京西小窑采空塌陷勘查与监测技术研究

翟淑花，李良景，冒 建，安立伟

(北京市地质研究所，北京 100120)

北京西山侏罗系地层发育，埋藏较浅，煤层开采具有成本低、见效快等特点，因此，在19世纪80年代国家政策允许私人开矿时，京西涌现出数以千计的小煤窑.而小煤窑在追求短期效益的基础上，全然不顾“三下采煤”预留保护矿柱开采规范，对京西煤炭资源进行了掠夺性开采，加之开采煤层以浅部为主，上覆煤岩层较薄，造成京西历史采煤区大面积塌陷，地裂缝发育，给人民生命财产带来一定的威胁.

关于煤炭开采引起的地面塌陷问题已引起采矿和岩土工程界学者的高度重视，但多集中于对正在生产的国家大型矿业集团开采引起的塌陷进行监测和研究[1-14]，对已停产的地方小窑开采引起的塌陷却少有涉及.然而，在特殊地质条件下，小窑开采引起的塌陷具有如下特点：1)侏罗系地层顶板较为坚硬，开采后老顶不会轻易冒落，一旦冒落，将会整体陷落，因而采空塌陷具有突发性、整体性、影响面积大、地质动力显现明显等特点； 2)塌陷潜伏时间长，不易察觉，陷落前无明显征兆；3)废弃小煤窑相互贯通，情况复杂，采空区范围难以查清，防范难度和预测性差.

本研究以京西小窑开采集中地——门头沟区王平镇南港村采空塌陷为例[15]，在采空区勘查、监测的基础上，对采空塌陷区稳定性进行了初步判断.

1 采空区勘查与监测

北京市门头沟区王平镇南港村位于王平镇东部，村域地下蕴藏着丰富的煤炭资源，开采历史悠久，历年采煤累计形成的采空区体积达数十万立方米.该区含煤地层主要为侏罗系窑坡组，岩性以石英砂岩和粉砂岩为主.窑坡组可采煤层共五层，即1、2、5、7、9槽煤，煤层倾向南东，倾角较缓.煤层埋藏深度为120～160 m，局部较浅.而在南港地区，可采煤层只有1层，即赋存于煤系地层最下部的1槽煤.其余槽煤局部可采，且解放前己大量开采.1槽煤厚度最大3.50 m，最小0.40 m，平均煤厚2.00 m.煤层厚度变化较大，大部可采，为较稳定煤层.煤层结构较复杂，一般中部有一层泥岩夹矸，厚0.10～0.30 m.煤层顶板为细砂岩，底板为硬绿泥石角岩、泥岩或粉砂岩.

采煤方式为爆破落煤，采用壁式工作面，巷道为木支护结构，采空区顶板管理采用自然垮落.该种采煤方式会对围岩造成较强的破坏，并在地下形成一个连通的悬空区.

1.1 采空区勘查

在考虑工作区内地形、地貌、地质背景条件的特点及地面建筑等不利工作条件的基础上，对比各种物探方法的工作方式和抗干扰能力，从不同岩性物质的电性差异入手，选取大地电磁测深法、高密度电阻率法和探地雷达法(图1～3)，进行采空区综合探测，并结合钻孔进行验证，最终圈定出南港村采空区15个，其中最小采空区面积为153 m2,最大采空区面积为11 101 m2，埋深为5～65 m(表1).

图1 地质雷达采空区探测探测剖面

图2 高密度电阻率法采空区探测剖面

图3 大地磁测深法采空区探测剖面

采空编号位置埋深及影响面积特征简述A1村委会桥南5～40m(770m2)深部(30m±)存在采空,采空区直径约10m,其上部岩体塌陷松散,顺垂直岩层的裂隙向南倾斜陷落,致河沟冲洪积物(厚5～8m)底部松散下沉,平面影响范围30m.A2村委会桥北5～40m(653m2)深部(30m±)存在采空,范围20m,其上部岩体塌陷松散,顺垂直岩层的裂隙向南倾斜陷落,致河沟冲洪积物(厚5～8m)底部松散,平面影响范围60m.A3横穿村委会5～80m(11101m2)深部(50m±)存在采空,范围20m,其上部岩体塌陷松散,致河沟冲洪积物(厚5～8m)底部松散,地面房屋裂缝多,平面影响范围150m,多条测线均有反映,为本区最大采空区.A423号院门口5～35m(194m2)深部(30m±)存在采空,范围10m±,其上部岩体塌陷松散,致河沟冲洪积物(厚5～8m)底部松散,平面影响范围20m.A5早市桥5～25m(800m2)深部(20m±)存在多个采空,范围10m±,其上部岩体塌陷松散,致河沟冲洪积物(厚5～8m)底部松散,平面影响范围60m.

