孙 林

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

近年来，随着我国铁路建设的快速发展，针对采空区勘察积累了很多实践经验。其中，综合物探方法在采空区勘察中发挥了十分重要的作用[1-3]。其根据岩土体的密度、电性、弹性等多种物性对采空区进行探测，多方法相互补充与验证，使得采空区勘察结果更加准确、可靠。许多学者进行了相关研究，蔡为益等对综合物探方法在采空区探测中的应用进行了研究，表明采空区探测综合物探方法相比单一的物探方法效果更好，准确度更高[4-6]；姚成志通过地质测绘调查、高密度电法结合钻探，查明了某小型采空区的分布范围[7]；孙金等通过资料搜集、地质调绘、地震反射波法及钻探验证，查明了郑新天富煤业的采空区的分布[8]；黄创等通过现场调查走访、地质调绘、矿区煤层资料收集、高密度电法及钻探验证，查明了采空区的分布[9-10]。

一般情况下，小煤窑采空区物探方法主要分为地面物探和跨孔物探[11]。其中，地面物探中高密度电法用于采空区探测效果较好(因采空区与岩体电阻率差异明显，易于辨认)[12-15]；而跨孔物探中弹性波CT 技术通过弹性波信号的差异反应获取地下岩土体物性参数的分布信息，该区域泥岩、砂岩、煤对电磁波吸收强烈，无法有效判断出采空区域，故此处不适合开展跨孔电磁波CT法。

以某铁路客运专线通过小煤窑采空区为实际案例，通过采用资料搜集、地面调查走访、综合物探、钻探验证及室内试验的综合勘察方法，探明线路附近小煤窑采空范围、埋深、边界和构造，并对采空区的稳定性进行评价，分析采空区对铁路工程的影响，并提出具体工程措施建议。

1 工程概况及地质条件

研究区域位于山西省沁水块坳东南部，晋获褶断带的东侧；区域构造线方向与地层总体走向一致，均为北北东向，地层倾向东南，倾角平缓，一般在4°左右。地形整体东高西低，由西向东地貌分区明显，为山前冲洪积平原-低中山区，铁路里程范围为DK227+395～DK227+495，属黄土台塬，地势起伏较大，南侧及北侧冲沟发育。主要地层为第四系新黄土、老黄土、粉土及细砂，上第三系粉质黏土、粗角砾土，石炭系太原组砂岩、泥岩、灰岩及含煤地层。所开采矿产为石炭系太原组15#煤，位于太原组K2石灰岩以下，煤层一般厚1.5～10.4 m，埋深94.1～102.9 m。

2 勘察方法

2.1 资料搜集和调查

首先在收集已有勘察资料基础上开展走访工作，经调查，本区域煤矿多为私人开办，开采时间多为清朝末年及民国时期，主要开采方式为巷道式，天然顶板一般无支撑，采空区煤矿开采面积不大。现场调查废弃井口，矿井深度约为110 m，井口部分填埋(井深20～25 m)，未见周围地表发生塌陷，以及地裂缝、沉降和附近村庄房屋开裂，现场调查情况见表1。

表1 煤矿废弃井口坐标

观测点情况如图1、图2。

图1 两个废弃井口全景

图1为废弃井口1与废弃井口2 的全景。井口常年被植被覆盖，植被茂盛，不易被察觉。

图2 现场煤渣

图2为煤渣堆积物，该点位于DK227+475右侧84 m，表层30 cm为耕植土，含植物根系，地表植被茂盛，地表未见塌陷。

2.2 物探成果

为了初步查明采空范围，本次物探采用高密度激电法、钻孔剪切波速测试，结合该区域地质物理特征及铁路线位走向，布置南北向8条物探测线，共完成高密度激电法测点318个，剪切波速测试孔13个。

