門頭溝校區(qū)擬建場地采空區(qū)探查技術研究

王文考，孟軻荊，劉正，梁兵，李冬月，何旭

(1.北京京能地質(zhì)工程有限公司， 北京 102300； 2.中色華宇(北京)生態(tài)科技有限公司， 北京 102300； 3.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心， 北京 100012)

0 引言

采空區(qū)是指地下礦產(chǎn)被采出后留下的空洞區(qū)，包括其圍巖變形失穩(wěn)而發(fā)生地表變形和破壞的地區(qū)?？斩磪^(qū)形成后，其上覆的巖層將會失去支撐，原有的平衡條件被破壞，使得上覆巖層產(chǎn)生移動變形，直到破壞塌落，最后導致地表大面積下沉、凹陷，地表各類建筑變形破壞(李夕兵等，2006；王偉，2009；王士黨等，2015)。自20世紀末以來，我國礦業(yè)開采秩序較為混亂，非法無序的亂采濫挖在一些礦山及其周邊留下了大量的采空區(qū)，這是影響目前礦山安全生產(chǎn)的主要危害源之一。要想有效地解決這個問題，其前提條件就是要科學地探查地下采空區(qū)的空間形狀、大小、位置和即時狀態(tài)等情況，為采空區(qū)的安全治理提供準確的設計依據(jù)(劉圓，2013；程力等，2020)。

地下采空區(qū)具有隱伏性強、空間分布特征規(guī)律性差、采空區(qū)頂板冒落、塌陷情況難以預測等特點。如何快速準確地對地下采空區(qū)的分布范圍、空間形態(tài)特征和采空區(qū)的冒落狀況等進行量化評判，一直是困擾工程技術人員的難題。目前國內(nèi)外主要是通過地球物理探測、工程鉆探、三維激光掃描(C-ALS)、水文測試、變形觀測等手段對采空區(qū)進行探查(常鎖亮等，2002；于國明等，2003；程久龍等，2004；李清林等，2005；劉君，2005；趙慶珍等，2007；李娟娟等，2009；張興巖等，2009；韓浩亮等，2011；孫傳文，2019；程輝等，2021；黃昌慶等，2021；聶西坤，2021；彭府華，2021；張洋洋和張峰，2021；孫飛，2022；王強等，2022；薛建志等，2022；楊智等，2022；張建智等，2022；張小波等，2022)。

本文以北京市景山學校門頭溝校區(qū)擬建場地為研究區(qū)，在對擬建場地地質(zhì)災害危險性評估和場地適宜性分區(qū)的基礎上，采用地球物理探測、鉆探工程等技術手段(王偉，2009；劉圓，2013；王士黨等，2015；胡建波等，2021)，對場地的采空區(qū)開展探查工作，快速準確地查明地下采空區(qū)的空間分布、埋深、形態(tài)、大小和冒落塌陷等狀況，為保障采空區(qū)的有效治理、場地工程的安全建設等提供設計與決策依據(jù)。

1 研究區(qū)位置

門頭溝校區(qū)新建工程位于北京市門頭溝區(qū)城子地區(qū)，包括二個地塊，其中東部地塊為小學部，西部地塊為中學部，總用地面積約79275 m2(圖1)。擬建場地位于九龍山的山前緩坡地帶，地下存在煤礦采空區(qū)(包括淺部小窯采空區(qū)、深部國礦采空區(qū))，北側(cè)有一條東西向的沖溝，永定河斷裂通過其東側(cè)。

