建設工程中小煤窯采空區(qū)勘察的有關(guān)問題的探討

沈高平

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局第二水文工程地質(zhì)勘查院， 安徽蕪湖 241000）

建設工程中小煤窯采空區(qū)勘察的有關(guān)問題的探討

沈高平

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局第二水文工程地質(zhì)勘查院， 安徽蕪湖 241000）

小煤窯采空區(qū)是在建設場地工程地質(zhì)勘察中常遇到的問題，本文通過實例介紹了在小煤窯采空區(qū)勘察中采用的方法、勘察成果，以及穩(wěn)定性驗算方法；對小煤窯采空區(qū)勘查的有關(guān)問題進行了探討。

小煤窯采空區(qū)；勘察方法；穩(wěn)定性驗算

0 引言

在工程建設選擇的建設場地中，往往會遇到小煤窯采空區(qū)，大多小煤窯的開采年代久遠，且多為無序開采，資料缺乏，因而給建設場地的工程地質(zhì)勘察帶來了困難。本文以蕪湖海螺建設場地小煤窯采空區(qū)專項勘查為例，對小煤窯采空區(qū)勘查中的有關(guān)問題進行探討，并對其穩(wěn)定性進行了驗算評價，為擬建工程的基礎設計或地基處理方案提出合理的建議。

1 工程概況

蕪湖海螺位于蕪湖市繁昌縣境內(nèi)，建設場地內(nèi)擬建4條6000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線和2條12000t/d水泥熟料生產(chǎn)線，分三期建設。水泥熟料生產(chǎn)線主要建（構(gòu)）筑物有窯尾、窯中、窯頭、均化庫、立磨、廢氣處理、熟料庫、原煤預均化堆場、輔料預均化堆場、石灰石預均化堆場、聯(lián)合儲庫、石灰石破碎、砂巖破碎等。

2 巖土工程條件

2.1 地層

建設場地及附近地層主要有二疊系、三疊系及第四紀地層分布，其地層特征如下：

2.1.1 二疊系上統(tǒng) （P2）

（1）龍?zhí)督M（P2l）：巖性上部為粉砂巖、頁巖夾煤層，煤層共有B、C兩層，B層煤一般厚1～2m，多呈較大的透鏡狀和雞窩狀，C層煤厚一般1～3m，個別可達4m，呈似層狀，較穩(wěn)定；中部為長石石英細砂巖夾黑色粉砂巖及頁巖；下部為含生物碎屑硅質(zhì)頁巖、頁巖。厚95.6m。

（2）大隆組（P2d）：巖性為含放射蟲硅質(zhì)巖夾硅質(zhì)頁巖，底部夾透鏡層狀生物碎屑灰?guī)r。厚大于37.6m。

2.1.2 三疊系下統(tǒng)（T1）

（1）殷坑組（T1y）：上部微晶灰?guī)r、礫屑灰?guī)r、夾鈣質(zhì)頁巖，下部頁巖、泥巖夾泥灰?guī)r。厚大于80.5m。

（2）和龍山組（T1h）：上部微晶灰?guī)r，含白云質(zhì)礫屑灰?guī)r，下部條帶狀灰?guī)r夾微晶灰?guī)r及礫屑灰?guī)r。厚199.9m。

（3）南陵湖組（T1n）：上部鮞狀灰?guī)r，厚286.8m；下部微晶灰?guī)r，含生物碎屑灰?guī)r。厚大于96.9m。

2.1.3 第四系（Q）

（1）第四系中更新統(tǒng)（Qdl+el2）：巖性主要為棕紅色黏土，含少量角礫，角礫成份以灰?guī)r為主。

（2）第四系全新統(tǒng)（Qal4）：沖積層。巖性主要為灰黃色及棕黃色黏土。

建設場地主要為第四紀地層覆蓋，其覆蓋層厚8.5～26.0m，附近低山丘陵為基巖出露。此外，擬建場地還零星分布有中酸性小巖體，其巖性為花崗閃長巖、閃長玢巖、輝綠巖，呈巖脈產(chǎn)出。

2.2 水文地質(zhì)條件

建設場地及附近地下水類型可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水和碎屑巖類孔隙裂隙水三個類型。松散巖類孔隙水主要賦存在第四系全新統(tǒng)及中更新統(tǒng)地層中，地下水類型為潛水，含水貧乏，富水性差，碳酸鹽巖裂隙巖溶水主要賦予三疊系下統(tǒng)南陵湖組灰?guī)r中，場地大部分布三疊系下統(tǒng)南陵湖組灰?guī)r，地表巖溶較發(fā)育，主要為溶溝、溶槽等，地下巖溶主要為溶洞，地下水類型為承壓水，富水性一般。碎屑巖孔隙裂隙水主要賦存于頁巖中，富水性貧乏。

