煤矿采空区勘察与地基稳定性评估技术及其工程实践

胡炳南,胡广福

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.龙煤矿业集团鸡西分公司地质测量部,黑龙江鸡西 158100）

煤矿采空区勘察与地基稳定性评估技术及其工程实践

胡炳南1,胡广福2

（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013;2.龙煤矿业集团鸡西分公司地质测量部,黑龙江鸡西 158100）

从煤矿采空沉陷区利用的必要性出发,介绍了煤矿采空区勘察技术和稳定性评估内容;提出了物探 3种常用方法的应用条件和钻探中的技术要求;通过覆岩裂缝带高度与荷载影响深度计算,系统地研究地基空间可靠性;分析了地表移动期和地表残余移动变形,给出了适宜建设的时间建议和稳定性评估标准;提出了采空区地基的 5个分区方案;介绍了煤矿采空区勘察和地基稳定性评估技术范例,旨在为采空区规划利用提供参考。

采空区勘察;地基稳定性评估;残余变形

1 煤矿采空沉陷区利用的必要性

1.1 煤矿采空沉陷区面积巨大

据 2007年统计资料,我国 71个原国家统配煤矿采空沉陷区面积为 4027.4km2,其他统配矿和地方矿采空沉陷区面积合计 4000km2。全国井工煤矿采空沉陷区面积总计达 8000km2,且仍然以较快速度增加。

1.2 矿区建设用地近年激增

近年来,随着国民经济的纵深发展,矿区生产和生活设施开发力度在不断加大,矿区范围内建设用地增加很快:国家采煤沉陷区治理的居民小区建设项目需要土地;国家城镇棚户区改造项目需要土地;矿井改扩建工业场地建设工程需要土地;坑口电厂、选煤厂和水泥厂建设工程需要土地等。目前,矿区建设用地需求量大。

而在矿区范围内,不受开采影响的区域很少。这样,势必造成了矿区建设用地紧张、新项目选址困难的问题,许多矿区已无地可选了。

因此,合理利用面积巨大的煤矿采空沉陷区土地,是目前迫切需要研究的课题,具有实际的应用价值和极大的必要性。

2 采空区勘察技术

采空区勘察的目的是查明采空区平面分布、观测和分析采空区及其覆岩现状,为地基稳定性评估提供依据。

煤矿采空区勘察,除收集地质采矿资料和地面踏勘外,还需要进行物探、钻探 （含岩石力学试验）、彩色钻孔电视等多种手段。

2.1 物探勘察

物探方法很多,在此介绍 3种主要方法。

（1）EH-4大地电磁法 EH-4是美国 Geom etrics公司和 EMI公司研制的双源电磁系统,适合浅部 （<1000m）勘察。通过测量相互正交的电场分量 （E x,E y）和磁场分量 （H x,H y）,计算地层介质视电阻率,进而推断地下介质结构异常。

（2）瞬变电磁法 瞬变电磁法属时间域电磁测深法,是利用阶跃波形电磁脉冲激发,利用不接地回线向地下发射一次场,在一次场的间歇期间（断电后）,测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化,来达到寻找各种地质目标体的一种地球物理勘探方法。该方法自上世纪 80代在国内广泛应用,并在近几年取得长足发展的物探新技术。

（3）高密度电法 高密度电阻率层析成像是一种新型阵列勘探方法,是基于静电场理论,以探测目标体的电性差异为前提,集电测深与电剖面于一体的勘探方法。

物探方法选取主要根据采空区深度、干扰因素确定。勘察采空区埋深大时,推荐 EH-4;勘察区地表接地条件较差时,推荐不需接地的瞬变电磁法;勘察区有高压电线干扰时,推荐高密度电法（直流电）。也可在物探前,进行分辨率对比试验,通过实验优选确定物探方法和现场工作参数。

2.2 钻探勘察

在物探的基础上进行钻探,其主要目的是在平面上查清采空区的分布和大小,并通过钻探岩样的力学试验,测试采空区覆岩的力学强度。

基于上述目的,钻探中要求:第四系层段泥浆冲洗,基岩层段清水冲洗,记录不返水钻孔深度;表层填土及松散地层用套管护壁,套管深度为基岩面下5m。

2.3 彩色钻孔电视观测

彩色钻孔电视观测的目的是确定采空区覆岩破坏现状。

彩色钻孔电视系统包括探头、控制器、绞车架、电缆、计数器等几部分。摄像探头自带光源、防水,可对钻孔中地质体实时观测、监控和记录;观测岩性、破碎带、岩溶、暗河、地下水位等。

