水库下伏采空区覆岩裂隙探查与综合防治技术

黄健丰 ，吴 璋 ，王玉涛 ，段沛然 ，李永强 ，张 浩

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

煤炭资源大规模开发对我国国民经济发展有巨大的推动作用，同时引发生态环境恶化的问题也日益凸显。据相关统计，煤矿井工开采平均每采出万吨原煤，地表土地沉陷面积约为 0.2～0.33 hm2，我国采煤沉陷区面积累积已达200 万hm2，按照现有开采强度预计到 2030 年将达 280 万hm2[1-2]。随着我国城镇化进程的不断加快，大型城市公共工程、能源工程和交通工程等项目常与采空区影响范围发生冲突，采空区上覆岩层移动导致新建建筑物（构筑物）产生不均匀沉降，对其安全性构成严重威胁，部分采空区亟需处治[3-5]。

近年来，我国专家学者在采空区治理方面进行了大量工作，取得了一定研究成果。左建平等[6-7]通过深部基岩变形破断移动与浅部松散层沉降有机相结合的方法，研究了上覆岩层整体移动规律，提出了充分采动条件下上覆岩层移动“类双曲线”模型；邓喀中等[8-9]通过分析老采空区残余沉降机理，建立了在建筑物载荷作用下老采空区残余下沉系数的计算方法；陈超等[10]针对我国开采沉陷区地裂缝受力形成条件进行分类，研究了边缘裂缝和动态裂缝的发育规律及其与地质、开采条件之间的关系；杜子建等[11]基于扰动影响下岩体应力场与渗流场相互作用原理，采用 ANSYS 有限元数值分析软件，研究了库区下伏采空区渗流场变化规律；梁冰等[12]提出了裂隙-空隙双重连续介质对裂隙岩体渗流场与应力场耦合的数值模型；童立元等[13-14]结合公路采动响应特征、采空区活化机制、不同开采工况条件下地表移动与变形规律的有限元数值分析，研究了公路与采空区二者之间相互作用的基本规律；陈凯等[15]通过分析老采空区对建筑物地基的稳定性影响，采用注浆法对建筑物下老采空区进行治理，取得了良好工程效果。在前人的研究基础上，结合彬州市红岩河水库下伏采空区治理工程，通过钻孔波速测试、压水试验，查明火石咀煤矿8712 工作面开采结束后覆岩裂隙发育特征，结合区域工程地质背景，采取“库底防渗、采空区全充填注浆、监测治理区域移动变形”的综合防治技术，为类似采空区治理工程提供参考。

1 工程地质背景

彬州市红岩河水库（在建）是以城镇居民生活、工业生产供水和拦沙为主要用途的Ⅲ等中型水利工程。建成后能够有效缓解城镇供水不足、保证率低的现状，为彬州市经济、社会发展发挥巨大作用。通过调查，库区淹没线已进入火石咀煤矿8712 工作面采空区，采空区对水库建设和蓄水运营造成安全隐患。

火石咀煤矿位于彬长矿区的东南部，地表多为第四系黄土及新近系红土所覆盖，具有典型的黄土沟壑地貌特征，红岩河沟谷有白垩系下统洛河组出露。该矿采用后退式倾斜长壁一次采全高综放开采工艺，主采煤层为侏罗系延安组4-2煤层，该煤层厚度约为 3～12 m，平均厚度为 7.1 m，埋深为 400～460 m，靠近水库库区处为 460 m，煤层倾角为 1°～7°，赋存较稳定，直接顶由深灰色泥岩、砂质泥岩及粉砂岩构成，煤层底板为铝质泥岩，平均2.29 m。依据钻孔揭露及地质填图资料，该井田内地层由老至新依次为：三叠系上统胡家村组（T3h），侏罗系下统富县组（J1f）、中统延安组（J2y）、直罗组（J2z）及安定组（J2a），白垩系下统宜君组（K1y）、洛河组（K1l）、华池组（K2h），上新近系（N），第四系中更新统离石组（Q2）、上更新统马兰组（Q3）和全新统（Q4）。

