沖洗液法+鉆孔電視在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用

李太啟

(安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 宿州234011)

采空區(qū)探測(cè)是獲得采空區(qū)覆巖破壞基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要手段，也是合理開(kāi)發(fā)利用采空區(qū)上方土地的必要條件，對(duì)采空區(qū)上方土地的二次利用具有十分重要的意義。目前，采空區(qū)探測(cè)技術(shù)多種多樣，究其根本主要分為鉆孔探測(cè)技術(shù)和地球物理探測(cè)技術(shù)兩大類，在我國(guó)鉆孔探測(cè)技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，在條件允許時(shí)，通常采用鉆探為主、物探為輔、相互驗(yàn)證的原則［1-3］。地球物理探測(cè)技術(shù)較鉆孔探測(cè)技術(shù)雖有信息量大、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，但其往往只能限于定性分析的層面，為保證精確度必須結(jié)合必要的鉆探工程，通常在地質(zhì)采礦資料充足、采空區(qū)范圍較小的情況下，對(duì)采空區(qū)的探測(cè)可只對(duì)可疑關(guān)鍵部位進(jìn)行鉆探分析就能達(dá)到理想效果。本研究主要分析鉆孔探測(cè)技術(shù)中鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法(以下簡(jiǎn)稱“鉆孔沖洗液法”)和鉆孔電視探測(cè)技術(shù)相互組合在采空區(qū)探測(cè)中的應(yīng)用。

1 工程概況

擬建廠區(qū)位于多煤層采空區(qū)上方，礦井已停采多年，采空區(qū)冒落沉降已基本完成，但在內(nèi)、外因素的作用下采空區(qū)仍有“活化”可能［4-6］。地下除采空區(qū)外還有多條羽狀小斷層存在，經(jīng)分析其存在不會(huì)給項(xiàng)目的建設(shè)帶來(lái)較大影響，故可不考慮。

擬建廠區(qū)停采后曾進(jìn)行過(guò)常規(guī)巖土勘察，勘察深度只有35 m 左右，缺少深部巖層資料?？紤]到本項(xiàng)目建筑物載荷較大，對(duì)地基穩(wěn)定性要求較高，故建設(shè)施工前必須進(jìn)行工程勘察，準(zhǔn)確把握地下巖層巖性及采空區(qū)“三帶”分布情況，進(jìn)而進(jìn)行地基穩(wěn)定性評(píng)估。

2 沖洗液法+鉆孔電視在探測(cè)中的適用性

鉆孔沖洗液法是老采空區(qū)探測(cè)中最常用的手段，它是通過(guò)測(cè)定在施工過(guò)程中沖洗介質(zhì)的漏失量、鉆進(jìn)情況、速度以及鉆孔水位、吸風(fēng)等資料來(lái)確定采空區(qū)覆巖破壞情況的方法，具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)用可靠等優(yōu)點(diǎn)，但在原巖裂隙比較發(fā)育的區(qū)域較難獲得有效數(shù)據(jù)，另外在觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)的把握上要求高。鉆孔電視探測(cè)技術(shù)是近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種較為直觀、實(shí)用的探測(cè)技術(shù)，在觀測(cè)煤層上覆巖層的完整性和原生裂隙的發(fā)育特征、受采動(dòng)巖體裂縫帶內(nèi)巖層的裂縫發(fā)育寬度、連通情況，巖體破碎狀況和垮落巖塊的分布等方面應(yīng)用較為廣泛［7-8］。將二者相結(jié)合起來(lái)可以提高采空區(qū)及其覆巖探測(cè)的精確性和可判讀性。

