態(tài)與處治對策

楊 鋒, 郭慶彪, 萬戰(zhàn)勝, 王 亮, 陳紅凱

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

煤炭作為中國主要的基礎(chǔ)能源，其長期的高強度開采在為國家供應(yīng)保障能力的同時，也衍生出一系列的生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)，如水源流失、瓦斯排放和地表沉陷等[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，煤炭井工開采時，每采出萬噸原煤，地表產(chǎn)生0.2～0.33 hm2的沉陷面積，現(xiàn)已形成約200×104hm2的塌陷盆地，并以每年約7×104hm2的速度增加，預(yù)計到2030年，全國累計的采煤沉陷面積將達(dá)300×104hm2[3]。近年來，伴隨著資源型城鎮(zhèn)的轉(zhuǎn)型擴張與交通運輸網(wǎng)的逐步加密，建筑、鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施需占用大量土地資源，不可避免地建設(shè)在采煤塌陷區(qū)上方。實踐經(jīng)驗表明，部分采空區(qū)是不穩(wěn)定的，其突發(fā)性的垮塌將影響上覆建(構(gòu))筑物的安全運營，甚至威脅生命財產(chǎn)安全，2017年3月新疆烏魯木齊水磨溝區(qū)八道灣煤礦一采空區(qū)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(qū)上方建設(shè)建(構(gòu))筑物一定是高風(fēng)險、不可行的，這與其下伏采空區(qū)的覆巖賦存狀態(tài)密切相關(guān)。中國已有非常多的在煤礦采空區(qū)上方建設(shè)建(構(gòu))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(qū)，河南武云高速公路穿越古漢山與吳村采煤塌陷區(qū)，某光伏發(fā)電匯集站建設(shè)在采空區(qū)上方等[5-7]。因此，在采空區(qū)上方新建任意工程之初，查明其下伏采空區(qū)的空間分布、分析其覆巖破壞高度與賦存狀態(tài)，對于地基處治與基礎(chǔ)設(shè)計尤為重要。

圍繞著采空區(qū)的覆巖賦存狀態(tài)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(shè)與壓煤開采規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)中給出了分層開采厚度不超過3 m時的導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗計算公式[8]。許家林等[9]提出了基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度計算方法，并通過現(xiàn)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(guān)聯(lián)、遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立了導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度預(yù)測的智能學(xué)習(xí)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(qū)的精細(xì)探測。邢延團[12]采用現(xiàn)場鉆探的方式揭示了亭南煤礦二盤區(qū)巨厚洛河組下煤層開采后的的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，該結(jié)果與基于關(guān)鍵層位置的理論值基本一致，驗證了基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)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(qū)，為四采區(qū)正常安全開采提供了有力依據(jù)。王小寧等[14]利用反射波地震法勘探了武云高速采空區(qū)路段下伏淺部地層的賦存狀態(tài)，勘探結(jié)果與資料分析結(jié)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(qū)。

通過梳理當(dāng)前的研究成果可知，理論分析、地球物理勘探和現(xiàn)場鉆探是查明采空區(qū)覆巖賦存狀態(tài)的主要手段，其中理論分析略顯復(fù)雜，且部分經(jīng)驗公式與真實值偏差較大，難以為工程所用；現(xiàn)場鉆探最為直觀有效，但費用昂虧，且只能實現(xiàn)單點的精準(zhǔn)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(fù)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(qū)覆巖賦存狀態(tài)。因此，以澠欒高速采空區(qū)路段為例，采用理論分析與現(xiàn)場鉆探分析采空區(qū)深部的覆巖破壞高度，利用高密度電法探查采空區(qū)淺部地層擾動狀態(tài)，進而揭示研究區(qū)域路段下伏采空區(qū)覆巖的賦存狀態(tài)。

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(jīng)洛陽市宜陽縣西、洛寧縣東、嵩縣西，在欒川縣潭頭鎮(zhèn)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(xiàn)代城鎮(zhèn)體系整體規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)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(qū)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(chǎn)150×104t，目前仍然是生產(chǎn)礦井，為一構(gòu)造較簡單、水文地質(zhì)類型中等的高瓦斯礦井，采用一對立井雙水平盤區(qū)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(jù)資料收集、現(xiàn)場調(diào)研和采掘工程圖綜合分析可知，當(dāng)前路線走廊在千秋煤礦采空區(qū)和儲煤區(qū)通過，如圖1所示。

