黃健豐 ，吳 璋 ，王玉濤 ，段沛然 ，李永強(qiáng) ，張 浩

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

煤炭資源大規(guī)模開發(fā)對我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有巨大的推動作用，同時(shí)引發(fā)生態(tài)環(huán)境惡化的問題也日益凸顯。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，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(qū)面積累積已達(dá)200 萬hm2，按照現(xiàn)有開采強(qiáng)度預(yù)計(jì)到 2030 年將達(dá) 280 萬hm2[1-2]。隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)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(xiàng)目常與采空區(qū)影響范圍發(fā)生沖突，采空區(qū)上覆巖層移動導(dǎo)致新建建筑物（構(gòu)筑物）產(chǎn)生不均勻沉降，對其安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，部分采空區(qū)亟需處治[3-5]。

近年來，我國專家學(xué)者在采空區(qū)治理方面進(jìn)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(jī)相結(jié)合的方法，研究了上覆巖層整體移動規(guī)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(qū)殘余沉降機(jī)理，建立了在建筑物載荷作用下老采空區(qū)殘余下沉系數(shù)的計(jì)算方法；陳超等[10]針對我國開采沉陷區(qū)地裂縫受力形成條件進(jìn)行分類，研究了邊緣裂縫和動態(tài)裂縫的發(fā)育規(guī)律及其與地質(zhì)、開采條件之間的關(guān)系；杜子建等[11]基于擾動影響下巖體應(yīng)力場與滲流場相互作用原理，采用 ANSYS 有限元數(shù)值分析軟件，研究了庫區(qū)下伏采空區(qū)滲流場變化規(guī)律；梁冰等[12]提出了裂隙-空隙雙重連續(xù)介質(zhì)對裂隙巖體滲流場與應(yīng)力場耦合的數(shù)值模型；童立元等[13-14]結(jié)合公路采動響應(yīng)特征、采空區(qū)活化機(jī)制、不同開采工況條件下地表移動與變形規(guī)律的有限元數(shù)值分析，研究了公路與采空區(qū)二者之間相互作用的基本規(guī)律；陳凱等[15]通過分析老采空區(qū)對建筑物地基的穩(wěn)定性影響，采用注漿法對建筑物下老采空區(qū)進(jìn)行治理，取得了良好工程效果。在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合彬州市紅巖河水庫下伏采空區(qū)治理工程，通過鉆孔波速測試、壓水試驗(yàn)，查明火石咀煤礦8712 工作面開采結(jié)束后覆巖裂隙發(fā)育特征，結(jié)合區(qū)域工程地質(zhì)背景，采取“庫底防滲、采空區(qū)全充填注漿、監(jiān)測治理區(qū)域移動變形”的綜合防治技術(shù)，為類似采空區(qū)治理工程提供參考。

1 工程地質(zhì)背景

彬州市紅巖河水庫（在建）是以城鎮(zhèn)居民生活、工業(yè)生產(chǎn)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(zhèn)供水不足、保證率低的現(xiàn)狀，為彬州市經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展發(fā)揮巨大作用。通過調(diào)查，庫區(qū)淹沒線已進(jìn)入火石咀煤礦8712 工作面采空區(qū)，采空區(qū)對水庫建設(shè)和蓄水運(yùn)營造成安全隱患。

火石咀煤礦位于彬長礦區(qū)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(tǒng)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(qū)處為 460 m，煤層傾角為 1°～7°，賦存較穩(wěn)定，直接頂由深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖構(gòu)成，煤層底板為鋁質(zhì)泥巖，平均2.29 m。依據(jù)鉆孔揭露及地質(zhì)填圖資料，該井田內(nèi)地層由老至新依次為：三疊系上統(tǒng)胡家村組（T3h），侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1f）、中統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）及安定組（J2a），白堊系下統(tǒng)宜君組（K1y）、洛河組（K1l）、華池組（K2h），上新近系（N），第四系中更新統(tǒng)離石組（Q2）、上更新統(tǒng)馬蘭組（Q3）和全新統(tǒng)（Q4）。