本項(xiàng)目地質(zhì)采礦資料較為完整，鄰近礦區(qū)近年有過(guò)施工經(jīng)驗(yàn)，故在選擇勘察方法時(shí)有一定的針對(duì)性。擬建廠區(qū)下方為多煤層開(kāi)采，在進(jìn)行地基穩(wěn)定性分析時(shí)主要考慮建筑荷載傳遞深度是否與導(dǎo)水裂隙帶高度充分接觸，故導(dǎo)水裂隙帶高度的確定尤為重要［9-11］。經(jīng)分析，運(yùn)用鉆孔沖洗液法結(jié)合鉆孔電視探測(cè)技術(shù)可以為分析確定采空區(qū)的導(dǎo)水裂隙帶高度，特別是垮落帶的發(fā)育高度提供對(duì)比依據(jù)，從而大大提高準(zhǔn)確度和精度。故本項(xiàng)目選用鉆孔沖洗液觀測(cè)法+鉆孔電視較為合適。

3 勘察孔布置

考慮到多層采空區(qū)的埋深比較大，且生產(chǎn)車間與綜合樓的靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷均較大，故本次設(shè)計(jì)勘察孔的位置主要布置在主廠房區(qū)的主要建構(gòu)筑物區(qū)域。簡(jiǎn)易車棚與食堂(臨時(shí))均為普通鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)地表變形適應(yīng)能力較強(qiáng)，故不做勘察。根據(jù)地質(zhì)采礦資料，結(jié)合擬建的主廠房區(qū)的主要建構(gòu)筑物位置，共布置了7 個(gè)勘察孔，見(jiàn)圖1。其中一車間2 個(gè)(1、2 號(hào)勘察孔)，二車間2 個(gè)(3、4 號(hào)勘察孔)，綜合樓2 個(gè)(5、6號(hào)勘察孔)，水塔區(qū)域1 個(gè)(7 號(hào)勘察孔)。

4 勘察結(jié)果分析

4.1 勘察孔鉆進(jìn)及沖洗液漏失情況分析

各個(gè)勘察孔對(duì)應(yīng)區(qū)域煤層開(kāi)采情況不一樣，在鉆探時(shí)通過(guò)施工情況可對(duì)搜集的相關(guān)地質(zhì)采礦資料進(jìn)行驗(yàn)證，在鉆探施工中勘察孔最終深度為采空區(qū)底板以下3 m 左右。

圖1 勘察孔與建筑物相對(duì)位置簡(jiǎn)圖Fig.1 The relative position of exploration holes and buildings

勘察工程于2010 年5 月17 日組織施工隊(duì)伍進(jìn)場(chǎng)安裝，10 月23 日首臺(tái)鉆機(jī)開(kāi)孔，到5 月24 日7 臺(tái)鉆機(jī)相繼開(kāi)孔作業(yè)，2010 年6 月15 日工程結(jié)束，施工總工期30 d，鉆孔總工期22 d。下面對(duì)各個(gè)鉆孔施工過(guò)程中沖洗液的漏失情況以及施工資料進(jìn)行分析。

1 號(hào)孔終孔深度為252.00 m，設(shè)計(jì)深度275.00 m。按照設(shè)計(jì)要求采用取芯鉆進(jìn)，該孔施工到147.17 m 時(shí)沖洗液完全消耗，當(dāng)鉆至213.00 m 時(shí)鉆進(jìn)速度突然加快，經(jīng)判斷已經(jīng)進(jìn)入冒落松散地帶，后經(jīng)突擊鉆至220.00 m. 實(shí)際取芯率為93.93%。為確保施工安全，在征得設(shè)計(jì)單位同意的情況下，在210.62 m以下采取無(wú)芯鉆進(jìn)至252 m。后由于孔內(nèi)坍塌嚴(yán)重，險(xiǎn)些造成卡鉆事故被迫停鉆。

2 號(hào)孔終孔深度為240.47 m，設(shè)計(jì)深度290.00 m。按設(shè)計(jì)要求采用無(wú)芯鉆進(jìn)，該孔施工到孔深145.60 m 時(shí)沖洗液完全消耗，使用清水鉆進(jìn)至240.47 m 時(shí)，由于孔內(nèi)坍塌嚴(yán)重，不得已而停鉆。后經(jīng)取樣分析已進(jìn)入采空區(qū)，在140.00 m 左右孔口開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，孔內(nèi)無(wú)水位。

