某地下采空区稳定性的勘察与评价——以深圳横岗深茂水泥厂大理岩矿采空区为例

易宙子(深圳市建设综合勘察设计院有限公司,广东深圳 518000)

某地下采空区稳定性的勘察与评价
——以深圳横岗深茂水泥厂大理岩矿采空区为例

易宙子∗
(深圳市建设综合勘察设计院有限公司,广东深圳 518000)

摘 要:以深圳某地下采空区项目为例,通过资料搜集、地质钻探验证、物探手段验证、岩土工程分析与评价等方法,对采空区稳定性进行勘察与评价,对类似采空区评价项目采用的勘测思路、程序和评价方法起到一定的借鉴作用。

关键词:地下采空区；稳定性；勘察；评价

1　引 言

地下采空区由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点,因此,如何准确查明地下采空区的分布范围、空间形态特征和采空区的冒落状况以及稳定性评价等,一直是困扰采空区勘察的关键技术难题。深圳横岗深茂水泥厂大理岩矿采空区,位于横岗镇大康村委南侧,交通便利。早年,当地居民就露采该大理岩做石灰石原料,至上世纪80年代初,进行了大面积露天及地下开采,直至1998年前后关闭。随着开发用地的需要,先对该地下采空区稳定性和用地适宜性进行评价工作,也就尤为必要了。

2　资料搜集

查明地下采空区的开采历史、分布范围、空间形态特征应首先注重资料搜集工作,本项目评价通过查找档案、走访等方式,搜集到了该矿场地质勘察报告、1996年10月实测矿坑数字化地形图、1999年地形图、2005年地形图等,通过对比,采空区范围及分布得到了初步判断。

2．1矿体形态、产状和规模

该矿体由石炭系下统大塘阶石蹬子组中粒方解石大理岩夹细粒白云石大理岩组成,厚层与巨厚层状,整体上矿体呈缓倾斜单斜层状产出,总体走向为NE63° ～SW243°,微呈“S”形弯曲。倾向330°～334°,倾角一般在30°～35°之间,矿层厚度为48 m～60 m之间。

2．2矿山开采情况

早年,当地居民就露天开采该大理岩做石灰石原料,至上世纪80年代初(1981年～1984年),深圳市地质局等多家单位先后开展了多次地质详查、矿产详查工作,随后进行了大面积露天及地下开采,直至1998年前后关闭。经核对该矿历年来探矿、勘察及地下巷道测量等多方面资料,自1984年～1998年间,场地经过十余年的开采,包括露天与地下开采,露天开采局部最低挖至标高21 m左右,现状已回填,地面现标高约60 m,并形成了3层地下采空区,如图1所示。

图1　搜集的第三层地下采空区巷道测量图

2．3测量成果对比

根据对本大理岩矿资料搜集,查明该矿于1998年关闭。1996年10月,曾对该矿地下采空层进行野外数字化测图,根据该测量结果,本矿基本设计开挖有3层地下采空区,各层采空区和露天开采概况如下:

第1层采空区:底标高约22 m,顶标高30 m,巷道平面中心线总长0．463 km,巷道平面开采面积4 293 m2,概略挖方约28 549 m3;

第2层采空区,底标高约10 m,顶标高约15 m ～20 m,巷道平面中心线总长1．343 km,巷道平面开采面积16 967 m2,概略挖方约93 321 m3;

第3层采空区,底标高约-8 m,顶标高约-5 m,巷道平面中心线总长1．379 km,巷道平面开采面积3 781．5m2,概略挖方约7 752 m3。从实测图看,该层多为巷道,即未进行大面积开采工作。该层采空区1996年底开始设计施工,至1998年关闭,开采时间较短,开采空间有限。

露天开采情况:由于场地经过大面积露天开采,至1998年前后,局部最低标高约21 m,1999年开始回填,目前现场地已经平整至标高60 m左右。根据1999年前后实测地形图的对比,基本查明了露天开采的范围和深度,如表1所示。

采空层空间分布情况表 表1

3　地质钻探验证

钻探验证是判断搜集资料准确性的最直观的手段。根据搜集到该矿历史开采资料情况,主要是结合搜集到的采空区的平面范围和空间分布,布置了10个钻孔对采空区以及露天开采范围和深度进行验证,并可取得岩石试样,进行岩石强度试验,为后续采空区稳定和强度验算提供基础资料。

