唐山桥梁煤系地层勘探

肖鸿斌

(上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海 200125)

0 引言

中国煤炭资源丰富。煤的形成和赋存首先需要有利的古沉积条件，其次需要有利的地球动力条件，在地球动力条件下使含煤层褶皱、断裂等，随着后期的剥蚀或掩埋，煤层形成新的赋存状态。

根据《中华人民共和国煤炭法》[1]，国家依法保护煤炭资源，禁止任何乱采烂挖煤炭资源的行为。根据《中华人民共和国矿产资源法》[2]，在建设铁路、工厂、水库、输油管道、输电线路和各种大型建筑物或者建筑群之前，建设单位必须向所在省、自治区、直辖市地质矿产主管部门了解所在地区的矿产资源分布和开采情况。非经国务院授权的部门批准，不得压覆重要矿床。

因国家对煤炭资源的保护，建设工程中一般不会遇到煤系地层，目前对煤的研究集中在煤炭系统。建设工程中对煤的物理力学性质的认识非常有限。2022年唐山市拟对陡河桥梁进行改造，唐山市陡河范围地质构造复杂，在详勘中揭示有煤层分布，故在岩土工程框架下对煤层进行了一些研究。

煤是植物遗体经生物化学和物理化学作用而形成的有机物，经泥炭化阶段和煤化阶段两个阶段，是高分子化合物和矿物质组成的混合物。它的微观结构与土的三相结构(土粒、水、空气)有着本质的区别，与土在高温高压下固结成的岩石也有本质区别。

首先收集了煤炭系统对煤的一些研究成果。煤炭系统根据煤的岩石结构不同，把煤依次分为烛煤、丝炭、暗煤、亮煤和镜煤，随着结构不同煤块光泽度逐步增强。根据碳化程度不同，把煤依次分为泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤，无烟煤碳化程度最高。随着碳化程度加深，煤的密度总体增大，煤的密度是煤的重要指标。

煤炭系统有GB/T 23561煤和岩石物理力学性质测定方法[3]，规范中煤样的室内测试试验包括密度(包括真密度、块体密度)、孔隙率、吸水率、含水率、抗压强度和软化系数、变形参数、三轴强度和变形参数、抗拉强度、抗剪试验、坚固性系数、点荷载强度。煤炭系统对煤的研究比较深入。

在煤的物理性质方面，王凯等[4]通过研究煤的含水率，评价了不同含水率煤层对单轴压缩力学的损伤，熊德国等[5]评价了饱水对煤系地层岩石力学性质影响，许兴亮等[6]评价了含煤泥岩遇水强度弱化的特点，说明煤系地层属软质及较软质岩，遇水软化。

在煤的力学性质方面，付英凯等[7]通过超声波波速评价煤的力学性质，提出煤的力学和声学特征各向异性突出，水平层理煤样强度、变形参数均高于斜交层理煤样。苏承东等[8]评价了煤样在三轴压缩下的变形和强度特征，提出三轴卸围压试验的峰值强度与围压成线性关系，而内摩擦角与加载方式没有关系。说明煤层各向异性突出，煤的力学参数需考虑煤层的层理特征、煤层埋深等因素。

其次，收集资料发现，在工程建设领域，已经有人遇到过类似问题，且有一些工程经验。

在勘察手段方面，姚宾科等[9]总结了穿越煤系地层和小煤窑采空区隧道工程勘察中的难点和重点，总结了煤系地层及采空区特点，强调重视区域地质工程地质的调查和测绘，通过物探、钻探、室内土工试验、施工勘察等手段从技术上确保建设顺利进行。采用了物探方法包括高密度电法、压缩波测试和钻孔岩芯超声波测试，通过钻探方法查明煤层分布，通过施工勘察对煤层分布段进行超前预报等。说明大部分勘察手段也适合煤系地层的勘察。

王彤标[10]在贵州煤矿工业场地的勘察中，因煤层埋藏较浅，通过调查老窑采空区，采用现场试验(动探、载荷板、大剪试验)获取物理力学指标，提出上覆地层至煤层，硬度是渐变的，用钻探判别煤层界面不一定很准确，建议加强施工验槽工作。说明煤层与周边地层的边界是有渐变区域的。

张法智等[11]在印度尼西亚某火电厂项目遇到的煤系地层，通过标准贯入和浅层平板载荷，探讨了煤层作为天然地基持力层的可行性。

在此基础上，充分学习借鉴煤炭系统对煤的工程经验，从建设项目的工程地质条件水文地质条件入手，充分利用勘察手段对煤进行测试，推荐合理的设计施工参数，有效解决了桥梁的基础设计问题。