3 勘察方法的選擇及穩(wěn)定性評價

3.1 勘查方法

圖1 小煤窯采空區(qū)分布圖Fig.1 Distribution of small coal goafs

采用了收集資料、地面調(diào)查、工程物探、鉆探驗證及室內(nèi)試驗等方法，在建設場地中進行了小煤窯專項勘查。

3.1.1 小煤窯采空區(qū)的現(xiàn)狀調(diào)查分析

通過收集資料和現(xiàn)場調(diào)查，在建設場地南分布有小煤窯采空區(qū)，其開采巷道延伸到建設場地之下（圖1），小煤窯均為短臂式巷道開采，木支撐。主巷道規(guī)格：傾角40°～42°，寬度1.7～3.0m，高度1.7～2.0m；開采巷道規(guī)格：傾角10°～25°，寬度2.0～7.0m，高度1.6～3.0m。

開采層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督MB、C二層。開采層位深（大于200m），開采層厚度小于3m，煤層傾角10°～25°，目前均已停采。

圖2 電阻率測深斷面圖Fig.2 Resistivity sounding profile

據(jù)實地調(diào)查訪問，自建礦開采以來，地面上未見地裂縫和陷坑，采空區(qū)上的房屋也未見因煤礦開采引起的裂縫。在建設場地及附近只有一些民井開采淺部松散巖類孔隙水，作為生活用水，一般單井出水量小于50m3/d；未見深井開采深部碳酸鹽巖裂隙巖溶水和碎屑巖孔隙裂隙水；小煤礦在開采時，礦坑涌水量較?。ㄐ∮?0m3/d），其小煤礦的開采，未造成地下水位大幅度下降，地下水的開采目前沒有引發(fā)采空區(qū)的地面沉降或塌陷。

綜上所述，擬建場地小煤窯采空區(qū)在現(xiàn)狀條件下屬基本穩(wěn)定區(qū)。

3.1.2 工程物探成果

物探工作的目的是了解小煤窯巷道的分布、走向、埋深及基巖的性質(zhì)及完整性。對于埋深較淺小煤窯的開采巷道（如井口附近），采用高密度電阻率法和電阻率測深法進行勘查，埋深較深小煤窯的開采巷道（大于100m），采用地震反射波法進行勘查。

根據(jù)電法工作的結(jié)果，電阻率測深法效果較好，開采巷道如有碎石土充填或無充填，則顯示高阻異常（圖2、圖3）；如有水充填，則顯示低阻異常（圖4）。

地震反射波法主要布置在重要建（構(gòu)）筑物窯尾、原料磨、生料均化庫地段。一般來說，當?shù)卣鸩ㄓ龅讲煽障锏罆r，可使地震記錄上反射波組變?nèi)?、缺失、紊亂，或形成繞射波、斷面波、回轉(zhuǎn)波等一系列特殊波，但在各測線地震時間剖面上（200ms以上），未見此類特殊波，因此判斷在此次地震勘探范圍內(nèi)，250m以上不存在明顯的采空巷道。在時間剖面曲線上未見斷層構(gòu)造引起的異常波形（圖5）。

圖3 電阻率測深斷面圖Fig.3 Resistivity sounding profile

圖4 電阻率測深斷面圖Fig.4 Resistivity sounding profile

3.1.3 鉆探驗證成果

根據(jù)收集的資料和工程物探成果，在一期建設場地的窯尾至廢氣處理地段，布置了三個鉆孔，鉆孔揭露深度116～200m，其第四系松散層厚16.2～16.4m，松散層下為三疊系下統(tǒng)南陵湖組及和龍山組石灰?guī)r，巖石質(zhì)量較好，巖芯較完整，呈柱狀，最短5cm，最長145cm。未見小煤窯開采巷道，與地震勘探結(jié)果一致。

表1 巖石力學指標測試結(jié)果統(tǒng)計表Table 1 Statistics of test results of rock mechanical indexes

在三期建設場地聯(lián)合儲庫地段，也布置了三個鉆孔進行驗證，鉆孔揭露深度29～35m，其中井口附近的鉆孔揭露，第四系松散層厚1.0m，松散層下為中風化泥灰?guī)r，巖芯較完整，在20.5～23.0m處見開采巷道，被碎石土充填，見有木塊，與電測深推斷結(jié)果一致。其余兩孔未見開采巷道，可能是離井口較遠，開采巷道的埋深大于鉆探驗證的深度。

在鉆孔中取巖石力學樣9組，測試結(jié)果表明，采空區(qū)上覆微風化石灰?guī)r的飽和單軸抗壓強度為40.9～89.2MPa，屬硬質(zhì)巖。巖石的物理力學指標統(tǒng)計結(jié)果見表1。

