煤礦采空區(qū)勘察與地基穩(wěn)定性評估技術(shù)及其工程實踐

胡炳南,胡廣福

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;2.龍煤礦業(yè)集團雞西分公司地質(zhì)測量部,黑龍江雞西 158100）

煤礦采空區(qū)勘察與地基穩(wěn)定性評估技術(shù)及其工程實踐

胡炳南1,胡廣福2

（1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013;2.龍煤礦業(yè)集團雞西分公司地質(zhì)測量部,黑龍江雞西 158100）

從煤礦采空沉陷區(qū)利用的必要性出發(fā),介紹了煤礦采空區(qū)勘察技術(shù)和穩(wěn)定性評估內(nèi)容;提出了物探 3種常用方法的應(yīng)用條件和鉆探中的技術(shù)要求;通過覆巖裂縫帶高度與荷載影響深度計算,系統(tǒng)地研究地基空間可靠性;分析了地表移動期和地表殘余移動變形,給出了適宜建設(shè)的時間建議和穩(wěn)定性評估標(biāo)準(zhǔn);提出了采空區(qū)地基的 5個分區(qū)方案;介紹了煤礦采空區(qū)勘察和地基穩(wěn)定性評估技術(shù)范例,旨在為采空區(qū)規(guī)劃利用提供參考。

采空區(qū)勘察;地基穩(wěn)定性評估;殘余變形

1 煤礦采空沉陷區(qū)利用的必要性

1.1 煤礦采空沉陷區(qū)面積巨大

據(jù) 2007年統(tǒng)計資料,我國 71個原國家統(tǒng)配煤礦采空沉陷區(qū)面積為 4027.4km2,其他統(tǒng)配礦和地方礦采空沉陷區(qū)面積合計 4000km2。全國井工煤礦采空沉陷區(qū)面積總計達 8000km2,且仍然以較快速度增加。

1.2 礦區(qū)建設(shè)用地近年激增

近年來,隨著國民經(jīng)濟的縱深發(fā)展,礦區(qū)生產(chǎn)和生活設(shè)施開發(fā)力度在不斷加大,礦區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)用地增加很快:國家采煤沉陷區(qū)治理的居民小區(qū)建設(shè)項目需要土地;國家城鎮(zhèn)棚戶區(qū)改造項目需要土地;礦井改擴建工業(yè)場地建設(shè)工程需要土地;坑口電廠、選煤廠和水泥廠建設(shè)工程需要土地等。目前,礦區(qū)建設(shè)用地需求量大。

而在礦區(qū)范圍內(nèi),不受開采影響的區(qū)域很少。這樣,勢必造成了礦區(qū)建設(shè)用地緊張、新項目選址困難的問題,許多礦區(qū)已無地可選了。

因此,合理利用面積巨大的煤礦采空沉陷區(qū)土地,是目前迫切需要研究的課題,具有實際的應(yīng)用價值和極大的必要性。

2 采空區(qū)勘察技術(shù)

采空區(qū)勘察的目的是查明采空區(qū)平面分布、觀測和分析采空區(qū)及其覆巖現(xiàn)狀,為地基穩(wěn)定性評估提供依據(jù)。

煤礦采空區(qū)勘察,除收集地質(zhì)采礦資料和地面踏勘外,還需要進行物探、鉆探 （含巖石力學(xué)試驗）、彩色鉆孔電視等多種手段。

2.1 物探勘察

物探方法很多,在此介紹 3種主要方法。

（1）EH-4大地電磁法 EH-4是美國 Geom etrics公司和 EMI公司研制的雙源電磁系統(tǒng),適合淺部 （<1000m）勘察。通過測量相互正交的電場分量 （E x,E y）和磁場分量 （H x,H y）,計算地層介質(zhì)視電阻率,進而推斷地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)異常。

（2）瞬變電磁法 瞬變電磁法屬時間域電磁測深法,是利用階躍波形電磁脈沖激發(fā),利用不接地回線向地下發(fā)射一次場,在一次場的間歇期間（斷電后）,測量由地下介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次場隨時間的變化,來達到尋找各種地質(zhì)目標(biāo)體的一種地球物理勘探方法。該方法自上世紀 80代在國內(nèi)廣泛應(yīng)用,并在近幾年取得長足發(fā)展的物探新技術(shù)。