圖1 澠欒高速下伏采空區(qū)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(qū)上方，K7+760～K8+150位于儲煤區(qū)上方，而路線走廊兩側(cè)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(guān)閉。結(jié)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(xì)信息如表1所示。

表1 澠欒高速采空區(qū)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(qū)覆巖破壞高度分析

2.1 分析方法

在路線K5+600處附近布設(shè)ZK5600探測鉆孔，為滿足鉆孔探測下伏采空區(qū)覆巖破壞高度的需求，鉆孔需貫穿采空區(qū)，直至煤層底板。通過分析巖芯形狀特征，確認(rèn)鉆孔已鉆穿本區(qū)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(jié)果顯示，在孔深0～153 m范圍內(nèi)，覆巖完整性好，進尺較平穩(wěn)，耗水量小，取芯率較高；在孔深153～199.5 m范圍內(nèi)，覆巖較破碎，完整性差，無顯著掉鉆發(fā)生，有漏水現(xiàn)象，曾發(fā)生過埋鉆事故；在孔深199.5～207.3 m范圍內(nèi)，鉆進明顯加快，鉆進充填物后嚴(yán)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(fù)掃孔后，情況類似，漏水情況嚴(yán)重，取芯率不足20%；在孔深199.5～207.3 m范圍內(nèi)，覆巖為完整性炭質(zhì)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F(xiàn)ig.2 Part of the core photos during the drilling process

依據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-03—2011)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[16]，冒落帶的判定依據(jù)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(fēng)；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(jù)為：①突然嚴(yán)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(fēng)現(xiàn)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(jù)為：①全孔返水；②無耗水量或耗水量??；③取芯率大于75%；④進尺平穩(wěn)；⑤開采礦層巖芯完整、無漏水現(xiàn)象。綜合判定此處下伏導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度為54.3 m。

《規(guī)范》中給出了覆巖巖性為中硬類別時導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度經(jīng)驗計算公式[8]，即

(1)

式(1)中：H為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)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(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度約為26.00 m，該值與上述現(xiàn)場鉆探結(jié)果差異較大(表2)，也就是說，該經(jīng)驗公式在此并不適用。這主要是由于《規(guī)范》中的經(jīng)驗公式僅概化了覆巖整體巖性，且未能考慮覆巖結(jié)構(gòu)特征影響所導(dǎo)致的[9]。

表2 導(dǎo)水裂隙帶高度理論計算結(jié)果Table 2 Theoretical calculation result of the height of the water conduction fracture zone

研究表明導(dǎo)水裂隙帶高度與關(guān)鍵層的位置密切相關(guān)，當(dāng)主關(guān)鍵層與開采煤層的距離小于(7～10)M時，導(dǎo)水裂隙帶將發(fā)育至基巖頂部；當(dāng)主關(guān)鍵層與開采煤層的距離大于(7～10)M時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度將受亞關(guān)鍵層位置的影響，發(fā)育至(7～10)M上方最近的關(guān)鍵層底部[9]?；诟矌r關(guān)鍵層位置的判別理論[17]，判別此處關(guān)鍵層位置的結(jié)果如表3所示。由表3可知覆巖主關(guān)鍵層與開采煤層的距離大于(7～10)M，依據(jù)上述理論可得導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為51.50 m，該值與上述現(xiàn)場鉆探結(jié)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(qū)的覆巖破壞高度。

表3 ZK5600鉆孔關(guān)鍵層位置判別結(jié)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(zhì)資料分析可知，路段沿線區(qū)域地質(zhì)構(gòu)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(qū)域路段覆巖破壞縱斷面簡圖，如圖3所示。同時，由上述內(nèi)容可知，研究區(qū)域采空區(qū)煤層開采厚度普遍大于3 m，也就是說，基于關(guān)鍵層位置的理論方法更適合于分析本區(qū)覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度。結(jié)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(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，如表4所示。

表4 澠欒高速采空區(qū)路段沿線覆巖導(dǎo)水裂隙帶發(fā)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(qū)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(tài)勘探

