斜孔勘探技術在西渝高速鐵路采空區勘察中的應用

李 欣 李成龍 杜宇本 陳 亮

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 成都 610031)

采空區勘察是鐵路工程地質選線的重要組成部分。采空區具有隱蔽性強、既有資料準確性參差不齊等特點，特別是已關閉的礦井采空區，因無法實施井下巷道實測，需輔助一定的鉆探工作予以驗證。

西渝高速鐵路東線工程自既有萬州北站引出后，向北穿越鐵峰山背斜。區內大、小煤礦眾多，開采歷史悠久，多數礦井因資源枯竭或國家產業政策調整需要等原因已關閉，遺留大范圍采空區。現有收集資料顯示，各采空區大部分已聯通，僅局部留有通道。鐵峰山隧道為長大巖溶隧道，加之隧道進出口不良地質發育等諸多不利因素，本段鐵路選線一度陷入困境。

經反復商討論證，擬定了本段選線原則為：

(1)確保線路標高以下50 m以外沒有采空區。

(2)在充分認識巖溶風險的基礎上，選擇相對有利的線路標高大角度短距離穿越巖溶地層[2]。

(3)繞避極難處理的重大不良地質體，選擇相對有利的隧道口。

在收集礦區資料和詳細地質調繪的基礎上，最終篩選出的可行線路方案為：平面上穿越橋溝煤礦資料顯示的煤層薄化區域，本段線路標高控制在+350 m左右。本方案的進出口條件及巖溶水條件都較好，方案成立與否的關鍵在于驗證“線路穿越段落煤層薄化”“線路下方沒有采空區”。

1 工程及地質概況

1.1 工程概況

西渝高速鐵路(西安—重慶高速鐵路)是西三角(重慶、西安、成都)環形高速鐵路通道的一部分，是國家《中長期鐵路網規劃》 “八縱八橫”中包(銀)海通道的重要組成部分，也是《“十三五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》十條縱向綜合運輸通道包頭至防城港的一部分。該線自安康引出后，西線經達州至重慶，東線經開州至萬州與規劃的渝萬高速鐵路相接。正線建筑長度489.467 km(不含北碚南至童家溪/蔡家聯絡線長度10.977 km，改建既有襄渝貨車線8.733 km)，其中陜西省境內建筑長度79.7 km，重慶市境內建筑長度189.109 km，四川省境內建筑長度220.658 km。新建車站9個，正線橋梁288座(長121.116 km)，隧道90座(長291.641 km)。橋隧總長412.757 km，占正線建筑長度的84.33%。

1.2 地質構造及地形地貌

鐵峰山背斜屬于川東褶皺帶，為區域褶皺。該背斜南西端起自雷家坪，經大埡口至高陽鎮為北50°～70°東，到云安廠為近東西向。在三疊系中統巴東組內消失，背斜全長114 km，軸線呈凸向北北西之弧形，軸部地層為三疊系中統巴東組，兩翼由三疊系上統及侏羅系中、下統組成。軸向N64°E,軸面近直立。背斜核部較緊湊，南東翼較陡，傾角約70°，并直立倒轉；北西翼略緩，傾角25°左右，局部較陡°，為一不對稱背斜[3]。地貌形態屬低山丘陵地貌，主要受構造、巖性控制，丘槽相間，地形波狀起伏，背斜核部出露地層表現為“一山三嶺二槽”的奇觀。可溶巖與非可溶巖相間，平行構造線呈條帶狀展布。

1.3 地層巖性

2 勘探目的及勘探點布置

橋溝煤礦主采煤層為正煤、礦煤。其中正煤位于三疊系上統須家河組五段底部，礦煤位于須家河組三段上部。橋溝煤礦資料顯示，這兩層煤均在鐵路擬選線位附近薄化，未進行開采[5]。

為驗證資料的準確性，地質專業人員將直井鉆探方案與斜孔鉆探進行了比較，在位置選擇上，直井鉆孔不如斜孔靈活，本次勘探選定的鉆孔位置、地形和交通條件均較差，鉆機就位難度很大。結合既有資料及外業調繪成果，鉆孔孔位附近巖層產狀真傾角已超過70°。根據既有的勘察經驗，即便不考慮成本，鉆機能夠就位，在巖層傾角大于60°的陡傾地區，直井鉆進也存在一定困難，而斜孔鉆探更加具有優勢[6]。在陡傾巖層中，直井鉆進遇到上覆軟巖、下伏硬質巖的界面時，鉆孔易順巖層傾斜，鉆進地層假厚增加，孔深急劇加大，勘探成本增加，施工周期加長[7]。

