北京門頭溝新城建設(shè)場地小窯采空區(qū)探測及穩(wěn)定性分析

高志剛，靳寶，閻飛，陳玉巧，賀鴻森，劉華斌

(1.北京京能京西房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，北京 102300；2.北京京能地質(zhì)工程有限公司，北京 102300)

0 引言

采空區(qū)是指地下礦產(chǎn)被開采后的空洞及其圍巖變形失穩(wěn)而產(chǎn)生位移、開裂、破碎垮落、直至上覆巖土層整體彎曲、下沉所引起的地表變形和破壞的地區(qū)或范圍(王金莊等，1995；郭廣禮，2001；張永波等，2006)。采空區(qū)會直接引發(fā)建筑物開裂、地面沉降、塌陷，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，會對既有建筑帶來不同程度的安全隱患，對人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了較大的威脅，嚴(yán)重影響區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和社會穩(wěn)定(胡祥云等，2006；黃俊革等，2006；于景村等，2007；張凌云和劉鴻福，2011)。當(dāng)今，隨著我國城市化建設(shè)的不斷推進(jìn)，越來越多的工業(yè)廢棄地被開發(fā)和利用，其中采空區(qū)場地的治理和開發(fā)將是今后一段時間內(nèi)，工程建設(shè)領(lǐng)域急需解決的工程技術(shù)難題。在采空區(qū)建設(shè)和開發(fā)之前，首先要進(jìn)行的是采空區(qū)的地質(zhì)勘察工作。目前，國內(nèi)外常見的采空區(qū)勘察方法是采用多種地球物理探測方法結(jié)合工程鉆探，對采空區(qū)進(jìn)行綜合評價。在地球物理探測方面，主要的探測方法有高密度電法、瞬變電磁法、地震勘探法、地質(zhì)雷達(dá)探測法、放射性測量法等，以上地球物理探測方法各有優(yōu)缺點(diǎn)(陳相府等，2005；陳昌彥等，2010；戴前偉等，2010；張勁松等，2010)。在勘察階段，重點(diǎn)工作是要查明采空區(qū)的分布范圍、規(guī)模、形態(tài)及場地工程地質(zhì)條件等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對建設(shè)場地下伏采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析就是利用勘察階段提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對場地的穩(wěn)定性進(jìn)行定性或定量的評價，為后續(xù)的勘察設(shè)計(jì)及項(xiàng)目投資決策提供依據(jù)。對采空區(qū)場地的穩(wěn)定性分析和評價，首先是對現(xiàn)狀采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，進(jìn)而是對擬建項(xiàng)目竣工后場地的穩(wěn)定性進(jìn)行分析(滕永海和張俊英，1997；郭廣禮，2001；宮鳳強(qiáng)等，2008；化建新和鄭建國，2018；孫輝和王起超，2018；李學(xué)良等，2022)。本文以門頭溝新城建設(shè)場地小窯采空區(qū)為研究區(qū)，通過多種勘察手段，在查明場地采空區(qū)分布的基礎(chǔ)上，對建設(shè)場地采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價，可為后續(xù)工作及類似項(xiàng)目提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 場地位置

門頭溝新城建設(shè)場地位于北京市門頭溝區(qū)門頭溝路47號，緊鄰門頭溝路，距區(qū)政府不足5 km，場地北依九龍山腳，東至龍門新區(qū)，南臨門頭溝路景觀河，西靠惠澤家園東區(qū)。研究區(qū)場地位置見圖1。

圖1 研究區(qū)場地位置圖

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

門頭溝新城建設(shè)場地所處地質(zhì)構(gòu)造位于近北北東走向的九龍山向斜南東翼。九龍山向斜構(gòu)造軸向50°～60°，軸面傾向南東。該向斜南東翼較為平緩，地層傾角一般為10°～20°，向斜核部出露地層為侏羅系九龍山組(J2j)和侏羅系龍門組(J2l)，南翼由北向南依次分布有侏羅系窯坡組(J1y)、侏羅系南大嶺組(J1n)、二疊系—三疊系雙泉組(P2-T2)、二疊系石盒子組(P1s)、石炭系中上統(tǒng)(C2-3)等。

1.3 工程地質(zhì)條件

據(jù)已有勘察鉆孔資料顯示，建設(shè)場地揭露深度(最深91 m)范圍內(nèi)的地層劃分為人工填土層、一般第四系坡洪積層、侏羅系窯坡組基巖及煤系地層。其中：