1 工程地质

1.1 构造地质

唐山地区地质构造发育，唐山市位于中朝准地台(Ⅰ级构造单元)、燕山台摺带(Ⅱ级构造单元)、马兰峪复式背斜(Ⅲ级构造单元)、开滦台凹(Ⅳ级构造单元)之开滦向斜的西北翼,基底构造复杂。

陡河是唐山的母亲河，又是地质构造比较集中地区。拟建场地的地质构造图如图1所示，图1中深蓝色线(灰色线)为自北向南的陡河。黑色线为褶皱，场地区域内从西向东褶皱构造有碑子院背斜、缸窑向斜、城子庄背斜。红色线(细实线)为断裂，周边分别有陡河断裂及分支、唐山断裂。中部灰色(浅灰色)区域为石炭系C、二叠系P地层，外围蓝色(白色)区域为奥陶系O地层。

1976年的唐山地震是由唐山断裂活动导致。拟建场地离陡河断裂约1 km，位于陡河断裂分支断裂带和缸窑向斜附近，经调查，陡河断裂为更新世晚期之前的活动断裂，为非全新活性断裂，故场地是稳定场地。

我方首先通知了建设方有关场地分布煤层的情况，规划部门在土地批复时无压覆矿调查报告，本场地煤层为未知煤层，建设方一般需委托第三方进行压覆矿评价。

因本场地为唐山市区范围，周边分布较多居民小区和大量配套设施，而且根据地质构造和煤层分布特点，煤层为鸡窝状，储量有限，所以判断该处煤层不列入压覆矿产范围。

1.2 工程地质条件

拟建场地表层为填土层，填土层以素填土为主局部为杂填土，河流底部有淤泥层。填土层一般厚度3.5 m。3.5 m范围为砂土、圆砾夹黏性土，16.0 m～21.0 m范围分布第⑦层卵石层。

在21 m以深地层中，桥梁6个桥墩中西部4个分布厚层变化较大的全风化泥岩和强风化泥岩。东部2个桥梁中，1个桥墩在第⑦层卵石层下直接分布厚层煤层，另一个在1.0 m～3.0 m全风化泥岩下分布有厚层煤层。煤层层顶埋深21.0 m～31.5 m，埋深起伏大于10.0 m，最大揭示厚度大于48.0 m。详勘期间对遇煤勘探孔不断加深至70 m仍未揭穿煤层。

拟建地层情况详见表1。

表1 拟建场地地层情况

按煤层形态，煤层一般沿走向和倾向呈层状或似层状展布，有的呈透镜体、鸡窝状、串珠状。根据煤层分布特点，拟建场地煤层为鸡窝状。按煤层结构，煤层一般在顶底板岩石间有煤层和煤矸石层，含矸石层的为复杂结构，不含的为简单结构。拟建场地煤层基本为黑色煤层，局部在较厚层全风化泥岩下夹薄层灰黑色煤矸石，总体为简单结构。煤矸石范围岩芯完整性相对较好，煤层范围岩芯较破碎。

剖面图中的黑色地层为煤层(见图2)。煤层岩芯结构大部分破坏，岩芯呈短柱状，风化裂隙很发育，岩芯用手可掰断，用镐可挖，干钻不易钻进。煤层为较破碎状态。若参照《工程岩体分级标准》[12]，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

1.3 水文地质条件

拟建桥梁均位于陡河。陡河自北向南独流入海，因地势造成河道落差较大，形势陡峭，故名陡河。

陡河上游有陡河水库，1976年唐山大地震期间唐山市民展开了陡河水库大坝保卫战，对水库大坝进行了加高。目前陡河正常蓄水位34.0 m。陡河水位直接受到陡河水库的影响。

浅层土层以砂土为主局部夹黏性土层，且黏性土为不连续分布，地表水与潜水相通。勘察期间陡河水水位标高为14.72 m，陡河两岸潜水稳定水位埋深为5.00 m～8.00 m，稳定水位标高为9.70 m～14.16 m，呈现出陡河补给地下水特征。

1.4 场地抗震效应

拟建场地抗震设防烈度为8度。场地设计基本地震加速度值为0.20g，所属的设计地震分组为第二组。

根据波速试验，覆盖层范围内土层的等效波速为Vse=191.86 m/s～248.66 m/s。该场地覆盖层厚度小于50 m，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期值为0.40 s。