彩色钻孔电视,结合冲洗液漏失量,观测“两带”发育高度,可大大提高准确度。该系统摄取360°孔壁图像,精度为毫米级。

3 地基稳定性评估技术

地基稳定性评价主要内容是:计算上覆岩层采动破坏影响高度和建 （构）筑物附加载荷影响深度,判别 2个影响带是否重叠,分析其地基空间可靠性;计算地表残余变形,判断其残余沉降与变形是否小于建 （构）筑物允许值,评价其采动影响对建 （构）筑物地基的安全性。

3.1 空间可靠性分析

与一般建 （构）筑物地基相比,采煤沉陷区地基,除了地表建筑载荷影响外,在其下方还存在覆岩破坏带。如果较大的外力传递到垮落带和裂缝带岩土层,就有可能在地表产生较大突变,破坏建（构）筑物地基的整体稳定性。因此,必须分析采空区覆岩破坏带高度、建 （构）筑物荷载影响深度以及其相互之间的空间位置关系。

（1）垮落带、裂缝带高度计算 众所周知,采煤沉陷区覆岩内存在垮落带、裂缝带和弯曲带。在垮落带,岩层均断裂破坏,破断的岩块之间存在较大的空洞;在裂缝带,岩层产生破裂、离层、裂隙;在弯曲带,岩层基本呈整体连续下沉。垮落带和裂缝带均属于不连续变形破坏,其抗压、抗剪强度明显低于原始岩体的强度。如果建 （构）筑物荷载传递到这两带,势必加大建 （构）筑物的不均匀沉降,严重时,可造成建 （构）筑物的断裂。因此,必须计算垮落带和裂缝带高度。

一般条件下垮落带高度 Hm（m）和裂缝带高度 Hli（m）按以下公式计算:

式中,M为采厚,m;w为顶板下沉量,m;K为碎胀系数;α为煤层倾角,（°）。

式中,M为煤层综合采厚,m;a,b为与覆岩性质有关的系数,对于中硬岩层,a=1.6,b=3.6。

（2）荷载影响深度计算 荷载影响深度主要根据建筑物荷载产生的附加应力与地基自重应力之间的相互关系而定。一般当地基中附加应力等于相应位置处自重应力的 20%时,即可把该深度处建（构）筑物荷载产生影响忽略不计。鉴于所研究的地基属于存在破裂岩体的沉陷区上方地基,建议把20%提升到 5%～10%。

地基中的自重应力σc（kPa）计算公式为:

式中,n为从地面到深度 z处的土层数;γi为第 i层土重力密度,kN/m3;hi为第 i层土厚度,m。

地基中的附加应力计算比较复杂,一般采用根据弹性理论推导出的方法。布辛尼斯克 （Boussinesq）推导出了半空间弹性体内竖向集中力作用下任意点的竖向应力表达式:

式中,σz为地基中深度为 z到集中力 P作用点的距离为 R处的竖向应力,kPa。

作用在地基上的荷载很少有集中力的形式,往往是通过基础分布在一定的面积上。假设基础底面的形状为规则的矩形,则可以根据叠加原理利用积分的方法求解,得地基中的附加应力分布。

根据式 （4）,通过积分求解可导出矩形面积均布荷载作用下,矩形面积中点下深度 z处的附加应力σz为:

根据地质条件、建 （构）筑物设计情况,即可计算得出附加荷载影响深度。

一般覆岩裂缝带高度与荷载影响深度间存在以下 3种关系:

（1）荷载影响深度和覆岩裂缝带高度之间有一定安全距离,此时附加荷载不会影响裂缝带的稳定性;

（2）荷载影响深度接触到裂缝带顶部,此时处于临界状态;

（3）荷载影响深度进入裂缝带内部,此时附加荷载会影响裂缝带的稳定性,建 （构）筑物受较大不均匀沉降的影响,需要采取地基处理措施。

3.2 残余沉降变形分析

（1）采动移动期分析 根据地表移动规律,地表移动要经过初始期、活跃期和衰退期 3个阶段。初始期为下沉 10mm开始到下沉速度达到50mm/月的时段;活跃期为下沉速度大于 50mm/月的时段;衰退期是从下沉速度小于 50mm/月直到连续 6个月地表下沉值累计不超过 30mm的时段。

在地表移动期内,地基的移动变形较为剧烈,地基的倾斜变形和不均匀沉降也会远远超过建（构）筑物设计允许值,对建 （构）筑物地基基础和上部结构均具有较大的破坏作用。因此,选址一般选择在相对稳定的区域,以避免剧烈地表移动变形对地基破坏影响。

