某在建高速采空区处治路基段水文地质专题研究

陈 涛，田学军

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳）

贵州省含煤地层多，采煤量大，形成的煤矿采空区分布较多，在高速公路修建过程中无可避免地存在大型采空区，针对采空区的处治措施较多，特别是采空区注浆处治[1]，路段施工可能产生地表水与地下水污染、地表水和地下水改变、地表泉点失水等水文地质问题[2]。

本文以某在建高速K2+600～K3+800 采空区处治路基段水文地质专题研究为例，分析评价对采空区进行注浆处治的水文地质影响[3]，并提出相关建议，为相关工程处治勘察设计提供工程实例借鉴。

1 工程概况

贵州某在建高速公路K2+600～K3+800 段主要以边坡、路基为主，小桩号段接金湖大桥，此路段为反岭山煤矿和富宏煤矿采空区影响区，为确保公路安全，须对其中不满足工程建设要求的采空区进行注浆处治，该处路基距离百花湖水库较近（约1.6 Km），需对该路段进行专项水文地质调查。

2 区域地质条件

2.1 地形地貌

拟建K2+600～K3+800 采空区处治路基段，地形整体为缓坡～陡坡地形，坡度13°～40°，轴线通过高程为1 202.3～1 244.2 m 之间，相对高差约41.9 m。根据地貌成因将区内地貌分为溶蚀地貌、河流侵蚀- 剥蚀地貌两种类型。

2.2 岩土体组成

项目区出露地层由新至老有第四系（Q），三叠系安顺组（T1a1-4）、大冶组（T1d1-3），二叠系吴家坪、长兴组（P2w-c）和栖霞、茅口组（P1q-m）。区内三叠系、二叠系地层广布。

2.3 煤矿开采及采空区情况

根据两阶段勘察，拟建沪昆国高贵阳至安顺段扩容工程K2～K4 段附近主要分布有金华镇富宏煤矿和反岭山煤矿，煤矿矿界与路线位置关系见图1。

图1 线路与煤矿矿界位置关系图

煤矿开采范围见图2，根据收集的资料，反岭山煤矿和富宏煤矿抵近开采，两个煤矿相互连通。

图2 煤矿开采范围图

反岭山煤矿为私人煤矿，建于1998 年，2011 年停采。长壁后退式采煤法，放炮落煤，全部跨落法管理顶板。煤矿开采K7 煤层，开采标高+1230～+900 m，采空区埋深54～284 m，回采率约65%，采空区面积约116 840 m2；煤层顶板和底板以泥岩夹炭质泥岩为主，巷道内内充满地下水。

富宏煤矿开采时间始于1962 年，矿区历经五十年开采。五十多年的地下开采导致其上覆岩层移动变形，引起地表移动和破坏，进而对地面建（构）筑物产生了危害，地表显见多处塌陷坑及地裂缝，场地稳定性差。煤矿采空区范围内可观察到因地表变形引起的塌陷坑、深沟、房屋开裂等见图3。

图3 采空区地面破坏分布图

K2+600～K3+800 采空区处治路基段布设10 个深孔，揭露煤层（未开采）比例22.2%；揭露采空（空洞）比例27.7%；揭露采空（已坍塌）比例50.1%。

3 场区水文地质特征

3.1 水文地质分区

工作区内为猫跳河及百花湖流域，地下水基本上受流域范围控制。依据河流所起的控制作用，将区内分为3 个水文地质区（李家冲水文地质（I 区）、麦乃村水文地质（Ⅱ区）、朱昌镇水文地质（Ⅲ区））；再根据流场和含水岩组分布，结合F3、F4、F5 阻水断层划分为8 个亚区，水文地质分区见图4。

图4 测区水文地质分区图

3.2 煤矿地下水水质

从区域水文地质资料可知，一般地层地下水改变小，水质较好，而一些特殊矿产、特别是煤矿分布地带，地下水易发生转换，使水质出现异常[4]。煤矿采空区地下水污染过程见图5。

图5 采空区地下水污染过程图

通过“钻孔揭露采空区水质”与“矿井排泄水质”对比，采空区巷道内PH 为强酸性，后经地下水稀释、中和，通过矿井口排泄的水已呈中性，但铁含量却严重超标，水呈淡黄色并有铁锈味，存在污染，需要对其进行处理。

3.3 煤矿水处理状况

据有关资料，百花湖入湖河流水成份常有超标现象，给湖区水质稳定带来威胁。作为饮用水源准保护区，地方政府也加强水源地流域环境综合治理，相继建成了朱昌、反岭山煤矿、盘江化工厂、清镇医药园区等污水处理厂。