3 號(hào)孔按設(shè)計(jì)要求為取芯鉆孔，終孔深度為230.00 m，達(dá)到了設(shè)計(jì)深度。其中209.99 m 至230.00 m 為無(wú)芯鉆進(jìn)。從孔深170.00 m 開(kāi)始沖洗液完全消耗且孔口出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，觀測(cè)不到水位。該孔細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖所占比例為52.41%，從巖性特征分析，5#煤頂部粗砂巖表層一經(jīng)鉆穿下部巖石即顯破碎，且伴隨大漏水現(xiàn)象發(fā)生，對(duì)應(yīng)深度在170 m 左右。該孔按照設(shè)計(jì)為取芯孔，實(shí)際取芯率為83.98%。為確保施工安全，在爭(zhēng)得設(shè)計(jì)單位同意的情況下，在209.99 m 以下采取無(wú)芯鉆進(jìn)至終孔深度。

4 號(hào)孔終孔深度為288.35 m，設(shè)計(jì)深度為295.00 m，當(dāng)鉆至210.00 m 時(shí)鉆進(jìn)速度突然加快，判斷進(jìn)入松散地帶(該區(qū)間內(nèi)已取樣證實(shí))，突擊鉆進(jìn)至288.35 m 時(shí)出現(xiàn)卡鉆跡象，被迫停鉆。該孔在120.00 m 處即開(kāi)始大漏水，是當(dāng)前所有鉆孔中漏水最早的一個(gè)，且坍塌段高也是最大的。

5 號(hào)孔設(shè)計(jì)深度為270.00 m，終孔深度為270.00 m。施工過(guò)程中進(jìn)尺正常，未出現(xiàn)沖洗液大量漏失的現(xiàn)象。

6 號(hào)孔設(shè)計(jì)深度295.00 m，終孔深度為280.00 m。按照設(shè)計(jì)要求采用取芯鉆進(jìn)，該孔施工到144.00 m 時(shí)沖洗液完全消耗，當(dāng)鉆至215.00 m 時(shí)鉆進(jìn)速度突然加快，經(jīng)判斷已經(jīng)進(jìn)入松散地帶，突擊鉆至220.00 m。該孔按照設(shè)計(jì)為取芯孔，實(shí)際取芯率為82.51%。為確保施工安全，在爭(zhēng)得設(shè)計(jì)單位同意的情況下，在210.62 m 以下采取無(wú)芯鉆進(jìn)至終孔深度。

7 號(hào)孔終孔深度為310.00 m，設(shè)計(jì)深度310.00 m，完成了設(shè)計(jì)要求。按照設(shè)計(jì)要求采用取芯鉆進(jìn)，該孔施工到約157.00 m 時(shí)沖洗液基本全部漏失，159.00 m 時(shí)有輕微返水現(xiàn)象，但未見(jiàn)軟。該孔按照設(shè)計(jì)要求為取芯孔，實(shí)際取芯率為87.44%。為確保施工安全，在爭(zhēng)得設(shè)計(jì)單位同意的情況下，在213.35 m 以下采取無(wú)芯鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。

各孔漏水點(diǎn)位置與見(jiàn)軟情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 各孔漏水點(diǎn)位置與見(jiàn)軟情況統(tǒng)計(jì)Table 1 The statistical table of leakage points position and soft case

經(jīng)過(guò)對(duì)施工的各個(gè)勘察孔綜合分析初步得出如下結(jié)論:

(1)經(jīng)各鉆孔資料分析可知，風(fēng)化帶厚度約為49.63 ～37.29 m，主要取決中粗砂巖的發(fā)育厚度及埋深而定。施工的各個(gè)鉆孔均未發(fā)現(xiàn)尚未采動(dòng)的完整煤層。