（2）残余移动变形分析 事实上,经过地表移动期后,上覆岩层只是处于相对平衡阶段。采空区上方岩体中的离层、裂缝带和垮落带的岩块并未充分压密。在受到建 （构）筑物外力作用时,仍有可能打破原有稳定状态,导致地面出现新的移动和变形。

地表经过移动期后继续产生的移动变形称为残余沉降变形。采空区残余移动变形是常规地表移动变形的延续。地表任意点的残余变形,如残余倾斜、残余曲率、残余水平变形等仍可按概率积分法求偏导计算得出。

根据《建筑地基基础设计规范》要求,地表残余沉降变形值加上附加载荷引起的地基沉降变形的叠加值应小于地基允许沉降变形值。

4 适宜性分区方案

依据国家相关规程、理论分析和工程实践,根据作为建设用地的适宜性,可将采空沉陷区划分为以下5个类型。

4.1 不适宜的区域

包括在开采过程中可能会有台阶、裂缝等非连续变形的地段。比如:采深采厚较小的薄覆盖层区域;煤层倾角大于 55°且厚度大于 3.5m的厚煤层露头区域;用非正规采煤方法开采区域;上覆岩层有地质构造破坏的区域。

4.2 暂不适宜的区域

包括采煤引起地表移动较活跃的非稳区,以及地表残余水平变形大于 6.0mm/m、残余倾斜变形值大于 10.0mm/m的采动影响区域。该区域采动影响尚未稳定,但随着时间的推移,其残余沉陷与变形将进一步减小,故暂不宜作为建设用地。

4.3 处理后较适宜的区域

空间可靠性分析中,荷载影响深度已进入覆岩破坏带高度的欠稳定情况。在该区域,外荷载可能引起岩体失稳。因此,需对采空区进行注浆处理。

4.4 较适宜的区域

主要指水平变形 2.0～6.0mm/m、地表倾斜值3.0～10.0mm/m的区域。这些区域可作为新建场地,但需要根据残余变形性质和残余变形量进行抗较大变形的设计。

4.5 推荐地基的区域

主要指水平变形小于 2.0mm/m、地表倾斜值小于 3.0mm/m、地表曲率小于 0.20×10-3/m的区域。该地段优先推荐作为建筑场地,但考虑到复杂的地质采矿条件,在该区域兴建建 （构）筑物时,仍需进行抗一定等级变形设计。

5 工程实践

5.1 项目概况

山西娘子关 2×600MW机组“上大压小”项目的新村厂址位于山西省平定县张庄镇。厂区西南部存在煤田采空区、厂区东北部存在硫铁矿采空区,采空区范围和现状不十分清楚,需要对采空区地基稳定性问题进行专项勘察和评估。

在物探方法选择方面,考虑到本区矿层深度较浅,都在 100m以内;采空区与围岩有较好的电性差异;地面有 7条高压线 （1条 35kV,6条10kV）。因此,在采用瞬变电磁法和 EH-4高频大地电磁法外,增加了高密度电法,以克服高压电线的干扰。通过大量物探工作 （高密度电法 62条,测点 4797个,线距 20m,点距 9m;瞬变电磁法 13条,测点 225个,点距 20m;EH4测线 5条 ,132个测点,点距 20m）,作出80条剖面,结合钻探和地面调查资料,判断采空区异常,见图1,并转换为异常分布平面图。

图1 物探测出的采空区异常剖面

在钻孔勘探方面,充分利用已有地质孔和岩土孔资料,优化钻孔布置;在重要建 （构）筑物区域进行加密,对其进行重点设防;并在物探结果基础上,对物探异常区进行验证。在本勘探区共钻探29个钻孔,总进尺 1346.39m,取岩石样 25个,进行室内岩石力学实验。在 29个钻孔中,见实体煤的 4个;见实体矿层的 14个;见空区的 5个;未见煤层和矿层的6个。

在彩色钻孔电视监测方面,共观测 12个孔,无水钻孔 4个,观测效果很好,图像清晰;有水钻孔 6个,在这些有水钻孔中无水段,观测效果良好,图像清晰;在深部有水段,图像欠清晰,但可说明其底部非采空区。

5.2 勘探综合成果

（1）通过物探和钻探,查清了 15号煤层露头线;综合确定了煤矿开采区范围,采深 30～75m,采厚约 6m;综合确定了硫铁矿开采区最大范围,采深 50～60m,采厚约 1.2m。如图 2。

