李太啟

(安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 宿州234011)

采空區(qū)探測是獲得采空區(qū)覆巖破壞基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要手段，也是合理開發(fā)利用采空區(qū)上方土地的必要條件，對采空區(qū)上方土地的二次利用具有十分重要的意義。目前，采空區(qū)探測技術(shù)多種多樣，究其根本主要分為鉆孔探測技術(shù)和地球物理探測技術(shù)兩大類，在我國鉆孔探測技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，在條件允許時，通常采用鉆探為主、物探為輔、相互驗(yàn)證的原則［1-3］。地球物理探測技術(shù)較鉆孔探測技術(shù)雖有信息量大、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，但其往往只能限于定性分析的層面，為保證精確度必須結(jié)合必要的鉆探工程，通常在地質(zhì)采礦資料充足、采空區(qū)范圍較小的情況下，對采空區(qū)的探測可只對可疑關(guān)鍵部位進(jìn)行鉆探分析就能達(dá)到理想效果。本研究主要分析鉆孔探測技術(shù)中鉆孔沖洗液漏失量觀測法(以下簡稱“鉆孔沖洗液法”)和鉆孔電視探測技術(shù)相互組合在采空區(qū)探測中的應(yīng)用。

1 工程概況

擬建廠區(qū)位于多煤層采空區(qū)上方，礦井已停采多年，采空區(qū)冒落沉降已基本完成，但在內(nèi)、外因素的作用下采空區(qū)仍有“活化”可能［4-6］。地下除采空區(qū)外還有多條羽狀小斷層存在，經(jīng)分析其存在不會給項(xiàng)目的建設(shè)帶來較大影響，故可不考慮。

擬建廠區(qū)停采后曾進(jìn)行過常規(guī)巖土勘察，勘察深度只有35 m 左右，缺少深部巖層資料?？紤]到本項(xiàng)目建筑物載荷較大，對地基穩(wěn)定性要求較高，故建設(shè)施工前必須進(jìn)行工程勘察，準(zhǔn)確把握地下巖層巖性及采空區(qū)“三帶”分布情況，進(jìn)而進(jìn)行地基穩(wěn)定性評估。

2 沖洗液法+鉆孔電視在探測中的適用性

鉆孔沖洗液法是老采空區(qū)探測中最常用的手段，它是通過測定在施工過程中沖洗介質(zhì)的漏失量、鉆進(jìn)情況、速度以及鉆孔水位、吸風(fēng)等資料來確定采空區(qū)覆巖破壞情況的方法，具有操作簡單、實(shí)用可靠等優(yōu)點(diǎn)，但在原巖裂隙比較發(fā)育的區(qū)域較難獲得有效數(shù)據(jù)，另外在觀測時間點(diǎn)的把握上要求高。鉆孔電視探測技術(shù)是近些年來發(fā)展起來的一種較為直觀、實(shí)用的探測技術(shù)，在觀測煤層上覆巖層的完整性和原生裂隙的發(fā)育特征、受采動巖體裂縫帶內(nèi)巖層的裂縫發(fā)育寬度、連通情況，巖體破碎狀況和垮落巖塊的分布等方面應(yīng)用較為廣泛［7-8］。將二者相結(jié)合起來可以提高采空區(qū)及其覆巖探測的精確性和可判讀性。

本項(xiàng)目地質(zhì)采礦資料較為完整，鄰近礦區(qū)近年有過施工經(jīng)驗(yàn)，故在選擇勘察方法時有一定的針對性。擬建廠區(qū)下方為多煤層開采，在進(jìn)行地基穩(wěn)定性分析時主要考慮建筑荷載傳遞深度是否與導(dǎo)水裂隙帶高度充分接觸，故導(dǎo)水裂隙帶高度的確定尤為重要［9-11］。經(jīng)分析，運(yùn)用鉆孔沖洗液法結(jié)合鉆孔電視探測技術(shù)可以為分析確定采空區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶高度，特別是垮落帶的發(fā)育高度提供對比依據(jù)，從而大大提高準(zhǔn)確度和精度。故本項(xiàng)目選用鉆孔沖洗液觀測法+鉆孔電視較為合適。

