王文考,孟軻荊,劉正,梁兵,李冬月,何旭
(1.北京京能地質工程有限公司, 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)地質調查中心, 北京 100012)
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)。
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)),北側有一條東西向的沖溝,永定河斷裂通過其東側。
根據(jù)場地條件及地質情況,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。
(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)??偟膩碚f,開采厚度較大形成的采空區(qū),在采空區(qū)內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,即單位體積內介質的密度降低,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。
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,共布置32條測線,長1757 m。
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)。
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)。
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)。
根據(jù)地球物理探測、鉆探工程勘察和現(xiàn)場調查結果,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,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、西側均為巖石邊坡,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。
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、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以淺的深度范圍內地基土可不用考慮液化影響。
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以淺的深度范圍內地基土不需考慮液化影響。