水庫下伏采空區覆巖裂隙探查與綜合防治技術

黃健豐 ，吳 璋 ，王玉濤 ，段沛然 ，李永強 ，張 浩

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤炭資源大規模開發對我國國民經濟發展有巨大的推動作用，同時引發生態環境惡化的問題也日益凸顯。據相關統計，煤礦井工開采平均每采出萬噸原煤，地表土地沉陷面積約為 0.2～0.33 hm2，我國采煤沉陷區面積累積已達200 萬hm2，按照現有開采強度預計到 2030 年將達 280 萬hm2[1-2]。隨著我國城鎮化進程的不斷加快，大型城市公共工程、能源工程和交通工程等項目常與采空區影響范圍發生沖突，采空區上覆巖層移動導致新建建筑物（構筑物）產生不均勻沉降，對其安全性構成嚴重威脅，部分采空區亟需處治[3-5]。

近年來，我國專家學者在采空區治理方面進行了大量工作，取得了一定研究成果。左建平等[6-7]通過深部基巖變形破斷移動與淺部松散層沉降有機相結合的方法，研究了上覆巖層整體移動規律，提出了充分采動條件下上覆巖層移動“類雙曲線”模型；鄧喀中等[8-9]通過分析老采空區殘余沉降機理，建立了在建筑物載荷作用下老采空區殘余下沉系數的計算方法；陳超等[10]針對我國開采沉陷區地裂縫受力形成條件進行分類，研究了邊緣裂縫和動態裂縫的發育規律及其與地質、開采條件之間的關系；杜子建等[11]基于擾動影響下巖體應力場與滲流場相互作用原理，采用 ANSYS 有限元數值分析軟件，研究了庫區下伏采空區滲流場變化規律；梁冰等[12]提出了裂隙-空隙雙重連續介質對裂隙巖體滲流場與應力場耦合的數值模型；童立元等[13-14]結合公路采動響應特征、采空區活化機制、不同開采工況條件下地表移動與變形規律的有限元數值分析，研究了公路與采空區二者之間相互作用的基本規律；陳凱等[15]通過分析老采空區對建筑物地基的穩定性影響，采用注漿法對建筑物下老采空區進行治理，取得了良好工程效果。在前人的研究基礎上，結合彬州市紅巖河水庫下伏采空區治理工程，通過鉆孔波速測試、壓水試驗，查明火石咀煤礦8712 工作面開采結束后覆巖裂隙發育特征，結合區域工程地質背景，采取“庫底防滲、采空區全充填注漿、監測治理區域移動變形”的綜合防治技術，為類似采空區治理工程提供參考。

1 工程地質背景

彬州市紅巖河水庫（在建）是以城鎮居民生活、工業生產供水和攔沙為主要用途的Ⅲ等中型水利工程。建成后能夠有效緩解城鎮供水不足、保證率低的現狀，為彬州市經濟、社會發展發揮巨大作用。通過調查，庫區淹沒線已進入火石咀煤礦8712 工作面采空區，采空區對水庫建設和蓄水運營造成安全隱患。

火石咀煤礦位于彬長礦區的東南部，地表多為第四系黃土及新近系紅土所覆蓋，具有典型的黃土溝壑地貌特征，紅巖河溝谷有白堊系下統洛河組出露。該礦采用后退式傾斜長壁一次采全高綜放開采工藝，主采煤層為侏羅系延安組4-2煤層，該煤層厚度約為 3～12 m，平均厚度為 7.1 m，埋深為 400～460 m，靠近水庫庫區處為 460 m，煤層傾角為 1°～7°，賦存較穩定，直接頂由深灰色泥巖、砂質泥巖及粉砂巖構成，煤層底板為鋁質泥巖，平均2.29 m。依據鉆孔揭露及地質填圖資料，該井田內地層由老至新依次為：三疊系上統胡家村組（T3h），侏羅系下統富縣組（J1f）、中統延安組（J2y）、直羅組（J2z）及安定組（J2a），白堊系下統宜君組（K1y）、洛河組（K1l）、華池組（K2h），上新近系（N），第四系中更新統離石組（Q2）、上更新統馬蘭組（Q3）和全新統（Q4）。