2 采空區(qū)覆巖移動模型及地表移動變形預(yù)測

2.1 采空區(qū)覆巖移動模型

煤層開采引起地表移動變形與生態(tài)環(huán)境惡化，實(shí)質(zhì)是采空區(qū)上覆巖層移動伴隨一系列力學(xué)現(xiàn)象導(dǎo)致。采空區(qū)覆巖移動模型如圖1，可劃分為“橫三區(qū)”（A 為煤壁支撐影響區(qū)，B 為離層區(qū)，C 為重新壓實(shí)區(qū)）、“豎三帶”（Ⅰ為垮落帶，Ⅱ?yàn)閿嗔褞?，Ⅲ為彎曲下沉帶）。開采過程中巖體在礦山壓力作用下產(chǎn)生不同程度變形，巖體變形超過彈性變形極限時(shí)出現(xiàn)不規(guī)則垮落的地層區(qū)域稱為垮落帶，巖層斷裂后然排列整齊的地層區(qū)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(qū)覆巖移動變形從開始到相對穩(wěn)定狀態(tài)，所需時(shí)間長短不一，與地質(zhì)條件、開采方式等因素密切相關(guān)，如煤層采高M(jìn)、煤層傾角α、開采深度H、采煤方法和上覆巖層力學(xué)性質(zhì)等。

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

2.2 地表移動變形預(yù)測

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

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

圖2 勘察鉆孔布設(shè)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(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征現(xiàn)場探查

受采動影響，原巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，覆巖的裂隙發(fā)展、巖層的整體移動都會隨著時(shí)間的推移而變化。為了充分掌握采空區(qū)覆巖裂隙真實(shí)發(fā)育特征，參照《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》，基于開采沉陷理論，結(jié)合火石咀煤礦沉陷區(qū)地形，為了保證現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性，共布設(shè)4 個(gè)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(fā)育情況。ZK-2、ZK-3、ZK-4 位于采空區(qū)影響范圍內(nèi)，觀測綜放開采結(jié)束后覆巖裂隙發(fā)育情況，勘察鉆孔布設(shè)如圖2。

3.1 采動巖體完整性測試

巖體完整性系數(shù)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(jié)構(gòu)面，巖塊的彈性縱波波速是完整巖石的物理力學(xué)參數(shù)。為了真實(shí)反映受采動影響巖體的完整程度，對8712 工作面沉陷區(qū)進(jìn)行鉆孔勘探，并進(jìn)行波速測井。參照SL326-2005《水利水電工程物探規(guī)程》巖體完整程度標(biāo)準(zhǔn)（表2）。按以下公式計(jì)算巖體完整性指數(shù)：

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(shù)；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(xiàn)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(jù)鉆孔波速測試及巖塊波速對比，統(tǒng)計(jì)分析可知，在90 m 深度范圍內(nèi)，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(nèi)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(nèi)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(qū)距離越近，巖體的破碎程度大幅提高，產(chǎn)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(yàn)

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

壓水試驗(yàn)，是一種在鉆孔中進(jìn)行的原位滲透試驗(yàn)。筆者通過在實(shí)際水壓力作用下檢測巖體的透水能力，進(jìn)一步明確采場覆巖采動裂隙的發(fā)育特征。依據(jù)鉆孔地質(zhì)因素，結(jié)合試驗(yàn)條件對鉆孔ZK-1、ZK-2、ZK-3 和ZK-4 共計(jì)進(jìn)行了161 段壓水試驗(yàn)。ZK-1 位于開采沉陷范圍以外，對分析采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育起參照作用，數(shù)鉆孔透水率統(tǒng)計(jì)圖如圖4。

90 m 深度范圍內(nèi)，ZK-1 的透水率均不超過20 Lu，說明原始地層穩(wěn)定，裂隙不發(fā)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(nèi)，ZK-3 透水率大于 30 Lu 占 59.2%，90～170 m 深度范圍內(nèi)，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(nèi)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(xiàn)場鉆孔161 段壓水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(jù)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(nèi)采場上覆巖體節(jié)理裂隙發(fā)育明顯增強(qiáng)。

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

3.3 采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育特征

基于開采損害理論，開采沉陷區(qū)裂隙主要分為邊緣裂隙和動態(tài)裂隙。邊緣裂隙一般位于開采工作面的邊緣區(qū)域，以“帶狀”、“O”形圈的形態(tài)分布在開采工作面的邊緣；動態(tài)裂隙則位于工作面上覆巖層中，并隨著工作面的推進(jìn)不斷產(chǎn)生和閉合。大規(guī)模高強(qiáng)度煤層開采后上覆巖層移動變形，采空區(qū)邊緣處整體呈漏斗狀，結(jié)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°?，F(xiàn)場波速測試和壓水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明：巖體完整性指數(shù)和透水率存在較好對應(yīng)關(guān)系，兩者相互驗(yàn)證。通過對比采動巖體裂隙擴(kuò)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?；陂_采沉陷理論，煤層開采后，采空區(qū)邊緣呈“漏斗”狀，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，火石咀煤礦 8712 工作面采空區(qū)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(shí)，上覆巖層產(chǎn)生新的裂隙，巖體強(qiáng)度受到不同程度損傷，滲透性明顯增強(qiáng)，在采空區(qū)影響范圍內(nèi)建設(shè)水庫，水體會沿著采動裂隙滲流，在采空區(qū)張拉斷裂帶形成水力通道，水體會對裂隙巖體產(chǎn)生滲透作用及對破碎體和充填物長期沖蝕作用，會進(jìn)一步削弱裂隙體的強(qiáng)度，同時(shí)引起巖體應(yīng)力場的改變，導(dǎo)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(yùn)營產(chǎn)生安全威脅。