2 采空区覆岩移动模型及地表移动变形预测

2.1 采空区覆岩移动模型

煤层开采引起地表移动变形与生态环境恶化，实质是采空区上覆岩层移动伴随一系列力学现象导致。采空区覆岩移动模型如图1，可划分为“横三区”（A 为煤壁支撑影响区，B 为离层区，C 为重新压实区）、“竖三带”（Ⅰ为垮落带，Ⅱ为断裂带，Ⅲ为弯曲下沉带）。开采过程中岩体在矿山压力作用下产生不同程度变形，岩体变形超过弹性变形极限时出现不规则垮落的地层区域称为垮落带，岩层断裂后然排列整齐的地层区域称为断裂带，自断裂带顶界至地表所有地层称为弯曲下沉带。采空区覆岩移动变形从开始到相对稳定状态，所需时间长短不一，与地质条件、开采方式等因素密切相关，如煤层采高M、煤层倾角α、开采深度H、采煤方法和上覆岩层力学性质等。

图1 采空区覆岩移动模型Fig.1 Overburden movement model of goaf

2.2 地表移动变形预测

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，结合该矿覆岩性质，类比邻矿岩移观测资料，综合确定该矿地表残余变形的预测参数（表1），火石咀煤矿8712 工作面开采时间为2013年12 月至2014 年底，工作面长度为209 m，推进长度2 290 m。地面变形调查表明 8712 工作面煤层开采引发地表大量地裂缝（图2），根据概率积分法预计8712 工作面地表最大变形量。

表1 8712 工作面采空区地表变形预测模型参数Table 1 Parameters of surface deformation prediction model for goaf in 8712 working face

图2 勘察钻孔布设图Fig.2 Survey drilling layout

主要影响半径 r=H/tanβ=158.40 m。

最大下沉量值 Wmax=q·M·cosα=4 615 mm。

最大倾斜值 imax=Wmax/r=29.13 mm/m。

最大曲率值 Kmax=±1.52Wmax/r2=0.28 mm/m2。

最大水平移动值 Umax=b·Wmax=1 384.5 mm。

最大水平变形值 Kmax=±1.52Umax/r=13.29 mm/m2。

式中：H 为煤层埋深，m；M 为煤层采高，m；α 为煤层倾角，（°）；β 为主要影响角，（°）。

3 采空区覆岩裂隙发育特征现场探查

受采动影响，原岩应力状态发生改变，覆岩的裂隙发展、岩层的整体移动都会随着时间的推移而变化。为了充分掌握采空区覆岩裂隙真实发育特征，参照《煤矿采空区岩土工程勘察规范》，基于开采沉陷理论，结合火石咀煤矿沉陷区地形，为了保证现场实验数据的可靠性、准确性，共布设4 个勘查钻孔，ZK-1 位于采动影响范围之外，观测原始地层裂隙发育情况。ZK-2、ZK-3、ZK-4 位于采空区影响范围内，观测综放开采结束后覆岩裂隙发育情况，勘察钻孔布设如图2。

3.1 采动岩体完整性测试

岩体完整性系数表示岩体相对于岩块的完整程度，岩块基本上不包含明显的结构面，岩块的弹性纵波波速是完整岩石的物理力学参数。为了真实反映受采动影响岩体的完整程度，对8712 工作面沉陷区进行钻孔勘探，并进行波速测井。参照SL326-2005《水利水电工程物探规程》岩体完整程度标准（表2）。按以下公式计算岩体完整性指数：

表2 岩体完整程度表Table 2 Rock mass integrity table

式中：Kv为岩体完整性指数；Vp为受采动影响岩体的纵波速度，m/s；Vc为完整岩块的纵波速度，m/s。

通过现场钻孔波速测试，受采动影响岩体的最小波速3 993 m/s，最大波速4 889 m/s，平均波速4 500 m/s。根据钻孔波速测试及岩块波速对比，统计分析可知，在90 m 深度范围内，ZK-1 岩体完整性为较破碎-破碎部分占28.6%；ZK-2 岩体完整性为较破碎-破碎部分占 41.6%（与ZK-1 相比，大幅增加），较破碎岩体厚度 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，破碎岩体厚度 9 m，主要在 10.0～19.0 m。