2 采空區覆巖移動模型及地表移動變形預測

2.1 采空區覆巖移動模型

煤層開采引起地表移動變形與生態環境惡化，實質是采空區上覆巖層移動伴隨一系列力學現象導致。采空區覆巖移動模型如圖1，可劃分為“橫三區”（A 為煤壁支撐影響區，B 為離層區，C 為重新壓實區）、“豎三帶”（Ⅰ為垮落帶，Ⅱ為斷裂帶，Ⅲ為彎曲下沉帶）。開采過程中巖體在礦山壓力作用下產生不同程度變形，巖體變形超過彈性變形極限時出現不規則垮落的地層區域稱為垮落帶，巖層斷裂后然排列整齊的地層區域稱為斷裂帶，自斷裂帶頂界至地表所有地層稱為彎曲下沉帶。采空區覆巖移動變形從開始到相對穩定狀態，所需時間長短不一，與地質條件、開采方式等因素密切相關，如煤層采高M、煤層傾角α、開采深度H、采煤方法和上覆巖層力學性質等。

圖1 采空區覆巖移動模型Fig.1 Overburden movement model of goaf

2.2 地表移動變形預測

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，結合該礦覆巖性質，類比鄰礦巖移觀測資料，綜合確定該礦地表殘余變形的預測參數（表1），火石咀煤礦8712 工作面開采時間為2013年12 月至2014 年底，工作面長度為209 m，推進長度2 290 m。地面變形調查表明 8712 工作面煤層開采引發地表大量地裂縫（圖2），根據概率積分法預計8712 工作面地表最大變形量。

表1 8712 工作面采空區地表變形預測模型參數Table 1 Parameters of surface deformation prediction model for goaf in 8712 working face

圖2 勘察鉆孔布設圖Fig.2 Survey drilling layout

主要影響半徑 r=H/tanβ=158.40 m。

最大下沉量值 Wmax=q·M·cosα=4 615 mm。

最大傾斜值 imax=Wmax/r=29.13 mm/m。

最大曲率值 Kmax=±1.52Wmax/r2=0.28 mm/m2。

最大水平移動值 Umax=b·Wmax=1 384.5 mm。

最大水平變形值 Kmax=±1.52Umax/r=13.29 mm/m2。

式中：H 為煤層埋深，m；M 為煤層采高，m；α 為煤層傾角，（°）；β 為主要影響角，（°）。

3 采空區覆巖裂隙發育特征現場探查

受采動影響，原巖應力狀態發生改變，覆巖的裂隙發展、巖層的整體移動都會隨著時間的推移而變化。為了充分掌握采空區覆巖裂隙真實發育特征，參照《煤礦采空區巖土工程勘察規范》，基于開采沉陷理論，結合火石咀煤礦沉陷區地形，為了保證現場實驗數據的可靠性、準確性，共布設4 個勘查鉆孔，ZK-1 位于采動影響范圍之外，觀測原始地層裂隙發育情況。ZK-2、ZK-3、ZK-4 位于采空區影響范圍內，觀測綜放開采結束后覆巖裂隙發育情況，勘察鉆孔布設如圖2。

3.1 采動巖體完整性測試

巖體完整性系數表示巖體相對于巖塊的完整程度，巖塊基本上不包含明顯的結構面，巖塊的彈性縱波波速是完整巖石的物理力學參數。為了真實反映受采動影響巖體的完整程度，對8712 工作面沉陷區進行鉆孔勘探，并進行波速測井。參照SL326-2005《水利水電工程物探規程》巖體完整程度標準（表2）。按以下公式計算巖體完整性指數：

表2 巖體完整程度表Table 2 Rock mass integrity table

式中：Kv為巖體完整性指數；Vp為受采動影響巖體的縱波速度，m/s；Vc為完整巖塊的縱波速度，m/s。

通過現場鉆孔波速測試，受采動影響巖體的最小波速3 993 m/s，最大波速4 889 m/s，平均波速4 500 m/s。根據鉆孔波速測試及巖塊波速對比，統計分析可知，在90 m 深度范圍內，ZK-1 巖體完整性為較破碎-破碎部分占28.6%；ZK-2 巖體完整性為較破碎-破碎部分占 41.6%（與ZK-1 相比，大幅增加），較破碎巖體厚度 28 m，主要分布在 19.0～25.0、40.0～45.0、51.0～58.0、63.0～70.0、74.0～77.0 m，破碎巖體厚度 9 m，主要在 10.0～19.0 m。

ZK-3 在0～170 m 深度范圍內巖體完整性為較破碎～破碎占47%，較破碎巖體厚度64 m，主要分布在 21.0～30.0、34.0～64.0、78.0～84.0、123.0～133.0 m，破碎巖體厚度 16 m，主要在 5.0～21.0 m，完整性差巖體厚度 78 m，主要分布在 30.0～34.0、64.0～73.0、84.0 ～89.0、96.0 ～102.0、133.0 ～136.0，155.0 ～170.0、198.0～220.0、236.0～239.0、244.0～255.0 m。