人工填土層：稍濕，松散—稍密，以碎石為主，含黏性土、煤渣，夾黏質(zhì)粉土、碎石填土透鏡體。

一般第四系坡洪積層：稍濕，稍密—中密，棱角狀碎石，黏性土充填，夾粉質(zhì)黏土、角礫、塊石。其中，塊石層鉆探施工較困難。

侏羅系窯坡組基巖及煤系地層：分為全風(fēng)化粗砂巖層、強(qiáng)風(fēng)化粗砂巖層、中等風(fēng)化—微風(fēng)化中粗砂巖層。其中，中粗砂巖層鉆探時巖芯較完整，易施工。

1.4 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較為簡單，有利于大氣降水的排泄。該區(qū)含水層主要為基巖裂隙含水層。由于煤層的開采，該區(qū)地下水位很低，第四系松散沉積地層在該區(qū)呈疏干狀態(tài)，窯坡組含煤地層受開采抽水的影響，地下水位位于地表100 m以下，目前該區(qū)域地下水正處于緩慢回升過程中。

研究區(qū)含水地層的含水性主要受巖性和氣候條件的控制和影響，地下水的補(bǔ)給來源主要是大氣降水直接滲入或通過第四紀(jì)的松散地層孔隙補(bǔ)給，大氣降水除部分補(bǔ)給地下外，另一部分作為地表及地下徑流向東排泄。

2 小窯采空區(qū)探測

2.1 煤層開采特征

研究區(qū)內(nèi)共有9層煤，其中第9層煤層，在該地塊大面積開采，采空區(qū)距地表垂距130～230 m；第7層煤層大面積采空，采空區(qū)距地表距直距離170～340 m；第7層與第9層層間距約為70～80 m；第5層大面積開采，開采充分，第5層與第7層層間距為60～95 m；第2層大面積開采，第2層與第5層煤層間距約為75～95 m；第1層未采，第1層與第2層層間距95～110 m。

2.2 地球物理探測

地震勘探是利用地下介質(zhì)彈性和密度的差異，通過觀測和分析大地對人工激發(fā)地震波的響應(yīng)，推斷地下巖層的性質(zhì)和形態(tài)的地球物理探測方法。地震勘探是礦產(chǎn)勘查、工程地質(zhì)勘查、區(qū)域地質(zhì)研究和地殼研究等方面的重要手段。近年來，地震勘探的探測方法也在采空區(qū)探測方面得到了廣泛應(yīng)用，其原理是依據(jù)采空區(qū)及其上覆圍巖狀態(tài)對地震波傳播影響的不同，來判斷采空區(qū)的具體位置及其充填形態(tài)。探測時，人工在地表激發(fā)地震波，當(dāng)?shù)卣鸩ㄏ蛩綔y地下區(qū)域傳播，遇到彈性和密度不同的地質(zhì)層分界面時，發(fā)生反射波和折射波，采用專門儀器將該信號接收處理、解譯，根據(jù)波傳播過程中經(jīng)歷的時間、地震波的振幅特點(diǎn)等，就能夠獲得探測區(qū)域采空區(qū)的分布特征(張淑坤，2015)。

高密度電阻率法是20世紀(jì)八十年代興起的一種電法勘探方法，其原理是在探測剖面上同時布置多道電極，由人工控制向地下發(fā)送電流，使地下形成穩(wěn)定的電流場，通過自動控制轉(zhuǎn)換裝置對所布設(shè)的剖面進(jìn)行自動觀測和記錄。高密度電阻率法可進(jìn)行二維地電斷面測量，兼具剖面法和測深法的功能，是進(jìn)行地層劃分、隱伏斷層構(gòu)造探測的一種有效物探手段(李夕兵等，2006；楊鏡明等，2014)。近年來，高密度電阻率法在探測采空區(qū)和地面塌陷方面也得到了廣泛應(yīng)用。在采空區(qū)探測方面，高密度電阻率法顯著特點(diǎn)是施工方便、數(shù)據(jù)量大、分辨率高、可靠性好、圖像直觀，但高密度電法探測精度對地形要求較高(呂惠進(jìn)等，2005；祁民等，2006；雷旭友等，2009)。

研究區(qū)場地地勢平坦，無明顯起伏。本次研究采用地震勘探和高密度電阻率法的手段對建設(shè)場地下伏的采空區(qū)進(jìn)行探測。地震勘探測試中，震源為20 kg落重震源，布置3條東西向地震測線，分別為1#測線、2#測線、3#測線，測線間距3 m；布置4條南北向地震測線，分別為4#測線、5#測線、6#測線、7#測線，測線間距2 m。為確保探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，對東西向的2#測線和南北向7#測線采用高密度電阻率法進(jìn)行測試驗(yàn)證，2#測線和7#測線解釋剖面圖見圖2、圖3。