ZK-3 在0～170 m 深度范围内岩体完整性为较破碎～破碎占47%，较破碎岩体厚度64 m，主要分布在 21.0～30.0、34.0～64.0、78.0～84.0、123.0～133.0 m，破碎岩体厚度 16 m，主要在 5.0～21.0 m，完整性差岩体厚度 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 深度范围内岩体为较破碎-破碎占47.6%，较破碎岩体厚度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，破碎岩体厚度 4 m，主要在 5.0～9.0 m，完整性差岩体厚度 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，受采动影响，上覆岩体移动变形，完整性降低，与采空区距离越近，岩体的破碎程度大幅提高，产生新的裂 隙，岩体完整性下降，岩体完整性分布如图3。

图3 岩体完整性分布Fig.3 Rock mass integrity distribution

3.2 钻孔压水试验

图4 钻孔透水率统计图（1 Lu=1 L/（m·MPa·min））Fig.4 Drilling water permeability statistics chart

压水试验，是一种在钻孔中进行的原位渗透试验。笔者通过在实际水压力作用下检测岩体的透水能力，进一步明确采场覆岩采动裂隙的发育特征。依据钻孔地质因素，结合试验条件对钻孔ZK-1、ZK-2、ZK-3 和ZK-4 共计进行了161 段压水试验。ZK-1 位于开采沉陷范围以外，对分析采空区覆岩裂隙发育起参照作用，数钻孔透水率统计图如图4。

90 m 深度范围内，ZK-1 的透水率均不超过20 Lu，说明原始地层稳定，裂隙不发育；ZK-2 透水率介于 40～50 Lu 岩体厚度为 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 深度范围内，ZK-3 透水率大于 30 Lu 占 59.2%，90～170 m 深度范围内，ZK-3 透水率大于30 Lu 占47%，介于20～30 Lu 岩体厚度为 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 深度范围内透水率介于30～40 Lu 岩体厚度为 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。

对现场钻孔161 段压水实验数据进行了统计分析，岩体渗透性如图5。同一地层的透水率，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。根据试验结果统计表明，采动岩体透水率整体平均提高5.82 倍。上述分析表明，岩体渗透性受采动影响较大， 影响范围内采场上覆岩体节理裂隙发育明显增强。

图5 岩体渗透性对比Fig.5 Rock mass permeability comparison

3.3 采空区覆岩裂隙发育特征

基于开采损害理论，开采沉陷区裂隙主要分为边缘裂隙和动态裂隙。边缘裂隙一般位于开采工作面的边缘区域，以“带状”、“O”形圈的形态分布在开采工作面的边缘；动态裂隙则位于工作面上覆岩层中，并随着工作面的推进不断产生和闭合。大规模高强度煤层开采后上覆岩层移动变形，采空区边缘处整体呈漏斗状，结合火石咀煤矿和邻矿开采资料，确定8712 工作面岩层移动角为70°，黄土层移动角为45°。现场波速测试和压水实验数据分析表明：岩体完整性指数和透水率存在较好对应关系，两者相互验证。通过对比采动岩体裂隙扩展、完整性及渗透性变化情况，钻孔 ZK-2（52.4～69.8 m）完整性为较破碎，透水性大于 40 Lu，ZK-3（200～223.6 m）完整性为较破碎，透水率为20～30 Lu。基于开采沉陷理论，煤层开采后，采空区边缘呈“漏斗”状，结合现场试验数据分析，火石咀煤矿 8712 工作面采空区边缘处已形成水平宽度约 60 m 的张拉裂隙带，拉张裂隙带边缘为钻孔 ZK-2（52.4～69.8 m）、ZK-3（200～223.6 m）条带形成的连线，拉张断裂带整体上呈带状分布。