ZK-4 在0～170 m 深度范圍內巖體為較破碎-破碎占47.6%，較破碎巖體厚度77 m，主要分布在9.0 ～43.0、47.0 ～55.0、65.0 ～74.0、79.0 ～89.0、115.0 ～131.0 m，破碎巖體厚度 4 m，主要在 5.0～9.0 m，完整性差巖體厚度 67 m，主要分布在 43.0～47.0、55.0～65.0、74.0～79.0、89.0～92.0、97.0～115.0、131.0～140.0、144.0～156.0、162.0～168.0 m。由此可知，受采動影響，上覆巖體移動變形，完整性降低，與采空區距離越近，巖體的破碎程度大幅提高，產生新的裂 隙，巖體完整性下降，巖體完整性分布如圖3。

圖3 巖體完整性分布Fig.3 Rock mass integrity distribution

3.2 鉆孔壓水試驗

圖4 鉆孔透水率統計圖（1 Lu=1 L/（m·MPa·min））Fig.4 Drilling water permeability statistics chart

壓水試驗，是一種在鉆孔中進行的原位滲透試驗。筆者通過在實際水壓力作用下檢測巖體的透水能力，進一步明確采場覆巖采動裂隙的發育特征。依據鉆孔地質因素，結合試驗條件對鉆孔ZK-1、ZK-2、ZK-3 和ZK-4 共計進行了161 段壓水試驗。ZK-1 位于開采沉陷范圍以外，對分析采空區覆巖裂隙發育起參照作用，數鉆孔透水率統計圖如圖4。

90 m 深度范圍內，ZK-1 的透水率均不超過20 Lu，說明原始地層穩定，裂隙不發育；ZK-2 透水率介于 40～50 Lu 巖體厚度為 18.2 m，占全孔的20.4%，主要分布在 12.2～26.1、55.4～59.7 m。0～90 m 深度范圍內，ZK-3 透水率大于 30 Lu 占 59.2%，90～170 m 深度范圍內，ZK-3 透水率大于30 Lu 占47%，介于20～30 Lu 巖體厚度為 32.6 m，占 13.2%，主要分布在 58.8～64.1、128.1～133.1、200.8～223.1 m；ZK-4 在170 m 深度范圍內透水率介于30～40 Lu 巖體厚度為 72.4 m，占 41.6%，主要分布在 6.9～12.2、16.4～21.7、25.9～40.7、44.9～54.4、64.5～74、78.0～92.4、102.5～106.7、116.7～121.5、130.8～135.6 m。

對現場鉆孔161 段壓水實驗數據進行了統計分析，巖體滲透性如圖5。同一地層的透水率，ZK-2 比ZK-1 增大 0.5～19.9 倍，平均提高 5.04 倍；ZK-3 比ZK-1 增大 0.03～24.5 倍，平均提高了 5.20 倍；ZK-4比 ZK-1 增大 1.08～29.3 倍，平均提高了 7.2 倍。根據試驗結果統計表明，采動巖體透水率整體平均提高5.82 倍。上述分析表明，巖體滲透性受采動影響較大， 影響范圍內采場上覆巖體節理裂隙發育明顯增強。

圖5 巖體滲透性對比Fig.5 Rock mass permeability comparison

3.3 采空區覆巖裂隙發育特征

基于開采損害理論，開采沉陷區裂隙主要分為邊緣裂隙和動態裂隙。邊緣裂隙一般位于開采工作面的邊緣區域，以“帶狀”、“O”形圈的形態分布在開采工作面的邊緣；動態裂隙則位于工作面上覆巖層中，并隨著工作面的推進不斷產生和閉合。大規模高強度煤層開采后上覆巖層移動變形，采空區邊緣處整體呈漏斗狀，結合火石咀煤礦和鄰礦開采資料，確定8712 工作面巖層移動角為70°，黃土層移動角為45°。現場波速測試和壓水實驗數據分析表明：巖體完整性指數和透水率存在較好對應關系，兩者相互驗證。通過對比采動巖體裂隙擴展、完整性及滲透性變化情況，鉆孔 ZK-2（52.4～69.8 m）完整性為較破碎，透水性大于 40 Lu，ZK-3（200～223.6 m）完整性為較破碎，透水率為20～30 Lu。基于開采沉陷理論，煤層開采后，采空區邊緣呈“漏斗”狀，結合現場試驗數據分析，火石咀煤礦 8712 工作面采空區邊緣處已形成水平寬度約 60 m 的張拉裂隙帶，拉張裂隙帶邊緣為鉆孔 ZK-2（52.4～69.8 m）、ZK-3（200～223.6 m）條帶形成的連線，拉張斷裂帶整體上呈帶狀分布。

