基于濟南章丘某項目場地采空區(qū)的勘察及治理方案研究

于孟偉，黃文龍，吳永東

（1.濟南世茂天城置業(yè)有限公司，山東 濟南 250001；2.山東建勘集團有限公司，山東 濟南 250031）

擬建場地位于濟南市章丘區(qū)某煤礦采礦范圍內(nèi)，地塊總面積約4.2萬m2，共包括11棟8～18F建筑、1棟2F配套公建及地下1F車庫，主樓擬采用剪力墻結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)，車庫擬采用框架結(jié)構(gòu)獨立基礎(chǔ)。主樓正負零標高約92.3m，基礎(chǔ)埋深約6.0～6.2m。擬建場地北側(cè)、西側(cè)均為現(xiàn)狀市政道路；場地南側(cè)、東側(cè)均為后期規(guī)劃用地。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地層

擬建場地位于山東臺背斜魯中臺凸的北緣，為泰山背斜的北翼，屬典型的華北型石炭-二疊紀含煤沉積[1]。區(qū)域地層由老到新依次如下：

（1）奧陶系八陡組：以厚層微晶灰?guī)r、薄層豹皮狀含白云質(zhì)泥晶灰?guī)r和泥晶巖屑灰?guī)r為主；石炭系本溪組，以泥巖、砂巖、粉砂巖、泥巖為主，是鋁土礦層的主要賦礦層位（G層鋁土礦）。（2）石炭系太原組：以砂巖、粉砂巖、泥巖為主，是區(qū)域主要的含煤層系。（3）二疊系淄川組：以深灰色、灰色、黃色砂巖為主，夾頁巖、泥巖及煤層。（4）二疊系黑山組：以砂巖、頁巖為主，下部為薄層煤層。（5）二疊系萬山組鋁土礦層：主要為灰色、灰白色硬質(zhì)黏土（鋁土巖）。（6）二疊系奎山組：為一套碎屑巖組合。（7）二疊系孝婦河組：以泥巖、粉砂巖、長石石英砂巖、炭質(zhì)頁巖和細砂巖為主。（8）三疊系鳳凰山組：以長石砂巖、粉砂巖為主，夾少量泥巖。（9）第四系沖洪積物。

1.2 礦產(chǎn)

擬建場地內(nèi)及周邊主要的礦產(chǎn)為煤礦，主要開采的煤層為7煤、9煤和10-3煤。此外，區(qū)域內(nèi)的黏土礦主要賦存于石炭系本溪組底部（G層鋁土礦），G層鋁土礦不穩(wěn)定，在項目場區(qū)內(nèi)埋深250m左右，區(qū)內(nèi)未開采；區(qū)域內(nèi)的A層鋁土礦和B層鋁土礦位于二疊系萬山組內(nèi)，項目場區(qū)內(nèi)及周邊均已剝蝕殆盡，擬建場地內(nèi)不存在鋁土礦或黏土礦采空區(qū)。

2 場地采空區(qū)勘察

2.1 現(xiàn)場勘察

通過前期調(diào)查場區(qū)周邊地質(zhì)資料、礦產(chǎn)勘查及開采資料，初步確定場地主要可能開采的煤層為7煤、9煤和10-3煤；據(jù)此制定了采空區(qū)勘察方案：①以線距30～50m、點距10m的網(wǎng)度對整個場區(qū)進行大地電磁測深法勘探；②以線距40～50m，點距5m的網(wǎng)度對整個場區(qū)進行高密度電法勘探；③根據(jù)物探成果劃分物探異常區(qū)，對物探異常區(qū)進行鉆探驗證。典型高密度電法剖面如圖1所示。

圖1 典型高密度電法剖面（單位：m）

完成的8條高密度電法測線探測深度約75～80m，無明顯的采空異常特征，此外場地內(nèi)完成的125個詳勘鉆孔（孔深10～25m），均未發(fā)現(xiàn)采空現(xiàn)象，進一步表明了場地內(nèi)無淺層黏土礦、鋁土礦采空區(qū)，與區(qū)域地質(zhì)中場地及附近二疊系萬山組已被剝蝕殆盡的情況相符。

根據(jù)完成的12條大地電測測深結(jié)果，D1～D6、D9～D12剖面局部范圍內(nèi)80～120m深度處存在物探異常，D7～D8剖面局部范圍內(nèi)120～140m深度處存在物探異常；并且大地電測測深剖面上有明顯的“V”型低阻異常，該異常南北兩側(cè)的梯度差異明顯，結(jié)合剖面附近的驗證孔資料，上述位置及對應(yīng)深度恰是砂巖賦存深度，對比驗證孔揭露的其他地層判定，判斷該“V”型低阻異常為斷裂的物探表現(xiàn)，將其定名為F1斷層，為正斷層，傾向南西，傾角75°左右。典型大地電測測深剖面如圖2所示。