2 地球物理探測

根據(jù)場地條件及地質(zhì)情況，本次地球物理探測主要采用了瞬變電磁法(TEM)和微動探測兩種方法進行綜合探測。

2.1 采空區(qū)地球物理特征

(1)電性特征：通常情況下，視電阻率值以采空區(qū)(空洞)最高，煤層、灰?guī)r、泥巖及充水巖溶裂隙巖層依次降低。電阻率值大小依次為：采空區(qū)(空洞)>煤層>灰?guī)r>砂巖>泥巖>含水裂隙巖層。煤層被采空后，各巖層電阻率將發(fā)生相應的變化。若采空區(qū)為完整型采空區(qū)，其在電性特征上，一般表現(xiàn)為高阻異常；若為破壞型采空區(qū)，其在電性特征上，一般分為兩種情況：①采空區(qū)部分填充或充水，表現(xiàn)為相對高阻異常；②采空區(qū)全部填充或充水，表現(xiàn)為低阻異常。根據(jù)采空區(qū)電性特征不同，采空區(qū)可以分為低阻采空區(qū)和高阻采空區(qū)。總的來說，開采厚度較大形成的采空區(qū)，在采空區(qū)內(nèi)有水時斷面圖上為低視電阻率；沒有水時斷面圖上為高視電阻率。所以，根據(jù)視電阻率在斷面圖上的反應可以確定采空區(qū)的形狀、位置。

(2)彈性波場特征：地震波在上覆地層與下伏地層之間、煤層與圍巖之間的傳播波速度不同，容易形成地震界面，即波阻抗界面或速度界面。在斷裂破碎帶或采空區(qū)，地震波的動力學特征也是明顯不同的，主要表現(xiàn)為：煤層采空區(qū)或采空塌陷區(qū)與完整地層相比，地層變得疏松、密實度降低，即單位體積內(nèi)介質(zhì)的密度降低，使得傳播于其中的地震波速度、頻率、能量等發(fā)生變化。采空區(qū)形成的裂隙、破碎、空洞等，使得地震波傳播到這些位置時將會出現(xiàn)繞射或散射等現(xiàn)象。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法探測采用傳統(tǒng)的大線框法瞬變電磁儀(MSD-2型)和新型反磁通瞬變電磁儀(HPTEM-08型)。其中，MSD-2型瞬變電磁儀適用于中淺層礦產(chǎn)和水資源勘查，以及工程勘查和構造研究等的現(xiàn)場使用(圖2a)，要求場地較為平坦、植被較少等條件，需要根據(jù)場地地形情況布置測線，共布置31條測線，長4150 m。HPTEM-08型是一種創(chuàng)新性的高精度瞬變電磁探測系統(tǒng)(圖2b)，不需要像傳統(tǒng)方法那樣鋪設數(shù)十米見方的電纜，外業(yè)施工相對簡便、高效，能實現(xiàn)淺層、中深層(0～100 m)的高精度瞬變電磁探測，由于受地形條件的影響較小，主要布置在擬建的建筑范圍之內(nèi)，共布置32條測線，長1757 m。

2.3 微動探測

基于臺陣技術的微動理論由美國地球物理學家Aki(1957)和Capon(1969)提出。微動探測就是以平穩(wěn)隨機過程理論為依據(jù)，以微弱的大地震動作為震源，利用檢波器在地表接收來自各個方向的微動信號，通過空間自相關法(SPAC)提取其瑞雷面波(Rayleigh Wave)頻散曲線，經(jīng)反演獲取地下介質(zhì)的橫波(S波)速度結構的地球物理探測方法。微動探測具有抗干擾能力強、探測深度大、淺層分辨率高、設備快捷輕便、勘探成本較低等特點，而且不受各地層速度關系的影響，對環(huán)境也沒有特殊要求及破壞。微動方法對探測煤層陷落柱、煤礦采空區(qū)、村莊覆蓋區(qū)煤層構造以及地震區(qū)或者城市建筑的地下結構等方面具有得天獨厚的技術優(yōu)勢和應用前景(常鎖亮等，2002；李娟娟等，2009；彭府華，2021；孫飛，2022；楊智等，2022)。

視勘探目的不同，微動探測分為單點微動探測(測深)和微動剖面探測兩種。根據(jù)擬建場地條件和探測要求，本次采用微動剖面探測方法，使用的儀器為岳陽奧成科技有限公司的多道數(shù)字高分辨率地震儀和重慶儀器廠的主頻2.5 Hz檢波器。探測過程中，采用直線型的觀測系統(tǒng)，1 m、2 m、5 m道間距，24道接收，采樣頻率100 Hz，采樣時間30～45 min，共布置測線27條，測線長度3683 m(圖3)。