3 勘察孔布置

考慮到多層采空區(qū)的埋深比較大，且生產(chǎn)車間與綜合樓的靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷均較大，故本次設(shè)計勘察孔的位置主要布置在主廠房區(qū)的主要建構(gòu)筑物區(qū)域。簡易車棚與食堂(臨時)均為普通鋼結(jié)構(gòu)，對地表變形適應(yīng)能力較強(qiáng)，故不做勘察。根據(jù)地質(zhì)采礦資料，結(jié)合擬建的主廠房區(qū)的主要建構(gòu)筑物位置，共布置了7 個勘察孔，見圖1。其中一車間2 個(1、2 號勘察孔)，二車間2 個(3、4 號勘察孔)，綜合樓2 個(5、6號勘察孔)，水塔區(qū)域1 個(7 號勘察孔)。

4 勘察結(jié)果分析

4.1 勘察孔鉆進(jìn)及沖洗液漏失情況分析

各個勘察孔對應(yīng)區(qū)域煤層開采情況不一樣，在鉆探時通過施工情況可對搜集的相關(guān)地質(zhì)采礦資料進(jìn)行驗(yàn)證，在鉆探施工中勘察孔最終深度為采空區(qū)底板以下3 m 左右。

圖1 勘察孔與建筑物相對位置簡圖Fig.1 The relative position of exploration holes and buildings

勘察工程于2010 年5 月17 日組織施工隊(duì)伍進(jìn)場安裝，10 月23 日首臺鉆機(jī)開孔，到5 月24 日7 臺鉆機(jī)相繼開孔作業(yè)，2010 年6 月15 日工程結(jié)束，施工總工期30 d，鉆孔總工期22 d。下面對各個鉆孔施工過程中沖洗液的漏失情況以及施工資料進(jìn)行分析。

1 號孔終孔深度為252.00 m，設(shè)計深度275.00 m。按照設(shè)計要求采用取芯鉆進(jìn)，該孔施工到147.17 m 時沖洗液完全消耗，當(dāng)鉆至213.00 m 時鉆進(jìn)速度突然加快，經(jīng)判斷已經(jīng)進(jìn)入冒落松散地帶，后經(jīng)突擊鉆至220.00 m. 實(shí)際取芯率為93.93%。為確保施工安全，在征得設(shè)計單位同意的情況下，在210.62 m以下采取無芯鉆進(jìn)至252 m。后由于孔內(nèi)坍塌嚴(yán)重，險些造成卡鉆事故被迫停鉆。

2 號孔終孔深度為240.47 m，設(shè)計深度290.00 m。按設(shè)計要求采用無芯鉆進(jìn)，該孔施工到孔深145.60 m 時沖洗液完全消耗，使用清水鉆進(jìn)至240.47 m 時，由于孔內(nèi)坍塌嚴(yán)重，不得已而停鉆。后經(jīng)取樣分析已進(jìn)入采空區(qū)，在140.00 m 左右孔口開始出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，孔內(nèi)無水位。

3 號孔按設(shè)計要求為取芯鉆孔，終孔深度為230.00 m，達(dá)到了設(shè)計深度。其中209.99 m 至230.00 m 為無芯鉆進(jìn)。從孔深170.00 m 開始沖洗液完全消耗且孔口出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，觀測不到水位。該孔細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖所占比例為52.41%，從巖性特征分析，5#煤頂部粗砂巖表層一經(jīng)鉆穿下部巖石即顯破碎，且伴隨大漏水現(xiàn)象發(fā)生，對應(yīng)深度在170 m 左右。該孔按照設(shè)計為取芯孔，實(shí)際取芯率為83.98%。為確保施工安全，在爭得設(shè)計單位同意的情況下，在209.99 m 以下采取無芯鉆進(jìn)至終孔深度。

4 號孔終孔深度為288.35 m，設(shè)計深度為295.00 m，當(dāng)鉆至210.00 m 時鉆進(jìn)速度突然加快，判斷進(jìn)入松散地帶(該區(qū)間內(nèi)已取樣證實(shí))，突擊鉆進(jìn)至288.35 m 時出現(xiàn)卡鉆跡象，被迫停鉆。該孔在120.00 m 處即開始大漏水，是當(dāng)前所有鉆孔中漏水最早的一個，且坍塌段高也是最大的。