图2 勘探得出的煤层露头线、煤矿采空区和硫铁矿采空范围

（2）通过钻探、岩石力学实验和彩色钻孔电视监测,掌握了勘探区上覆岩层的岩层赋存现状,煤矿区的覆岩为强风化 -中等风化岩层,属于软弱岩层,稳定性较差;硫铁矿区顶板一般为 5m厚的灰岩和 10m左右的砂岩,密度大、抗压强度高,多为坚硬岩层,承载力强,完整性和稳定性好。参见图3。

图3 彩色钻孔电视测出的破碎岩体和完整岩体现状

5.3 稳定性评价成果

采用概率积分法,预计煤矿采空区残余地表最大沉降 269mm,最大倾斜变形 13.55mm/m,最大水平变形 8.67mm/m,其最大残余变形值达到了建筑物产生Ⅳ级 （极度严重）采动损害时的地表移动变形值;预计硫铁矿区残余地表最大沉降43mm,最大倾斜变形 0.47mm/m,最大水平变形-0.28～0.20mm/m （见表 1）,其最大残余变形值为建筑物产生 I级采动影响时的地表移动变形值。

表2列出了电厂主要建 （构）筑物地基的变形允许值。根据地表下沉 10mm等值线作为边界、采动影响程度和覆岩岩性情况,把整个勘探区划分

表1 硫铁矿区开采地表残余移动变形最大值

为 3个区域,并提出了相应评估意见。

表2 电厂主要建 （构）筑物地基的变形允许值

（1）Ⅰ类区为地表下沉 10mm等值线以外的不受开采影响的区域。该区域可作为正常建设用地使用。

（2）Ⅱ类区为地表残余变形小、上覆岩层强度较大的硫铁矿开采影响区域。鉴于该区域的建（构）筑物载荷影响已经达到矿层开采深度,为了消除拟建厂区不良地质条件和隐患,需进行采空区注浆处理后,作为新建电厂的建设用地。

（3）Ⅲ类区为地表残余变形大、采空区上覆岩层欠稳定的煤矿开采影响区。该区域覆岩稳定性较差,残余地表移动变形较大,处理前不能在本区兴建建 （构）筑物。经采空区处理后本区可作为一般辅助设施功能区用地。

6 结束语

（1）我国土地日趋珍贵,而矿区建设用地也越来越紧张。合理利用面积巨大的采空沉陷区土地,是目前发展的大趋势。

（2）鉴于采空区地基的特殊性,要确保建（构）筑物安全,必须重视采空区勘察与地基稳定性评估,同时也需加强治理方案编制与施工质量管理,并进行治理效果检查。

（3）位于采空沉陷区内的建 （构）筑物,应根据重要性及使用要求,采取不同的抗变形措施。

[1]煤炭科学研究院北京开采研究所 .煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用 [M].北京:煤炭工业出版社,1984.

[2]国家煤炭工业局制定 .建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程 [M].北京:煤炭工业出版社,2000.

[3]陈希哲 .土力学地基基础 [M].北京:清华大学出版社, 1998.

[4]天地科技股份有限公司开采所事业部 .中电投山西娘子关2× 600MW机组“上大压小”项目新村厂址采空区专项勘察报告[R].北京:天地科技股份有限公司,2009.

Techno logy of Gob Detection and Founda tion Stab ility Eva lua tion and Its Practice

HU B ing-nan1,HU Guang-fu2

（1.CoalMining&Designing Department,TiandiScience&Techno logy Co.,L td,Beijing 100013,China; 2.Geo logy Survey Department,JixiB ranch,LongmeiMining Group,Jixi158100,China）

Based on necessity of subsidence area utilization in coalm ine,thispaper introduced techno logy of gob detection and stability evaluation for coalm ine.Itp resented 3 usualm ethods’app licable conditionsand technical requirem ents.With calculation of fissure zone heightand loading influence dep th for foundation stability,itanalyzed influence tim e and residual deform ation of surface subsidence and p resen ted rational construction tim e and stability evaluation standard.Foundation over gobwas d ivided into 5 partitions.An examp le of gob detection and foundation stability evaluationwas showed as reference to gob p lanning and utilization.

gob detection;foundation stability evaluation;residual deform ation

TU 441.7

A

1006-6225（2010）02-0008-05

2009-11-09

胡炳南 （1960-）,男,浙江金华人,研究员,现任天地科技股份有限公司特采所副所长。

[责任编辑:周景林]