3．1地形地貌

场地原始地貌属低丘～低丘间冲沟,但多经过露天开采,至1998年前后,局部最低标高约21 m,1999年开始回填,现场地已经平整。现地面标高在59．69 m～62．34 m之间。

3．2地层岩性

根据钻探揭露,场地内各地层的岩性及野外特征自上而下依次描述为:

人工填土:褐黄、褐红色,由黏性土含少量砂砾组成,新近堆填,结构以松散为主,中下部一般稍密。各孔均钻及,层厚2．8 m～32．2 m。

填石:灰褐色,主要由碎石或块石组成,局部含黏性土20%～30%,稍密,层厚4．0 m～16．0 m。

黏土(含卵石):褐灰,褐黄色,不均匀含卵石20%左右,稍有光滑,湿,可塑状,摇振反应无,干强度高,韧性高,层厚11．2 m～12．0 m。

卵石:灰,浅黄～黄色,饱和,稍密～中密,充填有黏性土,卵石成分为石英等,亚圆形,卵石占50%～70%,粒径一般为3 cm～5 cm,层厚4．0 m。

粉质黏土:褐黄,灰白色,由大理岩风化残积而成,风化不均,含少量碎块,湿,可塑状,稍光滑,摇振反应无,干强度高,韧性高,层厚4．9 m。

石炭系下统微风化大理岩:乳白,灰白色,系场地内下伏基岩,厚～巨厚层状。主要矿物成分为方解石、白云石等,较完整,含碳酸镁,碳酸钙等成分,滴稀盐酸起泡,岩体基本质量等级为Ⅲ类,结构基本未变,少量风化裂隙,岩芯多呈长柱状,少量短柱状,锤击声较清脆,有轻微回弹,稍震手,较难击碎,RQD值约为80%。据勘察采取的部分岩样进行岩石力学性质试验,统计得到该大理岩性质如表2所示:

大理岩物理力学指标统计表 表2

3．3钻孔揭露采空层概况

各钻孔在岩层中揭露有多个采空洞,其分布及充填物情况如表3所示:

钻孔揭露采空层情况表 表3

续表3

以上各孔均未揭露第3层采空区,说明第3层开采空间范围有限,仅施工采矿巷道,未进行全面开采, 第1层和第2层采空层空间分布与搜集资料基本吻合,达到了验证所搜集资料正确性的目的。

4　物探手段验证

物探方法目的,主要是查明勘察范围内采空区的分布情况,主要是查明采空区的埋深及其规模,与钻探工作互相验证。

4．1方法选择与仪器设备

物探方法多种多样,根据本项目场地和地层特点,选择了密点距高密度电法进行勘察,共完成物探测线工作量1 672 m。高密度电阻率法俗称高密度电法,是以地壳中岩石的电阻率差异为物质基础,观测和研究人工电场的变化和分布规律,进而进行解决地质问题的一种勘探方法。

高密度电法属于电阻率法范畴,是一种阵列勘探方法。传统的电阻率法有电测深法和电剖面法。电测深法反映测点下方不同电性的岩层随深度的分布情况。电剖面法反映地下一定深度内沿水平方向地电断面的特征。高密度电法同时具备上述两种方法的特点,并弥补了传统电阻率法测点相对稀少和解释依据单一的不足。

高密度电法勘探的前提条件是地下介质间的导电性差异,和常规电法一样,它通过A、B电极向地下供电(电流为I),然后测量M、N极电位差△U,从而求得该记录点的视电阻率值ρs =K∗△U/ I。根据实测的视电阻率剖面进行计算、处理、分析,便可获得地层中的电阻率分布情况,从而解决相应的工程地质问题。在勘测中,采用了如下参数:

装置类型:温纳装置(AMNB),如图2所示。

电极距:3 m～5 m

电极排列:60个

记录层数:20层～25层

图2　高密度电阻率法装置示意图

4．2物探检测成果

测线从高密度电法视电阻率成像图分析,地表至地下十几米左右视电阻率值较低,约100 Ω·m ～1 000 Ω·m,推断解释该层为第四系松散覆盖层(或露天开挖后回填碎石土)。十几米以下视电阻率值最高,约 1 000 Ω·m～3 500 Ω·m,物探推断解释为基岩(大理岩);其中夹有约250 Ω·m～600 Ω·m,物探推断解释为无充填的溶洞,结合该场地实际情况解释为采空区,由于采空区埋深都在地表水位线之下,虽无充填,但实际是充满了水,所以其视电阻率值为低阻,如图3所示。