对于反岭山煤矿排水，在开采期间曾建有一座矿井废水处理站，在煤矿关闭时停止使用。为了解决该矿矿井废水污染问题，2016 年贵州大学在当地政府的组织下，在煤矿下游李家冲区域开展试点示范治理，日处理量为200 m3/d，处理能力有限，达不到治理反岭山和富宏两个相连煤矿排出的污水需要，现基本处于废弃状态。2022 年8 月中国环境科学研究院受当地政府委托，重新开始了反岭山废弃煤矿废水治理扩容应急工程，建设总规模4 500 m3/d，建成后能使煤矿井口排出的污水得到有限控制。目前，该项目正在实施中。

4 公路工程建设对地表水、地下水影响预测

K2+600～K3+800 段以路基及部分桥梁从煤矿采空区上面及附近通过，为此，采空区注浆处治、路基和桥梁施工对地下水的影响应有一个较明确的认识。

4.1 采空区注浆处治方案设计

针对煤矿采空区情况，已委托某大学进行《沪昆国高贵阳至安顺段扩容工程施工图设计阶段K2～K4段煤矿采空区安全影响》专项论证，论证结果：K2+500～K3+271.9、K3+544.48～K3+900 段采空区埋深大或未开采，场地稳定性较好；K3+271.9～K3+645.1 段埋深浅，场地不稳定，需采取措施进行处理。

按该采空区治理设计，K3+271.9～K3+645.1 段采空区采用注浆法加固，处置深度为地面至采空区底板下1 m 处，确定轴线下处治最大深度约为128.0 m，最大处治宽度约为176.6 m，处治长度373.2 m。

4.2 注浆充填体对地下水补给、径流、排泄的影响

采空区注浆以充填采空区及其覆岩中的空洞和裂隙为主，在一般线性工程中主要形成一条延至地面堤状支撑体。场区线路展布与地层和采空区走向近直交，注浆充填固结体和地表水、地下水径流方向大体垂直。由于场区地表无水塘、水田分布，向下注浆加固施工则基本只与地下水发生直接关系。采空区采取注浆加固处治后，注浆充填体对全区地下水补给、径流和排泄影响都小，地下水循环交替排出地表，共同排向百花湖。

5 主要水文地质问题分析

5.1 地下水污染

场区地表未有加工企业、水塘、水田等分布，水质污染主要于地下产生，直接为地下水污染。由于区内出露地层是P1q-m、P2w、P2c、T1d1-3、T1a1-4，其中P2w 为灰岩、泥岩及含两层可采7#、8#煤，于是自20 世纪60年代开始分别建有反岭山煤矿、富宏煤矿进行开采。煤矿未开采前，地下水基本和周围地层水一样无色、无味、透明，水质较好；煤矿开采后，煤层、围岩中的硫化物矿物与氧气和水接触，在微生物的催化作用下，经过一系列复杂的化学反应，产生酸性矿井水。这些生成的矿井水多呈淡黄色并有铁锈味，不宜饮用，致使原本优质的地下水转变为矿坑污水。煤矿于2011年关闭后，积聚于采空区内的水不仅饱和，而且酸性仍强，铁离子也严重超标，并且沟通了上部含水层，进一步扩大了水循环和污染范围。根据本次于钻孔采空区和煤矿井口取样测试及收集资料，按照百花湖特殊区域内现有排放源管理要求，统一以《煤炭工业污染物排放标准》（GB20426-2006）和《贵州省环境污染物排放标准》（DB52-864-2022）作为判别标准，采空区内水PH 值3 左右，属强酸性；煤矿井口出水铁离子2.4～24.6 mg/L，超标2.4～24 倍。

5.2 地表水、地下水（污水）外引困难

工作区地处乌江水系猫跳河上游百花湖地带，与同属乌江水系的清水河上游的南明河阿哈湖相邻。着眼长远（根治），将百花湖附近污染水跨流域远程外排阿哈湖下游，连接两地和穿越分水岭工程量巨大，经济不可行。

猫跳河及百花湖流域地形向下倾斜，地层大致沿河谷和湖床纵向交替产出，闭合性较好。若施工人工渠道将污染水引致百花湖下游排泄，工程规模大，也无现实意义。

因此，地下水跨流域或向百花湖下游侧向排放，工程量大，经济技术不可行，宜加强管理、减少甚至杜绝污染或处理后就近排放。

6 结论

（1）注浆充填体加固采空区，可能挤出少部分采空区积水（静储量），挤出部分加入浅部循环很快即恢复平衡。

（2）反岭山废弃煤矿废水治理扩容应急工程建成后能使煤矿井口排出的污水得到有限控制，该项目目前正在实施中。

（3）采空区采取注浆加固处治后，注浆充填体对全区地下水补给、径流和排泄影响都小，地下水循环交替排出地表，共同排向百花湖。

（4）地下水于帷幕段局部受阻雍高，受水力联系影响，将向左右两侧分别绕过注浆帷幕体继续向两侧排泄，再聚集。鉴于采空区岩体裂隙连通及巷道多有保留，反岭山煤矿主井出水量变化不大。