2.4 采空區(qū)探測結果

根據(jù)采空區(qū)的地球物理特征可知，物探異常區(qū)通常表現(xiàn)出：

(1)采空區(qū)未填充(或部分填充)時，微動探測表現(xiàn)為低速異常區(qū)，瞬變電磁法表現(xiàn)為高阻異常；

(2)采空區(qū)填充、含水時，微動探測表現(xiàn)為低速異常區(qū)，而瞬變電磁法也表現(xiàn)為低阻異常。

通過對微動探測和瞬變電磁法兩種探測結果的處理、分析和反演，推測出擬建場地共有6處采空區(qū)異常，主要分布在5條物探剖面上(表1、圖4)。

3 工程鉆探

為進一步查明擬建場地淺部區(qū)域(80 m以淺)采空區(qū)的大致位置、范圍、埋深、開采厚度、巷道分布等基本情況，根據(jù)地球物理探測結果，利用鉆探工程，對6處采空區(qū)異常進行驗證。使用設備為DPP-100型鉆機，共完成46個采空區(qū)探查鉆孔，結果發(fā)現(xiàn)空洞或采后虛填物的鉆孔有12個(圖5、表2)。

4 場地穩(wěn)定性與抗震分析

4.1 穩(wěn)定性分析

根據(jù)地球物理探測、鉆探工程勘察和現(xiàn)場調(diào)查結果，擬建場地煤層開采引起的地表變形特征主要表現(xiàn)為采空塌陷和地面沉降。其中，淺部煤層的開采往往引起采空塌陷，而深部煤層的開采則易引起地面沉降。

(1)淺部采空區(qū)對擬建場地穩(wěn)定性的影響

西部(中學部)地塊：共有3個鉆孔見空，涉及4#高中教學樓和1#風雨操場、游泳館等擬建筑物。其中，ZK48#鉆孔見空為小煤窯巷道，見空深度為8.5 m，見空厚度為2.1 m，見空區(qū)域位于基槽開挖范圍之內(nèi)，對其應進場地基處理；其余2個鉆孔(ZK10#、ZK29#)見空深度分別在地表以下58.7 m、78.2 m，見空厚度為1.6 m、0.6 m，采空的煤層為下窯坡組(J1y)煤層。由于見空深度遠大于4#高中教學樓附加應力的影響深度，且采深采厚比均>30，采空范圍小，未形成一定規(guī)模的采空連續(xù)區(qū)，同時該場地受次級倒轉(zhuǎn)向斜控制，下伏一套中粗砂巖，厚度30～50 m，地層完整，形成一個堅硬穩(wěn)定的整體，可做建筑物的直接持力層，根據(jù)擬建筑物的荷載大小、基礎形式而選擇適當?shù)姆乐未胧?/p>

圖5 工程鉆機與代表性巖芯現(xiàn)場照片

表2 鉆孔探空情況一覽表

東部(小學部)地塊：共有9個鉆孔發(fā)現(xiàn)采空跡象，涉及2#綜合教學樓、3#文藝樓、看臺等擬建筑物。大多鉆孔見空深度集中在地表下19.6～42.5 m 之間，僅兩個鉆孔在地表下52.5 m、56.8 m見空，見空厚度0.3～2.4 m不等，部分鉆孔采深采厚比<30。9個見空鉆孔的位置相對比較集中，說明該區(qū)域在淺部地表下形成了連續(xù)的采空區(qū)。由于小窯采空區(qū)深度較淺，煤層開采時無支撐、無充填，易引起采空塌陷，如不采取合理的處理措施，在擬建筑物附加荷載影響及地質(zhì)環(huán)境條件變化情況下，易發(fā)生地面塌陷，對擬建筑物構成潛在的安全隱患。

根據(jù)鉆探結果，小窯采空區(qū)目前處于虛空或半充填狀態(tài)，大多為采后冒落塌陷、殘留煤層，表現(xiàn)為采后虛填物、局部見空洞，須做注漿充填處理。

(2)深部采空區(qū)對擬建場地穩(wěn)定性的影響

據(jù)相關資料，擬建場地的深部緩傾斜煤層(>70 m)解放后主要由門頭溝區(qū)城子煤礦開采，其中第2、5槽煤層都進行過大面積開采，并形成了一定范圍的沉降區(qū)。根據(jù)擬建場地所處的位置及煤層的開采范圍，確定擬建場地位于該沉降區(qū)的中間。由于擬建場地的深部緩傾斜煤層已停采多年，按照巖層移動規(guī)律，地表移動活躍期已過，快速變形階段已經(jīng)完成，地表沉降基本趨于穩(wěn)定。但是，該煤層采空區(qū)所引起的殘余沉降仍將持續(xù)相當長的一段時間，故殘余沉降也將會對擬建筑物產(chǎn)生一定的影響。