(1)高密度激电法

高密度激电法[16]以电阻率成果为主，充电率成果为辅，并结合现场地形、地貌，在充分走访调查和搜集地质资料的基础上进行相互比对。高密度激电法成果资料具体解释步骤如下：首先综合比对电阻率及充电率断面，找出电阻率断面中低阻闭合圈及充电率断面中的高值带。

本次激电测深法共发现6处异常，分别为IS-6：DK227+415～DK227+450，IS-2：DK227+405～ DK227+480，IS-3：DK227+415～ DK227+470，IS-1：DK227+440～DK227+495，IS-4：DK227+415～ DK227+475，IS-8：DK227+430～DK227+470，探测总面积为12 061 m2。异常区距线位0～140 m。

物探测线布置及物探异常区域示意见图3。

图3 物探测线布置及物探异常区域示意

(2)剪切波速测试

为了查明线位采空区顶板塌陷范围及程度，本阶段共布置剪切波速测试孔13个，分别为17-ZD-4015、17-ZD-4015-1、17-ZD-4015-2、17-ZD-4016、17-ZD-4018、17-ZD-4018-1、17-ZD-4019、17-ZD-4020、17-ZD-4021、17-ZD-4026、17-ZD-4031、17-ZD-4031-1、17-ZD-4031-2。17-ZD-4015-1(采空钻孔)与17-ZD-4020(非采空钻孔)孔内波速对比见图4。由图4可知，采空对剪切波速值影响较小，未发现周围地表发生塌陷。

图4 孔内波速对比

2.3 钻探成果

为了进一步查明采空区埋深、范围、层位及种类，在物探成果的基础上，共布置钻孔28个(进尺共计3 085.9 m，孔深101.0～122.0 m)。根据钻探成果，发现采空及塌落的剖面有：3-3′(堆积物长度为60.6 m，最大堆积厚度为2.7 m；采空长度为18.5 m，最大采空厚度为3.4 m)、5-5′(堆积物长度为3.5 m，最大堆积厚度为2.7 m )、6-6′(堆积物长度为6.0 m，最大堆积厚度为1.1 m )、7-7′(堆积物长度为7.8 m，最大堆积厚度为4.1 m；采空长度为20.1 m、最大采空厚度为3.4 m)、8-8′(堆积物长度为3.5 m，最大堆积厚度为3.0 m )、9-9′(堆积物长度为17.0 m，最大堆积厚度为4.1 m；采空长度为8.6 m、最大采空厚度为0.6 m)。

揭露出采空、塌落及回填堆积物的钻孔共6个，分别为17-ZD-4000(99.7～103 m有轻微掉钻现象，其中99.7～118.5 m为煤层)、17-ZD-4015(97.2～98.3 m为采空，全填充，主要填充物为煤块及泥岩碎块，其中97.2～101 m为煤层)、17-ZD-4015-1(78.5～79.7 m为溶洞，无填充，空洞，掉钻，97.0～98.6 m、100.5～102.3 m为空洞，掉钻，漏水严重， 98.6～100.5 m、102.3～103.5 m为煤层)、17-ZD-4015-2(94.7～97.4 m为采空，全填充，主要填充物为煤块及泥岩碎块，漏水严重，97.4～98.3 m为煤层)、17-ZD-4031(97.1～102.7 m为采空，其中99.1～99.7 m为空洞，掉钻，99.7～102.7 m为全填充，充填泥岩及煤块，漏水严重，102.7～108.0 m为煤层)、17-ZD-4034(98.8～102.9 m为采空，全填充，充填泥岩及煤块)，钻孔布置及剖面地质情况见图5～图7。

图5 钻孔布置示意

图6 3-3′剖面地质情况(单位：m)

图7 9-9′剖面地质情况(单位：m)