（3）高密度電法 高密度電阻率層析成像是一種新型陣列勘探方法,是基于靜電場理論,以探測目標(biāo)體的電性差異為前提,集電測深與電剖面于一體的勘探方法。

物探方法選取主要根據(jù)采空區(qū)深度、干擾因素確定?？辈觳煽諈^(qū)埋深大時,推薦 EH-4;勘察區(qū)地表接地條件較差時,推薦不需接地的瞬變電磁法;勘察區(qū)有高壓電線干擾時,推薦高密度電法（直流電）。也可在物探前,進行分辨率對比試驗,通過實驗優(yōu)選確定物探方法和現(xiàn)場工作參數(shù)。

2.2 鉆探勘察

在物探的基礎(chǔ)上進行鉆探,其主要目的是在平面上查清采空區(qū)的分布和大小,并通過鉆探巖樣的力學(xué)試驗,測試采空區(qū)覆巖的力學(xué)強度。

基于上述目的,鉆探中要求:第四系層段泥漿沖洗,基巖層段清水沖洗,記錄不返水鉆孔深度;表層填土及松散地層用套管護壁,套管深度為基巖面下5m。

2.3 彩色鉆孔電視觀測

彩色鉆孔電視觀測的目的是確定采空區(qū)覆巖破壞現(xiàn)狀。

彩色鉆孔電視系統(tǒng)包括探頭、控制器、絞車架、電纜、計數(shù)器等幾部分。攝像探頭自帶光源、防水,可對鉆孔中地質(zhì)體實時觀測、監(jiān)控和記錄;觀測巖性、破碎帶、巖溶、暗河、地下水位等。

彩色鉆孔電視,結(jié)合沖洗液漏失量,觀測“兩帶”發(fā)育高度,可大大提高準(zhǔn)確度。該系統(tǒng)攝取360°孔壁圖像,精度為毫米級。

3 地基穩(wěn)定性評估技術(shù)

地基穩(wěn)定性評價主要內(nèi)容是:計算上覆巖層采動破壞影響高度和建 （構(gòu)）筑物附加載荷影響深度,判別 2個影響帶是否重疊,分析其地基空間可靠性;計算地表殘余變形,判斷其殘余沉降與變形是否小于建 （構(gòu)）筑物允許值,評價其采動影響對建 （構(gòu)）筑物地基的安全性。

3.1 空間可靠性分析

與一般建 （構(gòu)）筑物地基相比,采煤沉陷區(qū)地基,除了地表建筑載荷影響外,在其下方還存在覆巖破壞帶。如果較大的外力傳遞到垮落帶和裂縫帶巖土層,就有可能在地表產(chǎn)生較大突變,破壞建（構(gòu)）筑物地基的整體穩(wěn)定性。因此,必須分析采空區(qū)覆巖破壞帶高度、建 （構(gòu)）筑物荷載影響深度以及其相互之間的空間位置關(guān)系。

（1）垮落帶、裂縫帶高度計算 眾所周知,采煤沉陷區(qū)覆巖內(nèi)存在垮落帶、裂縫帶和彎曲帶。在垮落帶,巖層均斷裂破壞,破斷的巖塊之間存在較大的空洞;在裂縫帶,巖層產(chǎn)生破裂、離層、裂隙;在彎曲帶,巖層基本呈整體連續(xù)下沉?？迓鋷Ш土芽p帶均屬于不連續(xù)變形破壞,其抗壓、抗剪強度明顯低于原始巖體的強度。如果建 （構(gòu)）筑物荷載傳遞到這兩帶,勢必加大建 （構(gòu)）筑物的不均勻沉降,嚴重時,可造成建 （構(gòu)）筑物的斷裂。因此,必須計算垮落帶和裂縫帶高度。

一般條件下垮落帶高度 Hm（m）和裂縫帶高度 Hli（m）按以下公式計算:

式中,M為采厚,m;w為頂板下沉量,m;K為碎脹系數(shù);α為煤層傾角,（°）。

式中,M為煤層綜合采厚,m;a,b為與覆巖性質(zhì)有關(guān)的系數(shù),對于中硬巖層,a=1.6,b=3.6。

（2）荷載影響深度計算 荷載影響深度主要根據(jù)建筑物荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力與地基自重應(yīng)力之間的相互關(guān)系而定。一般當(dāng)?shù)鼗懈郊討?yīng)力等于相應(yīng)位置處自重應(yīng)力的 20%時,即可把該深度處建（構(gòu)）筑物荷載產(chǎn)生影響忽略不計。鑒于所研究的地基屬于存在破裂巖體的沉陷區(qū)上方地基,建議把20%提升到 5%～10%。

地基中的自重應(yīng)力σc（kPa）計算公式為:

式中,n為從地面到深度 z處的土層數(shù);γi為第 i層土重力密度,kN/m3;hi為第 i層土厚度,m。

地基中的附加應(yīng)力計算比較復(fù)雜,一般采用根據(jù)彈性理論推導(dǎo)出的方法。布辛尼斯克 （Boussinesq）推導(dǎo)出了半空間彈性體內(nèi)豎向集中力作用下任意點的豎向應(yīng)力表達式:

式中,σz為地基中深度為 z到集中力 P作用點的距離為 R處的豎向應(yīng)力,kPa。

作用在地基上的荷載很少有集中力的形式,往往是通過基礎(chǔ)分布在一定的面積上。假設(shè)基礎(chǔ)底面的形狀為規(guī)則的矩形,則可以根據(jù)疊加原理利用積分的方法求解,得地基中的附加應(yīng)力分布。

根據(jù)式 （4）,通過積分求解可導(dǎo)出矩形面積均布荷載作用下,矩形面積中點下深度 z處的附加應(yīng)力σz為:

根據(jù)地質(zhì)條件、建 （構(gòu)）筑物設(shè)計情況,即可計算得出附加荷載影響深度。

一般覆巖裂縫帶高度與荷載影響深度間存在以下 3種關(guān)系:

（1）荷載影響深度和覆巖裂縫帶高度之間有一定安全距離,此時附加荷載不會影響裂縫帶的穩(wěn)定性;

（2）荷載影響深度接觸到裂縫帶頂部,此時處于臨界狀態(tài);

（3）荷載影響深度進入裂縫帶內(nèi)部,此時附加荷載會影響裂縫帶的穩(wěn)定性,建 （構(gòu)）筑物受較大不均勻沉降的影響,需要采取地基處理措施。

3.2 殘余沉降變形分析

（1）采動移動期分析 根據(jù)地表移動規(guī)律,地表移動要經(jīng)過初始期、活躍期和衰退期 3個階段。初始期為下沉 10mm開始到下沉速度達到50mm/月的時段;活躍期為下沉速度大于 50mm/月的時段;衰退期是從下沉速度小于 50mm/月直到連續(xù) 6個月地表下沉值累計不超過 30mm的時段。

在地表移動期內(nèi),地基的移動變形較為劇烈,地基的傾斜變形和不均勻沉降也會遠遠超過建（構(gòu)）筑物設(shè)計允許值,對建 （構(gòu)）筑物地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)均具有較大的破壞作用。因此,選址一般選擇在相對穩(wěn)定的區(qū)域,以避免劇烈地表移動變形對地基破壞影響。

（2）殘余移動變形分析 事實上,經(jīng)過地表移動期后,上覆巖層只是處于相對平衡階段。采空區(qū)上方巖體中的離層、裂縫帶和垮落帶的巖塊并未充分壓密。在受到建 （構(gòu)）筑物外力作用時,仍有可能打破原有穩(wěn)定狀態(tài),導(dǎo)致地面出現(xiàn)新的移動和變形。

地表經(jīng)過移動期后繼續(xù)產(chǎn)生的移動變形稱為殘余沉降變形。采空區(qū)殘余移動變形是常規(guī)地表移動變形的延續(xù)。地表任意點的殘余變形,如殘余傾斜、殘余曲率、殘余水平變形等仍可按概率積分法求偏導(dǎo)計算得出。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》要求,地表殘余沉降變形值加上附加載荷引起的地基沉降變形的疊加值應(yīng)小于地基允許沉降變形值。

4 適宜性分區(qū)方案

依據(jù)國家相關(guān)規(guī)程、理論分析和工程實踐,根據(jù)作為建設(shè)用地的適宜性,可將采空沉陷區(qū)劃分為以下5個類型。

4.1 不適宜的區(qū)域

包括在開采過程中可能會有臺階、裂縫等非連續(xù)變形的地段。比如:采深采厚較小的薄覆蓋層區(qū)域;煤層傾角大于 55°且厚度大于 3.5m的厚煤層露頭區(qū)域;用非正規(guī)采煤方法開采區(qū)域;上覆巖層有地質(zhì)構(gòu)造破壞的區(qū)域。

4.2 暫不適宜的區(qū)域

包括采煤引起地表移動較活躍的非穩(wěn)區(qū),以及地表殘余水平變形大于 6.0mm/m、殘余傾斜變形值大于 10.0mm/m的采動影響區(qū)域。該區(qū)域采動影響尚未穩(wěn)定,但隨著時間的推移,其殘余沉陷與變形將進一步減小,故暫不宜作為建設(shè)用地。