3.2 穩(wěn)定性評價

建設場地小煤窯采空區(qū)的穩(wěn)定性評價，是在對已收集的資料、地面調(diào)查、工程物探和鉆探成果綜合分析研究的基礎上，本著定性分析與定量分析相結(jié)合的原則進行。

從小煤窯的基本情況可看出：煤層埋深大，厚度小，傾角不大；上覆巖層強度高，厚度大，第四系松散層厚度不大；未見深井開采地水；開采方式為短臂式巷道開采，開采空間?。唤ㄔO場地內(nèi)及附近未發(fā)現(xiàn)因小煤窯的開采引起的裂縫和陷坑；場地地基穩(wěn)定性較好。

據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001），當采深采厚比大于30，地表已經(jīng)穩(wěn)定時，對一般建筑物可不進行穩(wěn)定性評價。影響建設場地的小煤窯采空區(qū)，其采深采厚比均大于30，因此對一般建筑物地段不作穩(wěn)定性評價。對荷載較大的重要建筑物，根據(jù)建筑物的荷載、采空區(qū)的埋深、寬度、上覆巖層的性質(zhì)進行穩(wěn)定性驗算。

3.2.1 地表最大變形值的預測

表2 預測地表最大變形值計算經(jīng)驗式表Table 2 Empirical formula table for calculation of predicted maximum surface deformation

從收集的資料可以看出，三個小煤窯的開采深度、開采厚度、巷道寬度、煤層傾角及上覆松散層厚度基本相同，因此對整個建設場地進行總體預測，同時考慮小煤礦已充分開采。預測地表最大變形值計算經(jīng)驗式見表2。

表2各式中：

η一般取0.01～0.95，也可按η=1.1·｛（H-h）/m｝-0.1計算，H為開采深度（m），h為松散層厚度（m）。

r可按r=H/tanβ計算，β為移動角，tanβ一般取1.5～2.5；b一般取0.25～0.35。

影響地表變形的主要因素為：

（1）礦層因素：礦層埋深?。ㄩ_采深度小），厚度大，傾角大，地表變形值大，反之地表變形值小。

（2）巖性因素：上覆巖層厚度大，強度高，地表變形較弱，反之地表變形較快、較大。第四系松散層愈厚，則地表變形值增大。

（3）構(gòu)造因素：巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，會使變形加快，增大變形范圍，在斷層帶上地表變形會更加劇烈。

（4）地下水因素：地下水活動強，會加快變形速度，擴大變形范圍，增大地表變形值。

（5）開采條件因素：礦層開采和頂板處置的方法及采空區(qū)的大小、形狀、工作面推進速度等，均影響著地表變形值、變形速度和變形的形式。

根據(jù)三個小煤窯調(diào)查的基本情況和巷道分布圖，其煤層厚最大為3m，煤層傾角一般為10°～25°，主要建（構(gòu)）物地段的開采深度在250m以下，據(jù)本次鉆探資料，并考慮巖層上部巖溶發(fā)育，且充填黏土或黏土夾碎石，第四系松散層厚度取25.0m。由此根據(jù)表2公式進行估算，其結(jié)果見表3。

表3 預測地表最大變形值計算結(jié)果表Table 3 Calculation results of predicted maximum surface deformation

目前建設場地內(nèi)及附近小煤窯已關(guān)閉，無重復開采的可能，其開采空間不會增大；擬建場地煤層埋深大，煤層厚度小，煤層傾角不大；上覆巖層厚度大，強度高；第四系松散層主要為可塑—硬塑狀粘性土，相對于巖層厚度不大；斷層構(gòu)造及節(jié)理裂隙不發(fā)育；地下水活動較弱，因而擬建場地地表變形微弱。由表3計算結(jié)果，可看出：

