綜合勘探在采空區勘察中的應用

胡朝陽

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

多年來，在鐵路、公路、隧道等各類工程的建設中，采空區的問題越來越多的暴露在選線、設計、施工等各個環節。對于采空區邊界及影響范圍的確定，地基穩定性的評估，采空區處理技術方案的制定等都會影響到整個方案的選擇、優化和工程投資的估算。

采空區及塌陷區的探查是一個復雜的問題，其原因主要在于長時間的無規則開采及后期的處理不完善，這一問題造成上覆巖層破壞，規律性差，開采空洞常常欠充填或垮落巖塊壓密程度差，通常會造成沉降異常、地表突然塌陷，而塌陷發生時間和持續時間難于估計。

對于采空區勘察的處理，眾多學者做了大量的物探工作，通過數據處理和軟件反演，取得了良好的效果。在前人研究的基礎上，綜合運用了地面地質調查:調查地表變形的基礎條件和相關因素;綜合物探:采用了地震、大地電磁、瞬變電磁等物探手段;鉆探分析:結合地質調查與綜合物探，在異常點位置有針對性的布置鉆探，合理分析、優化數據結果。

2 環境地質條件

2.1 地形地貌

太中銀線山西省境內處于呂梁山地西側的低山丘陵區，是呂梁山地向黃河峽谷的延伸部分，有三川河及其支流南川河、北川河、東川河流經本區。地勢總體由東向西傾斜，上部多覆蓋有厚層黃土，由于長期水流侵蝕和切割作用，形成以黃土梁、峁和深切沖溝為主的典型黃土丘陵地貌，地形起伏較大且凌亂破碎。

2.2 地層巖性

工程區范圍內地層有新生界第四系全新統、更新統，二疊系下統，石炭系上統。現將煤系地層描述如下。

(1)石炭系上統(C3)

山西組(C3s)地層由灰、灰黑、灰黃色砂巖，砂質頁巖，頁巖及煤層組成的陸相含煤建造，底部以一層灰白色砂巖與下伏石炭系上統太原組地層分界，二者呈連續沉積。

太原組(C3t)由灰白、灰黑色砂巖，砂質頁巖，頁巖，灰巖及煤層組成的海陸交互相含煤建造，是工程區內主要含煤地層之一，厚度87～102 m，與下伏地層呈連續沉積。

(2)石炭系中統(C2)

石炭系中統本溪組(C2b)由鋁土質泥巖、頁巖、灰巖及鐵質結核層組成的海陸交互相沉積地層，厚度16～35 m，與下伏奧陶系地層呈平行不整合接觸。上部為灰白、灰黑色砂巖，頁巖，鋁土質頁巖，灰巖，局部夾煤線;下部為灰白、深灰、灰綠色含鐵鋁土質泥巖，黏土巖，鮞狀鋁土質泥巖，底部有窩狀山西式鐵礦。

2.3 地質構造與地震

工程區位于柳林單斜區，該區西起黃河，東至黃花塌、楊家港、三里灣、山灣頂，區內巖層傾角小，一般小于7°，地層平緩，褶皺少而簡單，斷層規模小，斷距不大，均產生在三迭系地層中，是燕山運動產物。

就大地構造而言，工程區處于華北地臺的山西臺背斜。中部為呂梁山斷裂隆起，西部與鄂爾多斯臺向斜的陜北拗陷(柳林單斜)接壤，東部與沁水拗陷的晉中斷裂凹陷毗鄰。構造以褶皺為主，伴隨斷裂。

根據中華人民共和國國家標準GB18306－2001《中國地震動參數區劃圖》，結合沿線地質條件分析，太中銀鐵路在呂梁地區的地震動峰值加速度為0.05g(地震基本烈度Ⅵ度)。

2.4 氣象、水文特征

工程區位于呂梁山區及晉南黃土高原，屬溫帶大陸性氣侯區。受季風環流控制，四季分明，春季干旱多風，夏季雨量集中，夏短冬長，秋季則秋高氣爽，晝夜溫差大。按對鐵路工程影響的氣候分區，線路所經地區為寒冷地區。

工程區主要位于呂梁山區以西黃河東側的黃土丘陵區，地形復雜，溝谷發育，有三川河及其支流北川河、南川河、東川河經過。地面總體以一定的坡度向西側傾斜，沖溝發育，地表徑流條件較好。礦區內河流主要為三川河及其支流，為季節性流水沖溝，均屬黃河水系，主要靠大氣降水補給，排泄方式以徑流和蒸發為主。