煤层开采后，在上覆岩层移动变形逐步向地表传递的过程中，垮落带重新压实，上覆岩层产生新的裂隙，岩体强度受到不同程度损伤，渗透性明显增强，在采空区影响范围内建设水库，水体会沿着采动裂隙渗流，在采空区张拉断裂带形成水力通道，水体会对裂隙岩体产生渗透作用及对破碎体和充填物长期冲蚀作用，会进一步削弱裂隙体的强度，同时引起岩体应力场的改变，导致裂隙岩体的渗透变形，增大岩体的渗透性，在两者长期相互作用下, 如不采取措施必然会对水库长期运营产生安全威胁。

4 水库下伏采空区综合治理技术

波速测试和压水实验表明，采空区覆岩移动变形在逐步向地表传递的过程中，应力场、裂隙场发生改变，岩体强度受到不同程度损伤。为保障拟建水库顺利蓄水和安全运营，对库区影响范围内采空区垮落带、断裂带及其上覆岩层裂隙进行综合治理，以防止其进一步变形和破坏。

对采空区引起的浅层裂隙渗漏采取土工膜与黏土覆盖相结合的治理措施，具有一定伸缩性，在采空区后续微量残余变形时可有效阻隔水体渗漏，保障水库蓄水安全；采空区内部采用充填注浆法，对垮落带残余空间和上覆岩体裂隙进行统一注浆充填，有效控制治理区域内水平位移和垂直位移。采空区治理区内按照梅花型布设内部孔（26 个），钻孔间排距 50 m，内部孔边缘设置帷幕孔（10 个），孔间距为25 m，施工现场共布设36 个注浆孔，采空区治理工程平面布置图如图6。结合钻探过程中钻液漏失量统计，与勘查期间裂隙发育特征有较好的对应关系，进一步证实，在上覆岩层移动变形逐步向地表传递的过程中，岩体内部裂隙向地表扩展。灌浆工艺采用一次成孔、自下而上、间歇性式充填注浆工艺，首先进行帷幕孔注浆，再交错进行内部孔注浆，以便迅速封闭采空区治理范围，防止后续孔注浆时发生漏浆和串浆。注浆材料主要为水泥粉煤灰浆液，帷幕孔注浆施工时，为了使注入浆液尽快凝固，形成帷幕，制浆时加入2%～4% 的水玻璃。通过地表布置观测线，定期观测采空区水平位移和垂直位移，利用检测孔布设渗压计和测压管长期观测覆岩内部水渗流变化。本次治理工程完成注浆量44 003.83 m3，有效的对水库下伏采空区进行治理，达到了良好的工程效果。

图6 采空区治理工程平面布置图Fig.6 Plane layout of the goaf treatment project

5 结 论

1）煤层开采后上覆岩层移动变形最终波及地表形成开采沉陷区，本质上是覆岩损伤变形演化的过程。波速测试和压水试验是检测围岩体破坏程度、渗透性的可靠实验方法，符合探测开采沉陷区裂隙发育的实质要求。通过现场钻孔实测，得到了火石咀煤矿开采后覆岩渗透性能的有效数据。

2）现场实测和钻探数据表明：8712 工作面采空区上覆岩体完整性指数和透水率存在较好对应关系，两者相互验证。采空区边缘处已形成水平宽度约60 m 的张拉断裂带，拉张断裂带边缘为钻孔ZK-2（52.4～69.8 m）、ZK-3（200～223.6 m）条带形成的连线，拉张断裂带整体上呈带状分布。彬长矿区综放开采后岩体内垂直向上裂隙发育带随时间推移向地表继续发展，其发展规律有待进一步研究。

3）老采空区土地重新开发利用，在进行现场钻探基础上，可通过波速测试、压水试验查明采场覆岩裂隙发育情况，根据拟建构筑物特点，有针对性的制定有效治理方案。