经液化判别，该场地不存在液化土层，场地为非液化场地。拟建桥梁为临岸场地，判定该场地为抗震不利地段。

2 煤层勘察手段

本次勘察根据煤层的特点，对煤层进行了钻探取芯、重型动探试验、剪切波速试验，室内土工试验进行了密度试验和点荷载试验。

煤层位于河流范围且埋深较深，无法进行高密度电法试验和载荷板试验。因钻探取样无法满足煤炭系统对煤样要求，也无法委托煤炭系统的专业试验室进行一些试验(煤炭规范煤样采样一般要求采用刻槽取样，煤样一般25 cm×25 cm×20 cm，最小应大于15 cm×15 cm×15 cm)。

根据勘察各测试手段，对场地煤层的各测试指标等汇总如表2所示。

表2 煤层原位测试及室内试验数据

3 煤层确定

因煤矿资源受国家保护，在工程建设规划时会避开已知煤矿，所以建设工程勘察不会遇到煤层。其次，岩层中的黑色岩系也不一定就是煤。

黑色岩系一般指含有机碳及硫化物较多的深灰～黑色岩石，包括硅岩、碳酸岩、泥质岩及其变质岩，其中黑色泥岩(碳质泥岩)中C有机含量很高。唐山地区泥岩分布较广，拟建场地黑色岩石也可能为碳质泥岩，碳质泥岩岩性介于一般泥岩和煤之间。

根据煤系烃源岩的评价标准，通常将总有机碳TOC小于6%的为泥岩，介于6%～40%为碳质泥岩，大于40%为煤。

由于总有机碳TOC试验为煤炭系统的化学试验，本项目未通过试验进行定量判定，所以对煤进行了定性判定。根据调查和试验(A)拟建场地有形成煤的地质构造条件(B),经调查取证，拟建场地附近有废弃已封闭的煤巷道及其入口(C),根据土工试验，煤层密度非常低，在0.69 g/cm3～0.85 g/cm3，不属于常规岩石范畴，基本位于煤层密度范围。

4 煤层物理性质

4.1 煤的密度

煤的密度是煤的重要指标。煤的密度包括真密度、块状密度(又称视密度)。煤的真密度是不包含孔隙体积的密度，块状密度为包含孔隙体积的密度。煤还有散体密度，指装满容器的煤粒集体质量与容器体积之比。

煤炭系统根据碳化程度把煤依次分为泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤，随着碳化程度不断加深密度总体增大。根据资料，泥炭与褐煤真密度约在0.7 g/cm3～1.0 g/cm3,1.1 g/cm3～1.4 g/cm3，泥炭与褐煤的块状密度约0.2 g/cm3～0.5 g/cm3,1.0 g/cm3～1.3 g/cm3，煤的散密度约0.5 g/cm3～0.7 g/cm3。

土工试验室对煤层进行了密度试验，这是根据GB/T 50123—2019土工试验方法标准[13]进行的密度试验，相当于煤炭标准的块状密度试验。根据试验结果，煤层密度在0.69 g/cm3～0.92 g/cm3，位于泥炭块状密度与褐煤块状密度之间，总体更接近褐煤。

4.2 煤的含水率

煤层富含有机质，有机质对温度比较敏感，本次未进行含水率试验。根据工程地质条件和水文条件，浅层土层以砂土为主局部夹黏性土层，且黏性土为不连续分布，地表水与潜水相通。潜水与煤层也有较好的联系通道，故判定煤层总体处于湿润～饱和状态。

4.3 煤的分类

引言中说明了煤炭系统对煤可以根据岩石结构进行分类，随着结构不同煤块光泽度逐步增强。对煤也可以根据碳化程度进行分类，随着碳化程度加深，煤的密度总体增大。拟建场地的煤层颜色总体黑色，缺少光泽，根据煤的岩石结构结合煤块的光泽，比对各类煤块照片，初步判定煤层属褐煤、暗煤。根据上述对煤密度的分析比对，煤的分类更接近褐煤。由此综合判定拟建场地煤层属褐煤。根据煤炭系统的经验，褐煤煤化程度较低，含碳量较低，孔隙率较大，且处于湿润～饱和状态。

5 煤层力学性质

5.1 分析煤的场地构造特点

拟建场地位于断层和褶皱带附近，地质构造对附近煤层力学性质产生不利影响。

5.2 分析煤的微观结构

煤是植物遗体经生物化学和物理化学作用而形成的有机物，是高分子化合物和矿物质组成的混合物。它的微观结构与土的三相结构有着本质的区别。参照岩土对煤进行评价时应考虑微观结构导致的不利影响。

5.3 分析煤的原位测试数据

根据表2 ，煤层重型动探在修正后均大于18击，相当于碎石的密实状态；煤层的剪切波速大于500 m/s，相当于基岩范畴；煤的点荷载换算的饱和单轴强度标准值为2.97 MPa，相当于极软岩范畴。