4 水庫下伏采空區(qū)綜合治理技術(shù)

波速測試和壓水實(shí)驗(yàn)表明，采空區(qū)覆巖移動變形在逐步向地表傳遞的過程中，應(yīng)力場、裂隙場發(fā)生改變，巖體強(qiáng)度受到不同程度損傷。為保障擬建水庫順利蓄水和安全運(yùn)營，對庫區(qū)影響范圍內(nèi)采空區(qū)垮落帶、斷裂帶及其上覆巖層裂隙進(jìn)行綜合治理，以防止其進(jìn)一步變形和破壞。

對采空區(qū)引起的淺層裂隙滲漏采取土工膜與黏土覆蓋相結(jié)合的治理措施，具有一定伸縮性，在采空區(qū)后續(xù)微量殘余變形時(shí)可有效阻隔水體滲漏，保障水庫蓄水安全；采空區(qū)內(nèi)部采用充填注漿法，對垮落帶殘余空間和上覆巖體裂隙進(jìn)行統(tǒng)一注漿充填，有效控制治理區(qū)域內(nèi)水平位移和垂直位移。采空區(qū)治理區(qū)內(nèi)按照梅花型布設(shè)內(nèi)部孔（26 個(gè)），鉆孔間排距 50 m，內(nèi)部孔邊緣設(shè)置帷幕孔（10 個(gè)），孔間距為25 m，施工現(xiàn)場共布設(shè)36 個(gè)注漿孔，采空區(qū)治理工程平面布置圖如圖6。結(jié)合鉆探過程中鉆液漏失量統(tǒng)計(jì)，與勘查期間裂隙發(fā)育特征有較好的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步證實(shí)，在上覆巖層移動變形逐步向地表傳遞的過程中，巖體內(nèi)部裂隙向地表擴(kuò)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(jìn)行帷幕孔注漿，再交錯(cuò)進(jìn)行內(nèi)部孔注漿，以便迅速封閉采空區(qū)治理范圍，防止后續(xù)孔注漿時(shí)發(fā)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(shí)，為了使注入漿液盡快凝固，形成帷幕，制漿時(shí)加入2%～4% 的水玻璃。通過地表布置觀測線，定期觀測采空區(qū)水平位移和垂直位移，利用檢測孔布設(shè)滲壓計(jì)和測壓管長期觀測覆巖內(nèi)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(qū)進(jìn)行治理，達(dá)到了良好的工程效果。

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

5 結(jié) 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(qū)，本質(zhì)上是覆巖損傷變形演化的過程。波速測試和壓水試驗(yàn)是檢測圍巖體破壞程度、滲透性的可靠實(shí)驗(yàn)方法，符合探測開采沉陷區(qū)裂隙發(fā)育的實(shí)質(zhì)要求。通過現(xiàn)場鉆孔實(shí)測，得到了火石咀煤礦開采后覆巖滲透性能的有效數(shù)據(jù)。

2）現(xiàn)場實(shí)測和鉆探數(shù)據(jù)表明：8712 工作面采空區(qū)上覆巖體完整性指數(shù)和透水率存在較好對應(yīng)關(guān)系，兩者相互驗(yàn)證。采空區(qū)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(qū)綜放開采后巖體內(nèi)垂直向上裂隙發(fā)育帶隨時(shí)間推移向地表繼續(xù)發(fā)展，其發(fā)展規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

3）老采空區(qū)土地重新開發(fā)利用，在進(jìn)行現(xiàn)場鉆探基礎(chǔ)上，可通過波速測試、壓水試驗(yàn)查明采場覆巖裂隙發(fā)育情況，根據(jù)擬建構(gòu)筑物特點(diǎn)，有針對性的制定有效治理方案。