圖2 2#測線綜合解釋剖面圖a—橫波速度剖面；b—縱波速度剖面；c—電阻率剖面

圖3 7#測線綜合解釋剖面圖a—橫波速度剖面；b—縱波速度剖面；c—電阻率剖面

地震探測反演結(jié)果顯示2#測線和7#測線中各有一處波速低速異常區(qū)域，推測此處為煤層開采，引起圍巖松散、密實(shí)度降低，導(dǎo)致地震波波速降低，此處推測為采空塌陷區(qū)。同時，電阻率探測反演結(jié)果顯示該區(qū)域表現(xiàn)為低阻異常，地震勘測和高密度電阻率測試結(jié)果吻合度良好。綜合這兩種地球物理探測結(jié)果，可初步推測測試異常區(qū)域下部分布有小窯采空區(qū)。

2.3 鉆探驗(yàn)證

鉆探是最直接的勘探手段，在采空區(qū)的探查工作中具有直觀、準(zhǔn)確的特點(diǎn)(姜文富，2017)。為進(jìn)一步掌握場地下伏采空區(qū)的分布情況，本次研究在地球物理探測結(jié)果異常的區(qū)域，采取鉆探手段進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步查明該區(qū)域的采空區(qū)分布情況。

在2#測線和7#測線探測結(jié)果顯示異常的區(qū)域布置，共4個探查鉆孔，鉆孔平面布置見圖4，各鉆孔鉆探揭露成果見表1。

圖4 鉆孔布置平面圖

表1 探查鉆孔揭露情況一覽表

鉆探揭露顯示2處探測異常區(qū)域均分布有小窯采空區(qū)，采空區(qū)深度在30～60 m，與地球物理探測結(jié)果一致。只是限于手段的局限性和探測精度，由探測結(jié)果推測的小窯采空區(qū)范圍還需要在后續(xù)的工作中進(jìn)一步精確和細(xì)化。

3 場地穩(wěn)定性分析

3.1 采空塌陷危險性分析

建設(shè)場地下伏主采煤層為第2槽、第5槽、第7槽及第9槽煤層，其中第1槽煤層僅局部開采。圖5為覆巖移動分帶示意圖。

圖5 覆巖移動分帶示意圖I—冒落帶；II—導(dǎo)水裂隙帶；III—彎曲下沉帶

根據(jù)煤層的采厚及距地表的距離對各槽煤層的冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行估算，結(jié)果見表2。

(1)

(2)

式(1)、(2)中：H冒-采空區(qū)冒落帶高度；H裂―采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度；M―礦層法向厚度。

以上計(jì)算結(jié)果表明，建設(shè)場地下開采的第1槽、第2槽、第5槽、第7槽及第9槽煤層，因各槽煤層槽間距較大，下一槽煤層的開采所形成的冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶不足以延伸到上一槽的開采煤層中。同時由于煤層的采深較大，最上面一層煤層(第9槽煤層)開采所形成的冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶不會延伸至地表(與地表的距離均大于80 m)，因此不會引發(fā)地面塌陷。

3.2 地表變形特征及分布規(guī)律

建設(shè)場地各開采煤層所引起的地表變形可通過公式3～公式7進(jìn)行計(jì)算：

最大下沉量計(jì)算：

W=mqcosα

(3)

式(3)中：m—煤層開采厚度；α—煤層傾角；q—下沉系數(shù)，其取值與頂板管理及充填有關(guān)，取值范圍在0.02～0.80之間，門頭溝煤礦主要采用刀柱法進(jìn)行開采，下沉系數(shù)取值按0.45考慮。

最大傾斜值(mm/m)：

i=W/r=W/(H/tgβ)

(4)

式(4)中：r—主要影響半徑，其值為采深與主要影響角正切tgβ的比值，根據(jù)礦區(qū)的開采資料，tgβ取值為1.6。

最大曲率值(mm/m)：

K=±1.52W/r2

(5)

最大水平移動(mm)：

V=bW

(6)

式(6)中：b—為水平移動系數(shù)，根據(jù)煤田資料，b=0.2～0.4，b取值0.25。

最大水平變形值(mm/m)：

ε=±1.52W/r

(7)

根據(jù)以上公式進(jìn)行地表變形計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 地表變形參數(shù)計(jì)算表

煤層老采空區(qū)已經(jīng)塌陷冒落，呈充填—半充填狀態(tài)，地表急劇變形已基本完成，估算已采煤層采空區(qū)的剩余空洞的體積約占總采空體積的10%～20%，已采煤層采空區(qū)的剩余沉降量約占總沉降量的10%～20%左右，地表剩余變形值計(jì)算見表4。