(2)主要漏水點(diǎn)均出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的5#煤頂部中粗砂巖以下，該砂巖下部發(fā)育1 層3 m 左右的泥巖及砂質(zhì)泥巖相對(duì)隔水，一經(jīng)揭露即發(fā)生大漏水現(xiàn)象。該中粗砂巖層相對(duì)較完整，各取芯鉆孔驗(yàn)證101 ～140 m段內(nèi)發(fā)育的厚層中粗砂巖4 個(gè)取芯鉆孔均取上部單塊長(zhǎng)度超過(guò)1 m 的完整巖芯，其下部近直立裂隙較發(fā)育，疑似為進(jìn)入了導(dǎo)水裂隙帶，其對(duì)應(yīng)段距為孔深140 ～208 m。通過(guò)以上分析并結(jié)合簡(jiǎn)易水文觀測(cè)情況，140 m 以上沖洗液的漏失與消耗應(yīng)屬原始巖石孔隙裂隙導(dǎo)水，以下屬受煤層采動(dòng)形成的“導(dǎo)水裂縫帶”導(dǎo)水。各施工鉆孔普遍在208 m 左右相繼進(jìn)入冒落帶。

(3)一車間和二車間區(qū)域采空區(qū)采動(dòng)程度較充分，受各煤層的采動(dòng)影響冒落帶呈現(xiàn)疊加現(xiàn)象并且與原井下殘留巷道溝通良好，特別是位于一車間的1、2號(hào)孔區(qū)域，局部沖洗液完全消耗、孔內(nèi)坍塌嚴(yán)重。綜合樓與水塔區(qū)域相對(duì)于一車間與二車間采空區(qū)穩(wěn)定性較好。

4.2 鉆孔電視勘察結(jié)果分析

通過(guò)鉆孔沖洗液法對(duì)采空區(qū)及其覆巖的結(jié)構(gòu)分析有了初步的了解，為對(duì)地下巖層破壞情況有更為直觀、準(zhǔn)確的了解，在7 個(gè)觀察孔內(nèi)布置了彩色鉆孔電視觀測(cè)，部分鉆孔電視觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 部分鉆孔電視觀測(cè)結(jié)果Fig.2 Some observation results by borehole TV system

1 號(hào)和2 號(hào)勘察孔位于一車間區(qū)域，1 號(hào)孔從140 m 深度以下，巖層裂隙較發(fā)育，裂隙主要為高角度縱向裂隙，在210 m 左右發(fā)現(xiàn)有空洞存在。2 號(hào)孔在140 m 深度以上巖層較完整;自孔深145 m 深度以下，巖層裂隙較多，孔壁有淋水，孔內(nèi)無(wú)水位，240 m處有明顯空洞存在。3 號(hào)和4 號(hào)勘察孔位于二車間區(qū)域，3 號(hào)孔在孔深120 ～210 m 段，巖層有明顯的裂隙發(fā)育情況，尤其在孔深170 ～210 m 段，巖層比較破碎，巖體有垮落形態(tài)。4 號(hào)孔120 m 深度以上巖層較完整，120 m 以下巖層受煤層開(kāi)采的采動(dòng)影響比較大，巖體裂隙比較發(fā)育，210 m 以下破碎程度尤為嚴(yán)重。5 號(hào)和6 號(hào)勘察孔位于綜合樓區(qū)域，5 號(hào)勘察孔全孔巖層較完整，沒(méi)有明顯的裂隙發(fā)育;6 號(hào)勘察孔全孔巖層整體比較完整，只是在孔深151 m ～孔底段，局部裂隙發(fā)育，主要以單條裂隙發(fā)育為主。7 號(hào)勘察孔位于水塔區(qū)域，對(duì)7 號(hào)孔觀察可知全孔巖層較為完整，僅在304.5 ～306 m 處有少量裂隙存在。