由此可知，擬建場地面臨采空區(qū)的主要威脅是采空塌陷和采空殘余變形?？紤]到擬建場地下的小窯采空厚度不大、采空深度有限，根據(jù)目前的防治經(jīng)驗，可采用注漿充填的方法進行治理；而深部采空區(qū)引起的殘余變形則可通過加強擬建筑物的基礎、結構強度，以及設置變形縫來進行防治。

(3)邊坡穩(wěn)定性評價

根據(jù)場地現(xiàn)狀地形條件可知，西部地塊的中學部4#高中教學樓、5#宿舍樓，其北側(cè)、西側(cè)均為巖石邊坡，高差較大(15～20 m)、坡度較陡(30°～60°不等)，坡體上覆厚度不等的第四系坡洪積層，局部堆填建筑垃圾；中學部1#風雨操場、游泳館地處低洼地帶，其南側(cè)邊坡較陡，上覆厚度不等的第四系坡洪積層(局部出露強風化基巖)；6#機動車庫堆積建筑垃圾較厚；東部地塊的小學部1#、2#綜合教學樓、3#文藝樓區(qū)域內(nèi)存在凸起的山丘，形成多級擋墻邊坡。

擬建場地及其周邊出露的巖石邊坡，多為逆向邊坡，有利于邊坡的穩(wěn)定，整體滑坡的可能性不大。但擬建場地開挖施工時，會形成較多的人工邊坡，如不采取有效措施及時支護，有可能引起邊坡的坍塌，危及擬建工程的安全。

4.2 抗震分析

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2010)，經(jīng)過在鉆孔中采用單孔法的剪切波速測試，判定擬建工程的場地類別。其中，4處擬建筑物的場地類別為Ⅰ1類，其他場地類別均為Ⅱ類。根據(jù)規(guī)范，擬建場地的抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度值為0.20 g。

根據(jù)上述探測成果和資料分析，擬建場地的中南部局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)小窯采空跡象，深部為國礦采空區(qū)(采空深度70～230 m)。從地質(zhì)、地形、地貌上綜合判定，該局部區(qū)域為對建筑抗震的不利地段。

擬建場地的地下水位埋藏較深(>20 m)，因此，在上述抗震設防烈度、基本地震加速度下，20 m以淺的深度范圍內(nèi)地基土可不用考慮液化影響。

5 結語

查明地下采空區(qū)的空間分布范圍、形態(tài)特征及冒落塌陷狀況等，對保障采空區(qū)的有效治理、場地工程的安全建設、擬建筑物的安全穩(wěn)定有著十分重要的作用。本文通過地球物理探測、工程鉆探等技術手段，對門頭溝校區(qū)擬建場地的采空區(qū)開展探查工作，取得如下探測及研究成果。

(1)采用瞬變電磁法、微動探測等地球物理方法，推測出6處采空區(qū)異常區(qū)域。

(2)通過對異常區(qū)域的鉆探工程驗證，有12個鉆孔發(fā)現(xiàn)空洞或采后虛填物。

(3)通過對場地穩(wěn)定性評價表明，采空塌陷和采空殘余變形是主要的威脅。其中，淺部的小窯采空區(qū)處于虛空或半充填狀態(tài)，容易引起采空塌陷，對擬建筑物構成潛在的安全隱患，須進行注漿充填處理；深部的煤層采空區(qū)將會引起相當長一段時間的殘余沉降，可通過加強擬建筑物的基礎、結構強度，以及設置變形縫來進行防治。同時，還要采取有效措施，對場地開挖施工形成的人工邊坡進行及時支護。

(4)通過抗震分析，擬建場地的抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度值為0.20 g；中南部局部區(qū)域為對建筑抗震的不利地段；20 m以淺的深度范圍內(nèi)地基土不需考慮液化影響。