图3　高密度电法电阻率成像图

从本项目某物探剖线试验结果和所搜集掌握的资料、勘探情况对比来看,物探所显示的采空区的分布、埋藏深度、上覆岩层厚度与搜集资料、勘探情况均基本吻合。

5　岩土工程分析与评价

5．1强度验算

根据浅基础和桩基础两种荷载情况,将采空层上覆岩层看作为板,建立模型,将不同荷载形式直接作用在大理岩板时,破坏的临界厚度试算出来,即可估算判定不同基础形式和荷载强度下采空层上覆岩层的稳定性,如图4所示。

图4　采空层上覆岩层稳定性计算模型图

计算参数选取:如采用筏板基础时,采空层埋深按10 m,顶板有效荷载取350 kPa;如采用桩基础,集中荷载分别按单桩承载力3 000 kN、5 000 kN、10 000 kN、15 000 kN,桩距按2 m～5 m考虑,分别进行试算。采空层跨度根据调查资料,结合1996年10月实测矿坑数字化地形图,采空区矿柱跨度最大约20 m, 按20 m考虑。大理岩的抗剪强度根据实验成果,抗剪断强度平均值为10．1 MPa,标准值为8．7 MPa,考虑到岩体中有少量裂隙,其抗剪强度将低于岩石的抗剪断强度,按《工程岩体分级标准(GB50218-94)》中附录C的规定,工程岩体按Ⅱ类考虑,且保证一定安全度,抗剪(断)强度按3．0 MPa取值进行验算,计算上覆岩层稳定的临界厚度。计算结果如表4所示:

按《工程地质手册(第四版)》采空区勘察有关规定:当上覆岩层厚度H＜H0时,地基不稳定,当H0＜H＜ 1．5H0,地基稳定性差,当H＞1．5H0时,地基稳定。

上覆岩层临界厚度计算结果 表4

上表计算结果表明,如采空层实际上覆岩层厚度达到10 m以上,场地基本稳定,可作为一般工程建设场地用地。

5．2工程地质分区及场地稳定性、适宜性评价

根据以上试算结果及地质调查、物探、钻探查明的采空层分布、埋深、上覆岩层厚度等,将整个采矿地采界限内分为3个地质分区,各工程分区工程地质条件和稳定性评价及建筑适宜性评价如表5所示:

各分区场地稳定性和适宜性评价 表5

6　结 语

综上所述,对于采空区勘察与稳定性评价工作,一般可采用以下4个步骤:即资料搜集、地质钻探验证、物探手段验证、岩土工程分析与评价,通过上述手段,查明了此矿区曾经历露天开采和地下三个水平层开采,查明了采空区的空间分布,并建立力学模型进行上覆岩层临界厚度试算,从而进行岩土工程分析与评价,对类似的地下采空区勘察和稳定性评价工作有一定的借鉴作用。

参考文献

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[4] 张长敏,祁丽华,慎乃齐．采空区建筑地基稳定性评价研究[J]．湖南科技大学学报,2006(4)．

[5] 章进．浅部采空区上方拟建高层建筑地基稳定性研究[D]．徐州:中国矿业大学,1996．

Stability Investigation and Evaluation of Underground Mined Area

Yi Zhouzi
(Shenzhen Geotechnical Investigation & Designing Institute Co．,Ltd,Shenzhen 518000,China)

Abstract:Underground mined area project in shenzhen as an example,through data collection,geological drilling, geophysical prospecting validation,geotechnical engineering analysis and evaluation,investigation and evaluation on the stability of mined area,for similar mined area evaluation project reconnaissance ideas,procedures and evaluation methods have certain enlightenment function．

Key words:underground mined area;stability;investigation;evaluation

文章编号:1672-8262(2015)05-172-05中图分类号:P642

文献标识码:B

收稿日期:∗2015—05—25

作者简介:易宙子(1978—),男,高级工程师,主要从事岩土工程勘察设计等技术工作。