通過(guò)以上對(duì)1 ～7 號(hào)勘察孔鉆孔電視觀測(cè)資料進(jìn)行分析，對(duì)擬建廠區(qū)老采空區(qū)上覆巖層的現(xiàn)狀以及老采空區(qū)的破壞狀況有以下認(rèn)識(shí):①擬建廠區(qū)綜合樓(5、6 號(hào)勘察孔)和水塔(7 號(hào)勘察孔)區(qū)域下覆巖層比較完整，僅有少量裂隙且不影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;②在一車間區(qū)域140 m 深度以下，二車間區(qū)域120 m 深度以下，縱向裂隙較發(fā)育，巖層結(jié)構(gòu)整體性差，受采動(dòng)影響較大;③一、二車間區(qū)域200 m 深度以下，橫向、縱向裂隙均發(fā)育，巖層破碎現(xiàn)象嚴(yán)重，211 m 深度以下可判斷為出現(xiàn)采空區(qū)，綜合分析可知此處在受內(nèi)、外因素影響下易發(fā)生失穩(wěn)變形。

5 勘查結(jié)果綜合分析

通過(guò)鉆孔沖洗液法所得資料和鉆孔電視觀測(cè)資料相互對(duì)比驗(yàn)證可知，擬建廠區(qū)一車間、二車間下方采空區(qū)及其覆巖雖經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的壓實(shí)，但仍存在一定程度的裂隙、離層及松散破碎等不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其整個(gè)巖體結(jié)構(gòu)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，在施加外部載荷后有可能發(fā)生失穩(wěn)變形，從而給地表建筑物帶來(lái)安全隱患［12-13］。綜合樓與水塔區(qū)域地下采空區(qū)僅有極少部分裂隙發(fā)育，壓實(shí)性較好，采空區(qū)整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。綜合地質(zhì)采礦資料與觀測(cè)資料對(duì)擬建區(qū)域各部分裂隙發(fā)育深度進(jìn)行初步確定，如表2 所示。

表2 觀測(cè)鉆孔裂隙發(fā)育深度統(tǒng)計(jì)Table 2 The statistics of fracture development depth m

6 結(jié) 論

(1)工程實(shí)踐證明，運(yùn)用鉆孔沖洗液法和鉆孔電視相結(jié)合的方法對(duì)采空區(qū)空洞、裂隙發(fā)育特征和導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行探測(cè)分析，可以相互驗(yàn)證，減少或避免采空區(qū)探測(cè)中存在的“盲區(qū)”，提高采空區(qū)探測(cè)的判讀精度。

(2)采用鉆孔沖洗液法和鉆孔電視對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，勘察孔位置、密度、深度的確定是前期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在鉆進(jìn)過(guò)程中要注意鉆進(jìn)中的異常情況，如掉鉆、卡鉆、沖洗液的變化等，及時(shí)記錄鉆進(jìn)過(guò)程中的巖性變化，在綜合分析后利用鉆孔電視加以確認(rèn)、驗(yàn)證，才能獲得最佳的檢測(cè)效果及檢測(cè)精度。

(3)鉆孔沖洗液法+鉆孔電視雖可較準(zhǔn)確地對(duì)采空區(qū)問(wèn)題進(jìn)行探測(cè)分析，但其也存在一定的局限性，其工程量較大、耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高，尤其是在對(duì)開(kāi)采范圍大及地質(zhì)條件復(fù)雜的采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)時(shí)顯得事倍功半，此時(shí)應(yīng)結(jié)合地球物理探測(cè)方法明確模糊點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)，然后有的放矢地進(jìn)行布孔勘察。

［1］ 曲相屹.鉆、物探技術(shù)在采空區(qū)注漿效果檢測(cè)中的應(yīng)用［J］. 金屬礦山，2013(2):151-155.

Qu Xiangyi. Application research of drilling and geophysical prospecting in detection of grouting effects in goaf area［J］.Metal Mine，2013(2):151-155.