煤層開采后，在上覆巖層移動變形逐步向地表傳遞的過程中，垮落帶重新壓實，上覆巖層產生新的裂隙，巖體強度受到不同程度損傷，滲透性明顯增強，在采空區影響范圍內建設水庫，水體會沿著采動裂隙滲流，在采空區張拉斷裂帶形成水力通道，水體會對裂隙巖體產生滲透作用及對破碎體和充填物長期沖蝕作用，會進一步削弱裂隙體的強度，同時引起巖體應力場的改變，導致裂隙巖體的滲透變形，增大巖體的滲透性，在兩者長期相互作用下, 如不采取措施必然會對水庫長期運營產生安全威脅。

4 水庫下伏采空區綜合治理技術

波速測試和壓水實驗表明，采空區覆巖移動變形在逐步向地表傳遞的過程中，應力場、裂隙場發生改變，巖體強度受到不同程度損傷。為保障擬建水庫順利蓄水和安全運營，對庫區影響范圍內采空區垮落帶、斷裂帶及其上覆巖層裂隙進行綜合治理，以防止其進一步變形和破壞。

對采空區引起的淺層裂隙滲漏采取土工膜與黏土覆蓋相結合的治理措施，具有一定伸縮性，在采空區后續微量殘余變形時可有效阻隔水體滲漏，保障水庫蓄水安全；采空區內部采用充填注漿法，對垮落帶殘余空間和上覆巖體裂隙進行統一注漿充填，有效控制治理區域內水平位移和垂直位移。采空區治理區內按照梅花型布設內部孔（26 個），鉆孔間排距 50 m，內部孔邊緣設置帷幕孔（10 個），孔間距為25 m，施工現場共布設36 個注漿孔，采空區治理工程平面布置圖如圖6。結合鉆探過程中鉆液漏失量統計，與勘查期間裂隙發育特征有較好的對應關系，進一步證實，在上覆巖層移動變形逐步向地表傳遞的過程中，巖體內部裂隙向地表擴展。灌漿工藝采用一次成孔、自下而上、間歇性式充填注漿工藝，首先進行帷幕孔注漿，再交錯進行內部孔注漿，以便迅速封閉采空區治理范圍，防止后續孔注漿時發生漏漿和串漿。注漿材料主要為水泥粉煤灰漿液，帷幕孔注漿施工時，為了使注入漿液盡快凝固，形成帷幕，制漿時加入2%～4% 的水玻璃。通過地表布置觀測線，定期觀測采空區水平位移和垂直位移，利用檢測孔布設滲壓計和測壓管長期觀測覆巖內部水滲流變化。本次治理工程完成注漿量44 003.83 m3，有效的對水庫下伏采空區進行治理，達到了良好的工程效果。

圖6 采空區治理工程平面布置圖Fig.6 Plane layout of the goaf treatment project

5 結 論

1）煤層開采后上覆巖層移動變形最終波及地表形成開采沉陷區，本質上是覆巖損傷變形演化的過程。波速測試和壓水試驗是檢測圍巖體破壞程度、滲透性的可靠實驗方法，符合探測開采沉陷區裂隙發育的實質要求。通過現場鉆孔實測，得到了火石咀煤礦開采后覆巖滲透性能的有效數據。

2）現場實測和鉆探數據表明：8712 工作面采空區上覆巖體完整性指數和透水率存在較好對應關系，兩者相互驗證。采空區邊緣處已形成水平寬度約60 m 的張拉斷裂帶，拉張斷裂帶邊緣為鉆孔ZK-2（52.4～69.8 m）、ZK-3（200～223.6 m）條帶形成的連線，拉張斷裂帶整體上呈帶狀分布。彬長礦區綜放開采后巖體內垂直向上裂隙發育帶隨時間推移向地表繼續發展，其發展規律有待進一步研究。

3）老采空區土地重新開發利用，在進行現場鉆探基礎上，可通過波速測試、壓水試驗查明采場覆巖裂隙發育情況，根據擬建構筑物特點，有針對性的制定有效治理方案。