4.3 處理后較適宜的區(qū)域

空間可靠性分析中,荷載影響深度已進入覆巖破壞帶高度的欠穩(wěn)定情況。在該區(qū)域,外荷載可能引起巖體失穩(wěn)。因此,需對采空區(qū)進行注漿處理。

4.4 較適宜的區(qū)域

主要指水平變形 2.0～6.0mm/m、地表傾斜值3.0～10.0mm/m的區(qū)域。這些區(qū)域可作為新建場地,但需要根據(jù)殘余變形性質(zhì)和殘余變形量進行抗較大變形的設(shè)計。

4.5 推薦地基的區(qū)域

主要指水平變形小于 2.0mm/m、地表傾斜值小于 3.0mm/m、地表曲率小于 0.20×10-3/m的區(qū)域。該地段優(yōu)先推薦作為建筑場地,但考慮到復(fù)雜的地質(zhì)采礦條件,在該區(qū)域興建建 （構(gòu)）筑物時,仍需進行抗一定等級變形設(shè)計。

5 工程實踐

5.1 項目概況

山西娘子關(guān) 2×600MW機組“上大壓小”項目的新村廠址位于山西省平定縣張莊鎮(zhèn)。廠區(qū)西南部存在煤田采空區(qū)、廠區(qū)東北部存在硫鐵礦采空區(qū),采空區(qū)范圍和現(xiàn)狀不十分清楚,需要對采空區(qū)地基穩(wěn)定性問題進行專項勘察和評估。

在物探方法選擇方面,考慮到本區(qū)礦層深度較淺,都在 100m以內(nèi);采空區(qū)與圍巖有較好的電性差異;地面有 7條高壓線 （1條 35kV,6條10kV）。因此,在采用瞬變電磁法和 EH-4高頻大地電磁法外,增加了高密度電法,以克服高壓電線的干擾。通過大量物探工作 （高密度電法 62條,測點 4797個,線距 20m,點距 9m;瞬變電磁法 13條,測點 225個,點距 20m;EH4測線 5條 ,132個測點,點距 20m）,作出80條剖面,結(jié)合鉆探和地面調(diào)查資料,判斷采空區(qū)異常,見圖1,并轉(zhuǎn)換為異常分布平面圖。

圖1 物探測出的采空區(qū)異常剖面

在鉆孔勘探方面,充分利用已有地質(zhì)孔和巖土孔資料,優(yōu)化鉆孔布置;在重要建 （構(gòu)）筑物區(qū)域進行加密,對其進行重點設(shè)防;并在物探結(jié)果基礎(chǔ)上,對物探異常區(qū)進行驗證。在本勘探區(qū)共鉆探29個鉆孔,總進尺 1346.39m,取巖石樣 25個,進行室內(nèi)巖石力學(xué)實驗。在 29個鉆孔中,見實體煤的 4個;見實體礦層的 14個;見空區(qū)的 5個;未見煤層和礦層的6個。

在彩色鉆孔電視監(jiān)測方面,共觀測 12個孔,無水鉆孔 4個,觀測效果很好,圖像清晰;有水鉆孔 6個,在這些有水鉆孔中無水段,觀測效果良好,圖像清晰;在深部有水段,圖像欠清晰,但可說明其底部非采空區(qū)。

5.2 勘探綜合成果

（1）通過物探和鉆探,查清了 15號煤層露頭線;綜合確定了煤礦開采區(qū)范圍,采深 30～75m,采厚約 6m;綜合確定了硫鐵礦開采區(qū)最大范圍,采深 50～60m,采厚約 1.2m。如圖 2。

圖2 勘探得出的煤層露頭線、煤礦采空區(qū)和硫鐵礦采空范圍

（2）通過鉆探、巖石力學(xué)實驗和彩色鉆孔電視監(jiān)測,掌握了勘探區(qū)上覆巖層的巖層賦存現(xiàn)狀,煤礦區(qū)的覆巖為強風(fēng)化 -中等風(fēng)化巖層,屬于軟弱巖層,穩(wěn)定性較差;硫鐵礦區(qū)頂板一般為 5m厚的灰?guī)r和 10m左右的砂巖,密度大、抗壓強度高,多為堅硬巖層,承載力強,完整性和穩(wěn)定性好。參見圖3。