5 號孔設(shè)計深度為270.00 m，終孔深度為270.00 m。施工過程中進(jìn)尺正常，未出現(xiàn)沖洗液大量漏失的現(xiàn)象。

6 號孔設(shè)計深度295.00 m，終孔深度為280.00 m。按照設(shè)計要求采用取芯鉆進(jìn)，該孔施工到144.00 m 時沖洗液完全消耗，當(dāng)鉆至215.00 m 時鉆進(jìn)速度突然加快，經(jīng)判斷已經(jīng)進(jìn)入松散地帶，突擊鉆至220.00 m。該孔按照設(shè)計為取芯孔，實(shí)際取芯率為82.51%。為確保施工安全，在爭得設(shè)計單位同意的情況下，在210.62 m 以下采取無芯鉆進(jìn)至終孔深度。

7 號孔終孔深度為310.00 m，設(shè)計深度310.00 m，完成了設(shè)計要求。按照設(shè)計要求采用取芯鉆進(jìn)，該孔施工到約157.00 m 時沖洗液基本全部漏失，159.00 m 時有輕微返水現(xiàn)象，但未見軟。該孔按照設(shè)計要求為取芯孔，實(shí)際取芯率為87.44%。為確保施工安全，在爭得設(shè)計單位同意的情況下，在213.35 m 以下采取無芯鉆進(jìn)至設(shè)計孔深。

各孔漏水點(diǎn)位置與見軟情況統(tǒng)計見表1。

表1 各孔漏水點(diǎn)位置與見軟情況統(tǒng)計Table 1 The statistical table of leakage points position and soft case

經(jīng)過對施工的各個勘察孔綜合分析初步得出如下結(jié)論:

(1)經(jīng)各鉆孔資料分析可知，風(fēng)化帶厚度約為49.63 ～37.29 m，主要取決中粗砂巖的發(fā)育厚度及埋深而定。施工的各個鉆孔均未發(fā)現(xiàn)尚未采動的完整煤層。

(2)主要漏水點(diǎn)均出現(xiàn)在對應(yīng)的5#煤頂部中粗砂巖以下，該砂巖下部發(fā)育1 層3 m 左右的泥巖及砂質(zhì)泥巖相對隔水，一經(jīng)揭露即發(fā)生大漏水現(xiàn)象。該中粗砂巖層相對較完整，各取芯鉆孔驗(yàn)證101 ～140 m段內(nèi)發(fā)育的厚層中粗砂巖4 個取芯鉆孔均取上部單塊長度超過1 m 的完整巖芯，其下部近直立裂隙較發(fā)育，疑似為進(jìn)入了導(dǎo)水裂隙帶，其對應(yīng)段距為孔深140 ～208 m。通過以上分析并結(jié)合簡易水文觀測情況，140 m 以上沖洗液的漏失與消耗應(yīng)屬原始巖石孔隙裂隙導(dǎo)水，以下屬受煤層采動形成的“導(dǎo)水裂縫帶”導(dǎo)水。各施工鉆孔普遍在208 m 左右相繼進(jìn)入冒落帶。

(3)一車間和二車間區(qū)域采空區(qū)采動程度較充分，受各煤層的采動影響冒落帶呈現(xiàn)疊加現(xiàn)象并且與原井下殘留巷道溝通良好，特別是位于一車間的1、2號孔區(qū)域，局部沖洗液完全消耗、孔內(nèi)坍塌嚴(yán)重。綜合樓與水塔區(qū)域相對于一車間與二車間采空區(qū)穩(wěn)定性較好。

4.2 鉆孔電視勘察結(jié)果分析

通過鉆孔沖洗液法對采空區(qū)及其覆巖的結(jié)構(gòu)分析有了初步的了解，為對地下巖層破壞情況有更為直觀、準(zhǔn)確的了解，在7 個觀察孔內(nèi)布置了彩色鉆孔電視觀測，部分鉆孔電視觀測結(jié)果見圖2。