為進一步分析研究路段下伏覆巖淺層的賦存狀態(tài)，采用高密度電法進行現(xiàn)場探查。高密度電法勘探是以巖石的電性差異為物理基礎(chǔ)，通過研究人工電場作用下介質(zhì)導(dǎo)電流的分布規(guī)律，探測一定深度范圍內(nèi)不同電性地質(zhì)體引起的異常特征，從而達(dá)到地質(zhì)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(qū)探測中發(fā)揮著重要作用[11]，當(dāng)采空區(qū)不充水或砂礫石時，呈現(xiàn)高阻反應(yīng)，當(dāng)采空區(qū)充水或砂礫石時，呈低阻反應(yīng)。正是由于采空區(qū)與圍巖存在明顯的電阻率差異，為高密度電法探測采用區(qū)提供了物理前提條件。

本次勘探沿線路走廊布設(shè)，選用重慶地質(zhì)儀器廠研制的DUK-2A高密度電法測量系統(tǒng)，采用溫納裝置α排列，電極距為5 m，供電電壓200 V，連續(xù)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?？v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(nèi)電阻率呈現(xiàn)出局部高阻，明顯高于兩側(cè)電阻率，結(jié)合地質(zhì)采礦資料進行分析，推測該高阻應(yīng)為老采空區(qū)的反映；在K5+250～ K6+230路段下方淺層電阻表現(xiàn)出橫向不均勻變化，該現(xiàn)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(nèi)，電阻率連續(xù)性較好，沒有明顯的異常擾動，說明此區(qū)域覆巖較完整，成層性好，等值線的波動說明本區(qū)發(fā)生過整體性的開采沉陷，但在沉降過程中未發(fā)生過明顯的層位錯動。由此可知，該物探結(jié)果與前文采空區(qū)覆巖破壞高度的分析結(jié)論相呼應(yīng)。

圖4 澠欒高速采空區(qū)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(qū)路段處治對策

考慮到采空區(qū)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(qū)路段加以處治。結(jié)合前文覆巖破壞高度與淺部地層賦存狀態(tài)的研究結(jié)果可知，僅K4+790～K5+070路段的采空區(qū)位于地表下方10～20 m范圍內(nèi)，其余路段的采空區(qū)賦存深度均超過100 m。依據(jù)中外有關(guān)采空區(qū)上方高速公路建設(shè)的成功案例和本區(qū)的實際地質(zhì)采礦條件，提出如下處治對策：①路基設(shè)計建議采用加鋪土工材料的特殊路基，不做特殊路面設(shè)計；②強化防排水設(shè)計，結(jié)構(gòu)物選型時宜采用整體性好，易維護結(jié)構(gòu)形式；③施工中如發(fā)現(xiàn)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(yán)格落實禁采，以避免二次采動形成新的采空區(qū)；⑤預(yù)留一定維護費用用于采空區(qū)病害專項治理。

5 結(jié)論

(1)在線路K5+680附近布設(shè)鉆孔ZK5600探測此處下伏覆巖破壞高度，約為54.3 m，該值與《規(guī)范》中經(jīng)驗公式的計算結(jié)果差異較大，但與基于關(guān)鍵層位置的理論分析結(jié)果基本一致，表明該法更適用于分析本區(qū)的覆巖破壞高度，并采用該法分析得出澠欒高速采空區(qū)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(tài)，其中在K4+790～K5+040路段下方10～20 m范圍內(nèi)電阻率呈現(xiàn)出局部高阻，推測該高阻應(yīng)為老采空區(qū)的反映，而其余路段下方50 m范圍內(nèi)電阻率未見明顯異常擾動。該物探結(jié)果與理論分析結(jié)果相呼應(yīng)。

(3)結(jié)合路線下伏覆巖賦存狀態(tài)與實際地質(zhì)采礦條件，提出了澠欒高速采空區(qū)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(qū)覆巖破壞高度是以點為基礎(chǔ)，基于一定地質(zhì)條件假設(shè)均勻插值獲取的，可能會與實際情況有所差別，建議還應(yīng)對此區(qū)域配套長期的變形監(jiān)測，以便發(fā)現(xiàn)問題及時處理。