续表

1.2 采空塌陷监测

根据塌陷区地质环境特征及塌陷发育特点，共布静力水准1处、GPS监测站7处、深部位移计1处、微震监测仪1处，对采空塌陷区地表及深部位移进行实时监测.具体布设见图4.

图4 采空分布及主要监测设备布设图

2 监测数据分析

2.1 GPS监测数据

南港村采空区较为零散，GPS监测点分布于采空区周边，从目前监测数据(表2、图5、图6、图7)来看：1)垂直位移最大的为GPS004，数值为29.4 mm；最小的为处于塌陷边缘的GPS007，数值为6.4 mm.2)Y水平位移最大的为GPS001，数值为24.8 mm；最小的为GPS004，数值为1.2 mm.3)X方向位移最大为GPS006，数值为27.9 mm；最小为GPS005，数值为8 mm.总体来讲，地表连续 12个月下沉不超过 30 mm，地表移动期已基本结束.

表2 GPS最大监测值一览表

图5 GPS002监测曲线图

图6 GPS004监测曲线图

图7 GPS007监测曲线图

2.2 静力水准

对南港采空区静力水准监测值，按月进行统计分析，可知该处高程变化较小，在-10～10 mm之间波动，平均值为5 mm，且未出现大的突变(图8).

图8 静力水准监测曲线图

2.3 深部位移

在采空塌陷区选择典型点，打孔安装深部测斜仪，布置传感器3个，分别在埋深60，75，85 m位置，绘制了深部处传感器合成位移-时间曲线(图9).从图上可以看出，变形曲线位移量值较小，平整平滑，波动小，该处岩体整体性好，没有软弱夹层或软弱带，稳定性较好.

图9 深部测斜仪监测合成位移-时间曲线

2.4 微震监测

门头沟区南港村井下12 m的传感器在10月27日 00∶05监测到了微震事件，其图谱如图10所示.经后续核查可知，该微震事件是由外部施工造成的，并非矿震.

图10 微震事件图谱

2.5 稳定性分析

参考已有研究成果及GB 51044—2014《地面采空区岩土工程勘察规范》，制定该地区地表移动变形稳定性的判定标准.具体见表3.

表3 地表稳定性破坏判别标准

1) 沉降速率分析.在充分考虑各类监测手段本身误差的前提下，计算出塌陷区沉降速率远远小于1 mm/d，且连续6个月累计下沉<30 mm.

2)倾斜、曲率分析.根据采空塌陷区GPS监测数据，分别绘制其最大倾斜、曲率曲线(图11、图12).从图中可知：南港采空塌陷区倾斜最大值为0.16 mm/m，未超过限值3 mm/m；南港采空塌陷区曲率最大值为0.002 mm/m2，未超过限值0.2 mm/m2.

图11 地表倾斜曲线图

图12 地表曲率曲线图

3 结语

1)从不同岩性物质的电性差异入手，选取大地电磁测深法、高密度电阻率法和探地雷达法进行采空区综合探测，并结合钻孔进行验证，最终圈定出南港村采空区15个，最小采空区面积为153 m2，最大采空区面积为11 101 m2，埋深为5～65 m.

2)构建的以地表位移、深部位移、微震为主的多参数监测系统能够实现对采空塌陷区位移和动力灾害的全天候立体监测，为采空塌陷预警提供技术支持.

3)通过门头沟南港村开展静力水准和GPS实时监测，获取塌陷区地表变形监测数据，计算获得南港采空塌陷区倾斜最大值为0.16 mm/m，未超过限值3 mm/m；曲率最大值为0.002 mm/m2，未超过限值0.2 mm/m2.由深部位移传感器监测数据可知，深部位移近乎连续，未出现突变现象，微震监测未发现强烈的动力活动.

综上所述，停采10余年的南港区采空塌陷地表变形速率较小，地表移动期已经结束，目前处于变形较小的残余变形期，为较稳定可控状态.

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