最大傾斜值Tmax=0.016＜3（mm/ m）；

最大曲率值Kmax=0.00019＜0.2（mm/m2）；

最大水平變形值εmax=0.009＜2（mm/m）。

由上述分析和計算結(jié)果看，小煤窯采空區(qū)地段為相對穩(wěn)定區(qū)，可作為建設場地。

3.2.2 地基穩(wěn)定性評價

當建筑物位于采空區(qū)影響范圍以內(nèi)時，設建筑物基底的單位壓力為R，則作用在采空段頂板上的壓力為：

Q=G-2F+aR=γH［a-H tanφtan2（45°- φ/2）］+aR

式中：

G——巷道單位長度頂板上巖層的重量（kN/m），G=aHγ；

a——巷道寬度（m）；

H——巷道頂板的埋藏深度（m）；

γ——巖層的容重（kN/m3）；

F——巷道單位長度側(cè)壁的摩阻力（kN/m）；

φ——內(nèi)摩擦角（°）

當H大到某一深度時，使Q=0，即頂板巖層恰好保持自然平衡時，則：

當： H＜H0時，地基不穩(wěn)定。

H0＜H＜1.5H0時，地基穩(wěn)定性差。

H＞1.5H0時，地基穩(wěn)定。

由上式可知，影響地基穩(wěn)定性臨界深度H0計算的因素是巷道寬度a、巖層的容重γ和內(nèi)摩擦角φ、建（構(gòu)）物的荷載R，因此根據(jù)建（構(gòu)）物所處的位置及荷載、巷道的寬度、巖層內(nèi)摩擦角φ，分別進行估算，計算時取巖層容重γ的平均值、內(nèi)摩擦角φ的標準值，根據(jù)收集的小煤窯資料，其開采巷道寬度最小2m、最大7m，本次巖石力學樣測試，其內(nèi)摩擦角標準值為57.6°。計算時取a=7m，φ=57.6°，計算結(jié)果見表4。

表4 地基穩(wěn)定性計算表Table 4 Foundation stability calculations

綜合分析鉆探成果和表4計算結(jié)果可知，小煤窯采空區(qū)上覆巖層主要為中厚層狀微風化石灰?guī)r，強度高，屬硬質(zhì)巖，其厚度大于200m，即H＞1.5 H0。其建（構(gòu)）物基礎有足夠厚的工程地質(zhì)性質(zhì)較好的巖層支承，地基穩(wěn)定性較好。

3.2.4 場地穩(wěn)定性評價

建設場地中荷載大的主要建（構(gòu)）物均不在小煤窯采空區(qū)上方，但在二期場地聯(lián)合儲庫和堆場附近，以及三期場地聯(lián)合儲庫附近，有小煤窯開采井口，其井口附近的巷道頂板埋深較淺，取巷道寬度3m，估算臨界深度H0為36m，按主巷道傾角42°推算，在距井口60m的范圍內(nèi)，其巷道埋深小于54m，并小于1.5 H0（臨界深度）。其頂板穩(wěn)定性較差，應采取適當?shù)奶幚泶胧?，可采用樁基礎或回填處理。

4 探討

（1）在小煤窯采空區(qū)勘察中，要充分收集資料，并進行細致的調(diào)查訪問，了解已有采空區(qū)的巷道分布范圍；小煤礦的開采時間、開采方式、頂板處理措施、回填塌落及充水情況；地表陷坑、裂縫的位置、形狀、大小、深度、延伸方向及其與采空區(qū)的關(guān)系；采空區(qū)附近的抽水和排水情況及其對采空區(qū)穩(wěn)定的影響；礦層的分布、層數(shù)、厚度及埋藏深度。

（2）合理布置工程物探工作，采用有效的物探方法來了解小煤窯采空區(qū)的地層構(gòu)成、地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育特點；采空區(qū)上覆地層的巖性、厚度；小煤窯采空區(qū)的位置及開采巷道的走向。對工程物探的成果要深入分析，結(jié)合地質(zhì)資料，進行合理的解釋推斷。要注重對物探異常的驗證，適當安排鉆探工作。

（3）在進行穩(wěn)定性分析時，當采深采厚比大于30，地表已經(jīng)穩(wěn)定時，對一般建（構(gòu)）筑物可不進行穩(wěn)定性評價。對荷載較大的重要建筑物，應根據(jù)建（構(gòu)）筑物的荷載、采空區(qū)的埋深、寬度、上覆巖層的性質(zhì)，進行穩(wěn)定性驗算。

5 結(jié)語

小煤窯采空區(qū)是在建設場地工程地質(zhì)勘察中常遇到的問題，而通過多種方法的勘查，查明小煤窯采空區(qū)的分布，獲取各種參數(shù)，分析其對建（構(gòu)）筑物影響，從而正確選擇參數(shù)進行穩(wěn)定性驗算，為建設場地的地基處理提出合理的建議和有效的措施。

［1］GB50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，

［2］ 常士驃，等.工程地質(zhì)手冊［J］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［3］ 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程［M］.北京： 煤炭工業(yè)出版社，.

［4］ 蕪湖海螺擬建場地小煤窯采空區(qū)勘查報告［R］.

ON ISSUES CONCERNING RECONNAISSANCE IN SMALL COAL GOAFS

SHEN Gao-ping
（No.2 Hydrogeology and Engineering Geology Institute of Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province， Wuhu，Anhui 241000， China）

∶ Small coal goafs are encountered frequently during engineering geological reconnaissance in construction sites. This paper took an example to introduce method used in reconnaissance in coal goafs，reconnaissance result， and stability-checking method， and discussed relevant issues with reconnaissance in coal goafs.

∶ small coal goaf； reconnaissance method； stability checking

TU733；TD853.391

A

2015-10-22

沈高平（1966-），男，安徽霍山人，高級工程師，注冊巖土工程師，現(xiàn)主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。

1005-6157（2016）02-0138-5