根據(jù)物探結(jié)果，在物探異常區(qū)施工的8個驗證孔，其中ZK1、ZK5孔在7煤位置揭示破碎帶夾碎矸；ZK2、ZK3孔揭示保護煤柱，并且有明顯漏水現(xiàn)場，表明附近存在7煤采空區(qū)；ZK4孔7煤被侵入巖破壞；ZK7孔揭露揭示保護煤柱并且整孔返水；ZK6孔在80.7～85.4m及117.0～120.0m處進尺明顯變快且?guī)r芯破碎、采取率低，并且有漏水現(xiàn)象，推斷該鉆孔在上述深度揭露采空區(qū)，后續(xù)補充的綜合測井工作也反映出了上述深度范圍內(nèi)波速明顯偏低且井徑偏大，符合采空區(qū)特征；ZK08孔揭露較完整的7煤煤芯。ZK6孔綜合測井曲線如圖3所示。

圖2 典型大地電測測深剖面（單位：m）

根據(jù)上述物探及鉆探成果，制作場地內(nèi)采空區(qū)勘察階段成果圖，劃分場地內(nèi)推測未開采區(qū)、較密實采空區(qū)、不密實采空區(qū)三種分區(qū)。后經(jīng)專家討論，認為可增加鉆孔及物探手段，進一步查明場地內(nèi)采空區(qū)分布。據(jù)此，于場地內(nèi)增加微重力法勘探（10m×15m網(wǎng)度）、增加驗證孔6口，并且于部分驗證孔中增加綜合測井工作。采空區(qū)勘察階段成果圖如圖4所示。

通過補充的勘察工作表明：場區(qū)內(nèi)剩余重力值局部明顯較高，剩余重力高值區(qū)與周邊負值區(qū)梯度變化明顯，結(jié)合鉆探成果，分析認為區(qū)內(nèi)重力高值區(qū)為未采區(qū)或保護煤柱；場區(qū)大部分區(qū)域剩余重力為負值，并且在剩余重力負值區(qū)內(nèi)分布一系列明顯低于背景值的負異常區(qū)，梯度變化明顯，結(jié)合場區(qū)周邊煤礦采掘資料以及附近鉆探資料和綜合測井成果，推斷明顯的負異常區(qū)為塌陷不充分或充填不密實的采空巷道的反映；場區(qū)內(nèi)其余區(qū)域剩余重力值雖為負值，但數(shù)值均基本為-0.06～0.04mgal，面積較大且梯度變化不明顯，結(jié)合場區(qū)周邊煤礦采掘資料及附近鉆孔資料和綜合測井成果，推斷該區(qū)域為塌陷較充分或充填較密實的采空區(qū)分布范圍。采空區(qū)勘察最終成果圖如圖5所示。

圖3 ZK6孔綜合測井曲線（局部）

圖4 采空區(qū)勘察階段成果圖

圖5 采空區(qū)勘察最終成果圖

2.2 場地穩(wěn)定性及適宜性評價

根據(jù)采空區(qū)勘察成果，利用終采時間、地表移動特征綜合評估采空區(qū)場地穩(wěn)定性：評估區(qū)內(nèi)采礦活動在2002年基本完成，區(qū)內(nèi)采空區(qū)移動變形已趨于停止，但有重新活化的可能，綜合評價場地采空區(qū)穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定。

按工程重要程度和變形要求判斷：擬建工程重要等級為一般工程，場地穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定，判斷采空區(qū)對擬建工程的影響程度為中等。按采空區(qū)特征判定：場地內(nèi)7煤采空區(qū)屬中深層采空區(qū)，場地地表變形特征及發(fā)展趨勢現(xiàn)階段相對穩(wěn)定，場地內(nèi)部分采空區(qū)處于未塌陷密實狀態(tài)，考慮到地下水對煤柱的軟化作用，也可能導(dǎo)致部分采空區(qū)活化，判斷采空區(qū)對擬建工程的影響程度為中等。

按荷載臨界影響深度判別工程建設(shè)對采空區(qū)的影響，荷載臨界影響深度HD按如下經(jīng)驗公式計算：

式中：B為場區(qū)內(nèi)巷道寬度，m，B取2.0m；γ為巷道上覆巖層的重度，kN/m3，γ取23kN/m3；φ為巷道上覆巖體內(nèi)摩擦角，°，φ取30°，P為基礎(chǔ)埋深，m，P取6.2m。對于擬建18F建筑，計算得出荷載臨界影響深度HD=23.4m，采空區(qū)深度大于1.5HD，擬建工程建設(shè)對采空區(qū)穩(wěn)定性影響小。

按附加應(yīng)力影響深度判別工程建設(shè)對采空區(qū)的影響，根據(jù)采空區(qū)上三帶理論，按軟弱覆巖經(jīng)驗公式計算垮落斷裂帶厚度Hli：

式中：Hli為垮落斷裂帶厚度，m；M為采厚，m。

垮落裂隙帶深度H1f=采空區(qū)深度-垮落斷裂帶厚度Hli，通過計算各樓座附加應(yīng)力影響深度，對比附加應(yīng)力影響深度和垮落裂隙帶深度H1f，判定擬建工程建設(shè)對采空區(qū)穩(wěn)定性影響小，如表1所示。