［2］ 中國(guó)水利電力物探科技信息網(wǎng).工程物探手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2011.

The Network of China Water Conservancy and Electric Power of Geophysical Technology Information. Engineering Geophysical Exploration［M］.Beijing:China Water Power Press，2011.

［3］ 李學(xué)良，田迎斌.煤礦采空區(qū)探測(cè)技術(shù)分析及應(yīng)用［J］. 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，32(3):277-280.

Li Xueliang，Tian Yingbin. Analyses and application of detection technique for coal mining area［J］.Journal of Henan Polytechnic University:Natural Sciences，2013，32(3):277-280.

［4］ 王亞軍，賀江洪，閆鵬陽(yáng).老采空區(qū)地基穩(wěn)定性附加應(yīng)力－概率積分法評(píng)價(jià)［J］.金屬礦山，2013(2):135-139.

Wang Yajun，He Jianghong，Yan Pengyang. Foundation stability evaluation of old goaf based on additional stress and probability integration［J］.Metal Mine，2013(2):135-139.

［5］ 何國(guó)清，等.礦山開(kāi)采沉陷學(xué)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

He Guoqing，et al. Mining Subsidence Science［M］. Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，1991.

［6］ 李召龍，吳 侃. 荷載作用下采空區(qū)附加沉降的相似材料模擬研究［J］.金屬礦山，2012(3):56-59.

Li Zhaolong，Wu Kan. Study of similar material simulation on goaf extra subsidence under load［J］.Metal Mine，2012(3):56-59.

［7］ 張玉軍.鉆孔電視探測(cè)技術(shù)在煤層覆巖裂隙特征研究中的應(yīng)用［J］.煤礦開(kāi)采，2011(3):77-80.

Zhang Yujun. Bore-hole TV exploration technology and its application in researching characteristic of fissure in overlying strata［J］.Coal Mining Technology，2011(3):77-80.

［8］ 李樹(shù)志，李學(xué)良. 鉆孔電視探測(cè)技術(shù)在采空區(qū)注漿效果檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.煤礦安全，2013，44(3):147-149.

Li Shuzhi，Li Xueliang.Application research of bore-hole TV exploration technology in detection of grouting effects in goaf area［J］.Safety in Coal Mines，2013，44(3):147-149.

［9］ 胡炳南.采空區(qū)地基穩(wěn)定性研究及其技術(shù)對(duì)策［J］. 煤炭工程，2010(11 ):13-15.

Hu Bingnan.Study on stability of building foundation above mining goaf and technical countermeasures［J］. Coal Engineering，2010(11):13-15.

［10］ 滕永海，張俊英. 老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)［J］. 煤炭學(xué)報(bào)，1997，22(5):504-508.

Teng Yonghai，Zhang Junying. Evaluation on stability of building foundation over goafs［J］. Journal of China Coal Society，1997，22(5):504-508.

［11］ 李學(xué)良，李樹(shù)志，李鳳明. 采動(dòng)地基注漿加固治理技術(shù)研究［J］.金屬礦山，2011(11):33-36.

Li Xueliang，Li Shuzhi，Li Fengming.Research on grouting consolidation of foundation over abandoned mine goaf［J］. Metal Mine，2011(11):33-36.

［12］ 煤炭科學(xué)研究院北京開(kāi)采研究所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1981.

Beijing Research Institute of Coal Mining，Central Coal Mining Research Institute. Law and Its Application in Coal Mine Surface Movement and Failure of Overlying Rock［M］.Beijing:China Coal Industry Publishing House，1981.

［13］ 張剛艷.選煤廠下伏多層傾斜煤層采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與治理技術(shù)研究［J］.金屬礦山，2015(4):66-70.

Zhang Gangyan.Goaf stability evaluation and treatment technology of underlying multi-layer inclined coal mine in a coal dressing plant［J］.Metal Mine，2015(4):66-70.