因此，本次勘察嘗試采用斜孔勘探，結合線路走向、巖層及巖層產狀、探煤位置，勘探點布置如表1所示。

表1 橋溝煤礦采空驗證孔勘探點布置表

3 鉆孔設計主要技術要求及施工工藝

3.1 鉆孔設計主要技術要求

(1)鉆孔深度需根據實測孔口標高進行調整，并由地質技術人員根據線路設計標高、揭示巖層層位情況最終確定。嚴禁擅自挪動鉆孔位置。

(2)鉆探過程中，須采用有效的施鉆方法和采芯，控制回次進尺，不得超管鉆進，保證各層段和關鍵部位的巖心采取率[8]。

(3)及時校正孔深和斜孔角度，每鉆進50 m必須校正孔深和斜孔角度1次，確保孔深誤差不超過0.2%，并保證各類測試儀器順利下入井內，達到測試目的。開鉆前應充分考慮鉆桿、鉆頭等因自重引起的孔斜角度誤差，采取一定方案確保探到需要的煤層位置[9]。

(4)對于破碎地層，須采用單動雙管取芯，并認真檢查各部件的轉動靈活性和間隙合規性。

3.2 施工工藝

3.2.1 鉆頭的選擇

根據本工點巖石較硬、研磨性強的特點以及既有勘察施工方面的經驗，擬全部選用普通硬質合金鉆頭和金剛石鉆頭。其主打鉆頭選型如表2所示。

表2 主打鉆頭性能參數表

3.2.2 鉆進參數

根據巖石性質、鉆頭類型、鉆進深度、沖洗液類型綜合確定鉆進參數，兩孔鉆進參數如表3所示。

表3 鉆孔鉆進主要參數表

4 勘探過程簡述

4.1 CZ-QGS斜-01號鉆孔勘探過程簡述

CZ-QGS斜-01號鉆孔開孔前，地質調繪發現地表地層產狀傾向與區域產狀相反，在大范圍地表調繪和分析區域地質及煤礦閉坑資料后，推斷該處地表發育一小型褶曲，但該處深部地層產狀應與區域整體產狀傾向相符。鉆探機組按設計方位角及傾角開孔，并安排了專人密切關注鉆探過程，最終鉆探結果與地勘項目部推斷大體相符。該孔在168.5 m深度進入了含煤地層須家河組五段(T3xj5)，在229.1 m深度揭示到了須家河五段中的正煤煤層，煤層真厚度僅有約5 cm，完全不具備開采價值。在373.3 m深度進入了含煤地層須家河組三段(T3xj3)，在391.4 m深度打穿該段，進入了須家河二段(T3xj2)，須家河組三段巖芯中未發現明確的礦煤煤層，推測其已薄化尖滅。鉆進至418.4 m，確保進入了須家河二段(T3xj2)之后終孔。全孔所揭示的煤層均薄化，未發現采空區。

4.2 CZ-QGS斜-02號鉆孔勘探過程簡述

CZ-QGS斜-02號鉆孔開孔前，地質調繪結果顯示，孔位處地層巖性、巖層產狀與附近區域地質及煤礦閉坑資料吻合，鉆探機組按設計方位角及傾角開孔。該孔在325.5 m深度進入了含煤地層須家河組五段(T3xj5)，在370.7 m深度揭示到了須家河五段中的正煤煤層，煤層真厚度僅約6 cm，完全不具備開采價值。鉆進至385 m，確保進入了須家河四段(T3xj4)之后終孔。全孔所揭示的煤層均薄化，未發現采空區。

4.3 勘探資料對比整理

兩個鉆孔勘探過程中，技術人員不斷對兩個孔的編錄資料進行比對，兩孔地層巖芯層位能夠相互對應，進一步驗證了編錄資料的合理性。鉆孔結束后進行了物探測井，物探曲線分析亦與鉆探編錄結論總體相符。根據鉆孔資料填繪的地質斷面如圖1所示。

圖1 地質斷面示意圖

5 結束語

斜孔勘探作為冶金、煤礦及油氣等資源勘察企業帶頭應用的新興技術，在陡傾巖層的勘察中，可與產狀傾向大角度相交針對性布置鉆孔，且相同孔深可揭示更多地層以相互印證，具有明顯的靶向勘察優勢。同時其孔位選擇相對靈活，利于克服勘察過程中孔位地形與交通不便的困難，節約搬遷、賠償等輔助費用。但其在高速鐵路采空區勘探中應用較少。

本次西渝高速鐵路鐵峰山越嶺段的勘探在充分分析現有地質資料和進行詳細地質調繪的基礎上，布置了斜孔勘探對采空區情況進行驗證，為線路走向及標高選擇提供了明確的依據，起到了良好的效果。與此同時，本次勘察實踐的經驗也可為日后采空區、巖溶、斷裂、蝕變帶、重要巖層界面、物探異常區驗證等勘探工作提供技術儲備。