唐山桥梁煤系地层勘探_肖鸿斌.pdf

：唐 山 桥 梁 煤 系 地 层 勘 探收稿日期：作者简介：肖鸿斌（），女，工程硕士，高级工程师，从事岩土工程勘察、原位测试、物探等方面研究肖鸿斌（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海）摘 要：唐山市拟对陡河桥梁进行改造，在详勘中遇到了煤层。由于对煤的物理力学性质的认识非常有限，故在岩土工程框架下对煤层勘察进行了一些探索。首先在法律框架下排除了煤层作为压覆矿的可能性，其次充分应用勘察手段对煤进行测试，以煤的物理性质为突破口，借鉴煤炭系统经验对煤进行了分类，根据各项测试数据特征结合工程类比法推荐了煤层力学参数，最后在地基基础评价中，考虑了煤层有机质对基础方案的不利影响和煤层的环境问题，通过方案比选有效解决了桥梁基础问题。关键词：煤层勘察；压覆矿评价；总有机碳；煤的碳化程度中图分类号：文献标识码：文章编号：（）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，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，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。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 煤和岩石物理力学性质测定方法，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，熊德国等评价了饱水对煤系地层岩石力学性质影响，许兴亮等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，第 卷 第 期 年 月 山西建筑 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。工程地质 构造地质唐山地区地质构造发育，唐山市位于中朝准地台（级构造单元）、燕山台摺带（级构造单元）、马兰峪复式背斜（级构造单元）、开滦台凹（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 所示，图 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、二叠系 地层，外围蓝色（白色）区域为奥陶系 地层。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 ，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。图 1唐山市拟建场地地质构造图碑子院背斜陡河断裂马家屯陡河碑子院缸窑向斜城子庄背拟建场地唐山断裂F3C-PA斜陡河 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 。范围为砂土、圆砾夹黏性土，范围分布第层卵石层。在 以深地层中，桥梁 个桥墩中西部 个分布厚层变化较大的全风化泥岩和强风化泥岩。东部 个桥梁中，个桥墩在第层卵石层下直接分布厚层煤层，另一个在 全风化泥岩下分布有厚层煤层。煤层层顶埋深 ，埋深起伏大于 ，最大揭示厚度大于 。详勘期间对遇煤勘探孔不断加深至 仍未揭穿煤层。拟建地层情况详见表。表 拟建场地地层情况岩土名称时代成因厚度 平均值（范围值）状态 密实度原位测试分布特征素填土（）松散 击场地均布填土局部为杂填土，河底为淤泥底细砂 （）稍密 击陡河两岸分布粉质黏土 （）可塑 击场地均布细砂 （）密实 击场地均布圆砾 （）密实 击场地均布粉质黏土 （）可塑 击场地局部缺失细砂 （）密实 击场地局部缺失卵石 （）密实 击场地均布全风化泥岩（）击场地西部局部分布强风化泥岩（）击场地局部分布中风化泥岩 单轴抗压强度（天然）场地局部分布I1煤未钻穿 击，单轴抗压强度（天然）场地东部局部分布 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。第 卷 第 期 年 月 山西建筑 剖面图中的黑色地层为煤层（见图）。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，岩体基本质量等级为级。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，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 。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，陡河两岸潜水稳定水位埋深为 ，稳定水位标高为 ，呈现出陡河补给地下水特征。场地抗震效应拟建场地抗震设防烈度为 度。场地设计基本地震加速度值为，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 。该场地覆盖层厚度小于 ，场地类别为类，场地特征周期值为 。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。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 ，最小应大于 ）。图 2桥梁工程地质纵剖面图（自西向东）122225bszk814.72zk614.72zk2214.72156922高程/m（黄海高程系）1680-8-16-24-3240.0024.9027.2028.8021.9022.9019.4016.4014.8013.8012.4011.008.908.005.402.704.00N=5.005.20N=6.007.408.60N=36.0013.00N=17.00N=19.0015.0021.6024.50泥岩 P泥岩 PQal+pl4卵石Qal+pl4粉质黏土1细砂3淤泥Q4Qal+pl4细砂Qal+pl4圆砾Qal+pl4细砂Qal+pl4水 Q4水 Q4水 Q4水 Q4水 Q4水 Q4泥岩 P21.9038.9040.90-43.00泥岩 PQml+pl4卵石Qal+pl4粉质黏土细砂Qal+pl42粉质黏土Qal+pl4圆砾Qal+pl4Qal+pl4粉质黏土Qal+pl4卵石1细砂Qal+pl42.903.606.508.609.40N=41.00N=36.009.1013.3014.5015.3016.402.609.80N=10.00N=12.006.20N=35.00N=40.009.008.159.9012.9013.8018.4019.9021.002.1510.705.706.858.1511.0013.0015.3018.0020.0032.0034.0037.0041.0043.0046.0049.0050.0031.5020.5016.9015.10N=12.009.80N=37.006.70N=9.005.80N=12.001.702粉质黏土Qal+pl4细砂 Qal+pl47.003淤泥Q4细砂Qal+pl411煤 C11煤 C13.40N=13.0015.5016.0016.00杂填土Qml4bszk2015.702粉质黏土Qal+pl4圆砾Qal+pl450.00 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 所示。第 卷 第 期 年 月 肖鸿斌：唐山桥梁煤系地层勘探表 煤层原位测试及室内试验数据层序重型动探 击范围标准值剪切波速（）范围平均值密度（）范围平均值点荷载 范围标准值I1煤 注：）重型动探为杆长修正后数据。）点荷载试验为换算的饱和单轴抗压强度。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 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 小于 的为泥岩，介于 为碳质泥岩，大于为煤。由于总有机碳 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