地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、巖溶水，主要受大氣降水補給。地下水一般埋深1～10 m。高階地及丘陵地區地下水埋藏較深，一般40～60 m，局部地段埋深大于80 m。

3 綜合勘探手段的運用

3.1 地面地質調查

地質調查做為一種以觀察研究為基礎的調查工作，在采空區及相關工程研究中起著極為重要的作用。詳細、深入的地質調查工作是物探及鉆探工作的基礎。結合本項目，采空區的調查主要從地表沉降、房屋開裂、地面塌陷等方面入手，初步分析采空區的影響范圍及程度。

3.2 綜合物探的運用

在采空塌陷的探查方面，地球物理工作的比重越來越大，也取得了很好的效果。這一方面是儀器靈敏度和信噪比有了很大的提高，另一方面數據處理技術和反演軟件日趨成熟。本項目根據工程的特性主要采用高密度地震法(6 494 m)、可控源音頻大地電磁法(1 400 m)、高頻電磁法(EH4)(1 220 m)等手段，并有針對性的根據既有收集的資料，以核對采空邊界的準確性(如圖1所示)。

圖1 物探成果解譯

3.3 鉆探分析

根據前述地質調查與物探成果的分析結論，在地表裂縫明顯及物探異常處，有目的的布置勘探孔進行驗證，以保證資料的真實有效。圖2是在地面存在裂縫，物探波速異常點所布置的鉆孔。根據鉆探揭示，地表以下41.9～46.5 m范圍內存在不同程度的采空，并且未進行后期處理。利用這種手段，在工程區范圍內進行異常點的驗證，高效準確地判定出采空區的邊界范圍及其規模，為線路的選擇及繞避提供了依據。

圖2 采空區斷面

4 結論與建議

4.1 結論

通過資料收集、調查、物探分析、鉆探驗證等各種手段的綜合評價，初步查明了采空區的影響范圍及規模，取得了很好的效果，能初步滿足線路選線、方案優化的要求。主要形成以下結論:

(1)受煤窯采空段落影響的范圍長度為1 310 m，主要涉及隧道、路基、橋梁等相關工程。

(2)勘察區所見采空為小窯采空，空洞高1.1～3.6 m。通過數據分析，本區域開采方式為方塊式或樹狀開采，采高約2 m，巷道寬度約3 m，頂板一般不支護，巷道無支撐。

(3)采空區年代久遠，且近些年的開采無規律，以點帶面的勘探手段不能查清采空的詳細情況，只能判定是否存在采空而已。

4.2 建議

本工程在實際勘察工程中，采用各種手段綜合分析，能滿足線路選線的初步需求，但在設計、施工過程中需注意以下幾點:

(1)點帶面的勘探手段不能查清采空的詳細情況，只能判定是否存在采空而已，目前勘探孔間距內不一定查明區域內全部空洞，建議采用探灌結合的方式邊勘探邊處理，注漿孔間距應在保證工程安全的前提下合理確定。

(2)開采集中的段落，注漿孔宜適當加密。

(3)注漿過程中應加強控制，遵循探灌結合原則，做好監測工作。

(4)非工程范圍內，宜設置一定數量注漿孔，鉆孔間距逐漸加大，最外一排孔為帷幕孔，且先施工帷幕孔。

(5)對于主體工程開始施工的注漿孔，注漿過程中應加強控制，做好監測工作，避免注漿壓力過大對主體工程造成不利影響。監測的側重點主要是進行建筑物變形觀測、地基反力和結構內力監測，監測采空區上方大型建筑物的運行狀態。

［1］ 邱恩喜，趙文，劉俊新．地下采空區加固范圍的數值分析與穩定性評價［J］．路基工程，2008(1)

［2］ 陳則連．煤礦采空區地表巖移對高速鐵路的影響研究［J］．鐵道工程學報，2009(4):5-8

［3］ 張強，聶群林．沙口大橋橋基的工程地質條件及評價［J］．西部探礦工程，2007，12:110-112

［4］ 何振寧．鐵路地質綜合勘探技術的應用［J］．鐵道工程學報，2005(12):448-456

［5］ 李國和，李桂芳．采空區鐵路工程地質選線研究［J］．鐵道工程學報，2012(10)

［6］ 永琦，李來喜，昌彥君．地震折射層析法在隧道圍巖松動圈測試中的應用［J］．工程地球物理學報，2004，1(5):413

［7］ 李有能．綜合物探在煤田采空區勘察中的應用［J］．物探化探計算技術，2011，33(增刊)

［8］ 張學亮．注漿法在煤礦采空區地基處理中的應用［J］．山西建筑，2007(5)