3 采空区分析

3.1 采空区范围的确定

根据调查、物探及钻探成果可知， 17-ZD-4000、17-ZD-4015-1、17-ZD-4031孔出现掉钻，17-ZD-4015、17-ZD-4015-2、17-ZD-4034出现泥岩及煤层堆积物，而其周边钻孔钻进过程中均未出现掉钻及煤层缺失现象，说明该煤矿仅为小面积开采。采空区范围内，主要开挖煤矿巷道未进行过大范围开采。另外，根据物探异常区范围，再结合钻探进行验证，确定此采空区为巷道采空，实际开采范围不大，面积约2 826.75 m2。主要为煤矿采空，开采深度94.1～102.9 m，回采率约为25%。

3.2 采空稳定性计算

为了查明线位采空区顶板塌陷范围及程度，对本采空区域15个钻孔土样进行土工试验，并与同一单元地貌内前期勘察钻孔(里程为DK227+350～ DK227+530)进行对比，结果表明，采空钻孔其物理力学指标差异较小，说明顶板未塌陷。

根据《铁路工程地质手册》[17]，矿层未开采前，岩体内部只存在垂直压应力和水平压应力，计算式为

σZ=γ·H

(1)

(2)

式中σZ——垂直压应力/kPa；

σZ、σy——水平压应力/kPa；

γ——上覆岩层重度/(kN/m2)；

H——矿层顶板埋藏深度/m；

φ——岩层的内摩擦角/(°)。

顶板上方岩层的自拱力恰好能保持自然平衡而不塌，此时，H为临界深度H0，有

(3)

a为巷道半宽/m，上覆地层土层较厚，按内摩擦角25°计算自然平衡临界值H0(最不利考虑)，计算结果见表2。

由表2可知，H1.5H0时，顶板稳定。

在有采空及堆积物的剖面中，顶板自然平衡临界值为18.49～320.2 m，巷道顶板埋藏深度H为94.70～99.10 m，3-3′剖面处于不稳定状态，7-7′、9-9′剖面稳定性较差，5-5′、6-6′、8-8′剖面处于稳定状态。

表2 小型采空区稳定性计算

3.3 采空塌陷破坏影响区计算

在物探及钻探相互验证确定的采空边界的基础上[18]，等距选取23个点，参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》计算采空区影响边界，结果见表3。

表3 采空影响边界计算

由表3可知，采空塌陷破坏影响区最大影响宽度为106～113.5 m，采空区对铁路正线有影响。

4 采空区综合评价

(1)采空区开采时间为20世纪前期，多为无序开采。通过收集资料、调查及钻探、物探工作，共发现采空区1处，其最大开采深度为102.9 m(17-ZD-4034孔)，最大开采高度为6 m(17-ZD-4034孔)。其距线位最近处为30 m，对铁路有影响。

(2)区域内采空区均属于小型采空区，泥岩为直接顶板，K2石灰岩可视作老顶，该层厚度一般1.80～8.00 m，根据钻探情况，17-ZD-4015-1、17-ZD-4015-3孔揭露溶洞，说明局部岩溶较发育。石灰岩一般强度较高，采空区的稳定性主要取决于该层的稳定性。

(3)地面调查未发现塌陷区域，钻孔揭示老顶灰岩以上地层较稳定；通过土工试验物理力学指标及物探成果指标对比分析，显示同地貌单元采空区范围指标与非采空范围指标接近；剖面稳定性计算结论显示，仅3-3剖面不稳定，其余剖面处于稳定及稳定性差状态。综合判定采空区目前处于稳定性差状态。

5 结论

(1)小煤窑采空区调查是综合勘察手段的基础，直接影响后续物探、钻探工作的开展，准确翔实的调查对小煤窑采空区勘察往往能起到事半功倍的效果。

(2)物探方法弥补了单一钻探的不足，可大幅减少钻探工作量，节约勘察成本。采用两种及以上物探方法可以提高物探成果精度及准确度，再通过钻探可进一步验证和补充。

( 3) 通过综合勘察，认为该小煤窑采空区目前处于稳定性差的状态，对采空区边界范围内可采用注浆加固等措施。