表4 地表剩余變形值計(jì)算

3.3 場地穩(wěn)定性分析評價

根據(jù)規(guī)劃，場地?cái)M建6～12層建筑，基礎(chǔ)形式按筏基考慮，擬建建筑物的地基埋深按1 m(樓層6層)及2.5 m(樓層12層)進(jìn)行估算，建筑物荷載每層按16 kPa考慮，建筑物的長寬按45 m、12 m進(jìn)行考慮，則擬建建筑中心點(diǎn)下的附加應(yīng)力σz可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(8)

式(8)中，m=L/B；n=Z/B，其中L為矩形建筑物的長邊的一半，B為矩形建筑物的短邊的一半，Z為從基底下某點(diǎn)至基底的深度，p為建筑物的荷載。

根據(jù)上式計(jì)算出擬建建筑物中心點(diǎn)下的附加應(yīng)力隨深度的變化，見表5、表6所示。

表5 擬建建筑中心點(diǎn)下不同深度處的附加應(yīng)力表(樓層6層)

表6 擬建建筑中心點(diǎn)下不同深度處的附加應(yīng)力表(樓層12層)

一般認(rèn)為附加應(yīng)力小于或等于0.1倍的自重應(yīng)力時，巖土層中的應(yīng)力則以自重應(yīng)力為主，可以不考慮附加應(yīng)力的影響。以上計(jì)算可以看出，擬建建筑如為6層，其附加應(yīng)力的影響深度約為17 m。擬建建筑如為12層，其附加應(yīng)力的影響深度約為23 m。

在附加應(yīng)力的影響深度范圍內(nèi)，如遇采空區(qū)或者采空引起的冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶，則會引起應(yīng)力集中，從而引發(fā)采空塌陷或者加劇采空變形。該場地東北角及西南角局部區(qū)域存在小窯采空區(qū)，有誘發(fā)地面塌陷的可能。在其它區(qū)域，由于采空區(qū)埋深相對較大，附加應(yīng)力的影響深度尚不至于達(dá)到采空區(qū)的冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶，誘發(fā)地面塌陷的可能性較小，但擬建建筑增加了地表荷載，有可能加大該區(qū)域的采空變形。綜合確定擬建建筑物引發(fā)和加劇采空塌陷為“危險性中等”。

4 結(jié)論

在采空區(qū)場地進(jìn)行開發(fā)和建設(shè)，首先需要對場地的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評價。本研究首先綜合采用地震勘探和高密度電阻率測試兩種地球物理探測手段，通過對探測結(jié)果異常區(qū)域的分析，初步確定了場地采空區(qū)的分布范圍。其次在地球物理探測基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用鉆探手段進(jìn)行了驗(yàn)證。最后，基于采空區(qū)的沉陷理論計(jì)算，結(jié)合探測結(jié)果，對場地的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和評價。取得如下研究成果：

(1)在對研究區(qū)內(nèi)煤層和采空區(qū)分布及地球物理探測手段分析的基礎(chǔ)上，采用了地震勘探和高密度電阻率測試兩種測試手段。經(jīng)鉆探驗(yàn)證，這兩種手段在小窯采空區(qū)探測工作中吻合度較高，效果較好。

(2)計(jì)算結(jié)果說明，研究區(qū)場地下開采的各槽煤層槽間距較大，下一槽煤層開采所形成的冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶不足以延伸到上一槽的開采煤層中。現(xiàn)狀場地由采空區(qū)引發(fā)地面塌陷可能性較小。

(3)研究區(qū)場地東北角及西南角局部區(qū)域存在小窯采空區(qū)，有誘發(fā)地面塌陷的可能。在其它區(qū)域，由于采空區(qū)埋深相對較大，附加應(yīng)力的影響深度尚不至于達(dá)到采空區(qū)的冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶，誘發(fā)地面塌陷的可能性較小，但擬建建筑增加了地表荷載，有可能加大該區(qū)域的采空變形。綜合確定擬建建筑物引發(fā)和加劇采空塌陷為“危險性中等”。

(4)因小窯采空區(qū)分布的復(fù)雜性和不確定性，在后續(xù)的勘察、設(shè)計(jì)階段還需進(jìn)行專項(xiàng)勘察和設(shè)計(jì)，并采取有效的治理方法對場地的小窯采空區(qū)進(jìn)行專項(xiàng)治理。項(xiàng)目竣工完成后，對新建建筑和周邊場地進(jìn)行長期的采空區(qū)沉降監(jiān)測。