圖2 部分鉆孔電視觀測結(jié)果Fig.2 Some observation results by borehole TV system

1 號和2 號勘察孔位于一車間區(qū)域，1 號孔從140 m 深度以下，巖層裂隙較發(fā)育，裂隙主要為高角度縱向裂隙，在210 m 左右發(fā)現(xiàn)有空洞存在。2 號孔在140 m 深度以上巖層較完整;自孔深145 m 深度以下，巖層裂隙較多，孔壁有淋水，孔內(nèi)無水位，240 m處有明顯空洞存在。3 號和4 號勘察孔位于二車間區(qū)域，3 號孔在孔深120 ～210 m 段，巖層有明顯的裂隙發(fā)育情況，尤其在孔深170 ～210 m 段，巖層比較破碎，巖體有垮落形態(tài)。4 號孔120 m 深度以上巖層較完整，120 m 以下巖層受煤層開采的采動影響比較大，巖體裂隙比較發(fā)育，210 m 以下破碎程度尤為嚴(yán)重。5 號和6 號勘察孔位于綜合樓區(qū)域，5 號勘察孔全孔巖層較完整，沒有明顯的裂隙發(fā)育;6 號勘察孔全孔巖層整體比較完整，只是在孔深151 m ～孔底段，局部裂隙發(fā)育，主要以單條裂隙發(fā)育為主。7 號勘察孔位于水塔區(qū)域，對7 號孔觀察可知全孔巖層較為完整，僅在304.5 ～306 m 處有少量裂隙存在。

通過以上對1 ～7 號勘察孔鉆孔電視觀測資料進(jìn)行分析，對擬建廠區(qū)老采空區(qū)上覆巖層的現(xiàn)狀以及老采空區(qū)的破壞狀況有以下認(rèn)識:①擬建廠區(qū)綜合樓(5、6 號勘察孔)和水塔(7 號勘察孔)區(qū)域下覆巖層比較完整，僅有少量裂隙且不影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;②在一車間區(qū)域140 m 深度以下，二車間區(qū)域120 m 深度以下，縱向裂隙較發(fā)育，巖層結(jié)構(gòu)整體性差，受采動影響較大;③一、二車間區(qū)域200 m 深度以下，橫向、縱向裂隙均發(fā)育，巖層破碎現(xiàn)象嚴(yán)重，211 m 深度以下可判斷為出現(xiàn)采空區(qū)，綜合分析可知此處在受內(nèi)、外因素影響下易發(fā)生失穩(wěn)變形。

5 勘查結(jié)果綜合分析

通過鉆孔沖洗液法所得資料和鉆孔電視觀測資料相互對比驗(yàn)證可知，擬建廠區(qū)一車間、二車間下方采空區(qū)及其覆巖雖經(jīng)長時間的壓實(shí)，但仍存在一定程度的裂隙、離層及松散破碎等不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其整個巖體結(jié)構(gòu)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，在施加外部載荷后有可能發(fā)生失穩(wěn)變形，從而給地表建筑物帶來安全隱患［12-13］。綜合樓與水塔區(qū)域地下采空區(qū)僅有極少部分裂隙發(fā)育，壓實(shí)性較好，采空區(qū)整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。綜合地質(zhì)采礦資料與觀測資料對擬建區(qū)域各部分裂隙發(fā)育深度進(jìn)行初步確定，如表2 所示。

表2 觀測鉆孔裂隙發(fā)育深度統(tǒng)計Table 2 The statistics of fracture development depth m

6 結(jié) 論

(1)工程實(shí)踐證明，運(yùn)用鉆孔沖洗液法和鉆孔電視相結(jié)合的方法對采空區(qū)空洞、裂隙發(fā)育特征和導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行探測分析，可以相互驗(yàn)證，減少或避免采空區(qū)探測中存在的“盲區(qū)”，提高采空區(qū)探測的判讀精度。

(2)采用鉆孔沖洗液法和鉆孔電視對采空區(qū)進(jìn)行探測時，勘察孔位置、密度、深度的確定是前期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在鉆進(jìn)過程中要注意鉆進(jìn)中的異常情況，如掉鉆、卡鉆、沖洗液的變化等，及時記錄鉆進(jìn)過程中的巖性變化，在綜合分析后利用鉆孔電視加以確認(rèn)、驗(yàn)證，才能獲得最佳的檢測效果及檢測精度。

(3)鉆孔沖洗液法+鉆孔電視雖可較準(zhǔn)確地對采空區(qū)問題進(jìn)行探測分析，但其也存在一定的局限性，其工程量較大、耗時長、費(fèi)用高，尤其是在對開采范圍大及地質(zhì)條件復(fù)雜的采空區(qū)進(jìn)行探測時顯得事倍功半，此時應(yīng)結(jié)合地球物理探測方法明確模糊點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)，然后有的放矢地進(jìn)行布孔勘察。

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