按照勘察专业的工程类比法，可以把煤参照碎石或极软岩推荐煤的地基承载力和变形模量。

5.4 分析煤层的其他特点

根据引言中煤炭系统经验，煤的力学性质的确定尚需考虑如下特征：1)煤层埋深的影响；2)煤层的层理特点；3)煤层各向异性特点；4)煤层遇水软化特点。拟建场地煤层局部分布且层顶埋深起伏较大，煤层埋深在21.0 m～31.5 m，埋深深度不大。煤层层顶起伏大于10 m，煤层层理方向与层顶方向基本接近，煤层总体为斜交层理，煤层层理角度最大约30°。因煤层各项异性明显，斜交层理煤层的力学性质远低于水平层理各项指标。煤层总体处于湿润～饱和状态，遇水软化。综上所述，尤其是结合煤层场地构造特点和微观结构特点，按不利对煤层参照碎石，根据工程类比法推荐煤层承载力和变形模量。

6 桥梁基础方案确定

6.1 桩基持力层分析

拟建桥梁仅为中桥，因场地抗震设防等级8级，桥梁的单桩承载力设计值达5 000 kN。若均以16.0 m～21.0 m的 第⑦层卵石作为桩基持力层，单桩承载力与设计要求相差较大。若桩长进入21.0 m以下地层，桥梁西部4个桥墩可采用强风化泥岩作为桩基持力层；可东部是否能采用煤层作为桩基持力层，目前尚未查到煤层作为桩基持力层的工程经验。且本场地煤层层理角度最大约30°，煤层各向异性明显，若采用煤层作桩基持力层，地基均匀性较差，地基稳定性有待进一步确认。若桥梁东部、西部采用截然不同的桩基持力层，建成后可能产生较大不均匀变形。

6.2 沉桩可行性分析

煤是有机化合物，煤中大量的有机质对水泥施工是非常不利的。采用钻孔灌注桩以煤层作为桩基持力层的沉桩可行性需要进一步验证。勘察期间，陡河河面冰面厚度约0.5 m，勘察期间有3个孔揭露有煤层。发现这些钻孔孔口冰面被大面积染黑(后封孔)，尤其是70 m勘探孔。经查阅资料，煤层有机质中含碳、氢、氧、氮、硫等，还有极少磷、氟、氯、砷等。硫、磷、氟、氯和砷是煤炭中的有害成分。煤矸石中含碱金属、硫及其他有毒有害的可溶成分。若以煤层为桩基持力层，煤层的环境问题有待进一步研究。

6.3 桩基设计方案调整和基础方案确定

由于煤层作为桩基持力层的沉桩可行性比较复杂，经与设计反复沟通讨论，重新调整了设计方案，桥梁的单桩承载力设计值下降至3 000 kN。通过桩基方案比选，设计采纳了勘察报告方案，以煤层之上的第⑦层卵石层为桩基持力层，采用大直径钻孔灌注桩φ1 200 mm，桩长15 m，并选用后注浆工艺以提高单桩承载力。

6.4 桩基方案验证

因基桩大部分位于河中，检测单位采用了自平衡法对单桩承载力进行静载试验。桩基静载试验结果显示单桩承载力特征值大于3 000 kN，满足设计要求。

7 结语

1)因国家对煤炭资源的保护，建设工程中一般不会遇到煤层，建设工程中对煤的认识非常有限，当遭遇到煤层勘察，将是一场跨领域的探索。2)在地质构造条件比较复杂的有沉积条件的场地可能分布有煤层。3)当在工程勘察中若遇到煤系地层，首先应进行压覆矿评价，否则不能作为建设场地。4)本次勘察对煤层采用了钻探、动探、波速等原位测试手段。室内试验采用了密度试验、点荷载试验。若条件允许，可也采用高密度电法和钻孔岩芯超声波测试等物探方法。5)煤层勘探中，需要充分学习煤炭系统的工程经验，从各角度全面了解煤层物理力学性质。可以从煤的物理性质为突破口，对煤有个定性认识，综合原位测试结合工程类比法推荐煤层力学参数，为基础方案设计提供依据。6)当对煤层进行地基基础评价时，不仅要考虑地基均匀性和稳定性问题、地基承载力和变形问题，尚需考虑煤的大量有机质对各类基础的影响，考虑煤层的环境问题。

本次唐山桥梁的煤系地层勘察，是逐步发现问题、解决问题的过程。随着勘察范围的不断扩大，勘探中遇到煤层的概率可能会增大，本论文抛砖引玉，希望为煤系地层的勘察提供借鉴。