圖3 彩色鉆孔電視測出的破碎巖體和完整巖體現(xiàn)狀

5.3 穩(wěn)定性評價成果

采用概率積分法,預(yù)計煤礦采空區(qū)殘余地表最大沉降 269mm,最大傾斜變形 13.55mm/m,最大水平變形 8.67mm/m,其最大殘余變形值達到了建筑物產(chǎn)生Ⅳ級 （極度嚴重）采動損害時的地表移動變形值;預(yù)計硫鐵礦區(qū)殘余地表最大沉降43mm,最大傾斜變形 0.47mm/m,最大水平變形-0.28～0.20mm/m （見表 1）,其最大殘余變形值為建筑物產(chǎn)生 I級采動影響時的地表移動變形值。

表2列出了電廠主要建 （構(gòu)）筑物地基的變形允許值。根據(jù)地表下沉 10mm等值線作為邊界、采動影響程度和覆巖巖性情況,把整個勘探區(qū)劃分

表1 硫鐵礦區(qū)開采地表殘余移動變形最大值

為 3個區(qū)域,并提出了相應(yīng)評估意見。

表2 電廠主要建 （構(gòu)）筑物地基的變形允許值

（1）Ⅰ類區(qū)為地表下沉 10mm等值線以外的不受開采影響的區(qū)域。該區(qū)域可作為正常建設(shè)用地使用。

（2）Ⅱ類區(qū)為地表殘余變形小、上覆巖層強度較大的硫鐵礦開采影響區(qū)域。鑒于該區(qū)域的建（構(gòu)）筑物載荷影響已經(jīng)達到礦層開采深度,為了消除擬建廠區(qū)不良地質(zhì)條件和隱患,需進行采空區(qū)注漿處理后,作為新建電廠的建設(shè)用地。

（3）Ⅲ類區(qū)為地表殘余變形大、采空區(qū)上覆巖層欠穩(wěn)定的煤礦開采影響區(qū)。該區(qū)域覆巖穩(wěn)定性較差,殘余地表移動變形較大,處理前不能在本區(qū)興建建 （構(gòu)）筑物。經(jīng)采空區(qū)處理后本區(qū)可作為一般輔助設(shè)施功能區(qū)用地。

6 結(jié)束語

（1）我國土地日趨珍貴,而礦區(qū)建設(shè)用地也越來越緊張。合理利用面積巨大的采空沉陷區(qū)土地,是目前發(fā)展的大趨勢。

（2）鑒于采空區(qū)地基的特殊性,要確保建（構(gòu)）筑物安全,必須重視采空區(qū)勘察與地基穩(wěn)定性評估,同時也需加強治理方案編制與施工質(zhì)量管理,并進行治理效果檢查。

（3）位于采空沉陷區(qū)內(nèi)的建 （構(gòu)）筑物,應(yīng)根據(jù)重要性及使用要求,采取不同的抗變形措施。

[1]煤炭科學(xué)研究院北京開采研究所 .煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1984.

[2]國家煤炭工業(yè)局制定 .建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[3]陳希哲 .土力學(xué)地基基礎(chǔ) [M].北京:清華大學(xué)出版社, 1998.

[4]天地科技股份有限公司開采所事業(yè)部 .中電投山西娘子關(guān)2× 600MW機組“上大壓小”項目新村廠址采空區(qū)專項勘察報告[R].北京:天地科技股份有限公司,2009.

Techno logy of Gob Detection and Founda tion Stab ility Eva lua tion and Its Practice

HU B ing-nan1,HU Guang-fu2

（1.CoalMining&Designing Department,TiandiScience&Techno logy Co.,L td,Beijing 100013,China; 2.Geo logy Survey Department,JixiB ranch,LongmeiMining Group,Jixi158100,China）

Based on necessity of subsidence area utilization in coalm ine,thispaper introduced techno logy of gob detection and stability evaluation for coalm ine.Itp resented 3 usualm ethods’app licable conditionsand technical requirem ents.With calculation of fissure zone heightand loading influence dep th for foundation stability,itanalyzed influence tim e and residual deform ation of surface subsidence and p resen ted rational construction tim e and stability evaluation standard.Foundation over gobwas d ivided into 5 partitions.An examp le of gob detection and foundation stability evaluationwas showed as reference to gob p lanning and utilization.

gob detection;foundation stability evaluation;residual deform ation

TU 441.7

A

1006-6225（2010）02-0008-05

2009-11-09

胡炳南 （1960-）,男,浙江金華人,研究員,現(xiàn)任天地科技股份有限公司特采所副所長。

[責(zé)任編輯:周景林]