表1 附加應(yīng)力影響深度判別法評價表

綜合上述各評價結(jié)果，擬建工程采空區(qū)局部未塌陷密實，采空區(qū)對擬建工程影響中等，工程建設(shè)對采空區(qū)穩(wěn)定性影響小，基本適宜工程建設(shè)。建議對擬建場地南側(cè)推測不密實采空區(qū)范圍進行注漿治理，治理深度應(yīng)不少于不密實段底板以下3m。

3 采空區(qū)治理方案

根據(jù)場地采空區(qū)特征以及注漿孔間距取值表，制定場地采空區(qū)治理方案[2]：主樓范圍內(nèi)按12m間距采用正三角形布置注漿孔，注漿孔深度由7煤煤層底板標高確定，處理至煤底板以下3m，施工時注漿孔深度根據(jù)孔口標高以及設(shè)計孔底標高確定，孔深約115.5～135m；

因擬建場區(qū)內(nèi)的采空區(qū)可能與場區(qū)外圍的采空區(qū)貫通，因此將西側(cè)、北側(cè)、東側(cè)外圍注漿孔加密至10m間距作為帷幕孔。按注漿孔、帷幕孔總數(shù)的3%～5%間隔布置取芯孔，取芯孔孔底標高115.5～135m，施工時先施工取芯孔，根據(jù)取芯孔揭露采空區(qū)情況適當調(diào)整相應(yīng)區(qū)域注漿孔深度及間距。帷幕孔注漿施工采用間歇注漿工藝，待周邊帷幕孔注漿完成后再進行其余注漿孔的施工。周邊帷幕注漿孔注漿時可添加適量速凝劑，注漿時采用間歇注漿的方式確保起到封堵邊界的作用。在巷道及斷層發(fā)育區(qū)段，帷幕注漿孔可適當加密，封堵鉆孔的注漿應(yīng)調(diào)整配比并采取摻加速凝材料或結(jié)合投石投砂的方法進行。

4 治理效果檢測

采空區(qū)治理施工后，通過檢測孔取芯、孔內(nèi)電視及壓漿實驗、波速測試、高密度電法檢測及變形監(jiān)測對治理效果進行檢測，結(jié)果如下：檢測孔取芯鉆探成果表明，檢測孔無掉鉆現(xiàn)象，并且均發(fā)現(xiàn)水泥結(jié)石體，水泥結(jié)石體強度也達到治理要求?？變?nèi)電視及壓漿實驗成果表明場地未發(fā)現(xiàn)其他深度的不穩(wěn)定塌落區(qū)及空洞，不密實采空區(qū)的治理深度內(nèi)水泥結(jié)石體填充完好，充填系數(shù)大于85%，滿足治理要求。波速測試成果表明，孔內(nèi)注漿位置橫波波速vs≥300.0m/s，場地注漿效果明顯，達到治理要求。高密度電法檢測成果表明，視電阻率等值線分布相對較為均勻，梯度變化平緩，未發(fā)現(xiàn)等值線強烈扭曲，等值線整體呈層狀，無明顯低阻異常區(qū)，說明采空區(qū)的注漿治理效果明顯，質(zhì)量較好。變形監(jiān)測成果表明最大沉降點沉降速率為0.072mm/d≤0.170mm/d，在場地變形允許值范圍內(nèi)。

通過檢測表明：治理范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)其他深度的不穩(wěn)定塌落區(qū)及空洞，這與采空勘察結(jié)果相吻合，并且場地內(nèi)不密實采空區(qū)治理效果明顯，質(zhì)量較好，滿足治理規(guī)范要求，基本消除了場地穩(wěn)定性的隱患。

5 社會效益

根據(jù)收集資料初步判斷項目場地位于采空區(qū)范圍內(nèi)，參考周邊同類項目采空區(qū)治理成本估算本場地進行全面治理時費用約1200萬，治理周期約50～60d；通過高密度電法及大地電磁測深法勘探及鉆孔驗證，階段性成果推斷的不密實采空區(qū)治理費用約800萬，治理周期約40～50d；通過補充微重力法勘探及綜合測井工作，最終圈定的不密實采空區(qū)治理費用約180萬，治理周期30d。該次采空區(qū)勘察通過較豐富的工作量和較為齊全的勘察手段，查明了場地內(nèi)采空區(qū)的分布特征，逐步圈定了場地內(nèi)采空塌陷的不密實區(qū)，為采空區(qū)的治理提供了依據(jù)，也為建設(shè)單位節(jié)省了大量的工期及治理費用。

6 結(jié)束語

此次采空區(qū)勘察采用了高密度電法、大地電磁測深法、微重力法及綜合測井多種物探手段，并加以鉆探驗證，較為細致地圈定了場地采空區(qū)的分布，為后期的治理工作提供了詳實的依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場反饋，目前該項目治理范圍內(nèi)的樓座已接近封頂，其沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)在設(shè)計變形允許值范圍內(nèi)。這也表明了場地的采空區(qū)治理達到了預(yù)期的效果，基本消除了采空區(qū)場地的穩(wěn)定性隱患。