基于济南章丘某项目场地采空区的勘察及治理方案研究

于孟伟，黄文龙，吴永东

（1.济南世茂天城置业有限公司，山东 济南 250001；2.山东建勘集团有限公司，山东 济南 250031）

拟建场地位于济南市章丘区某煤矿采矿范围内，地块总面积约4.2万m2，共包括11栋8～18F建筑、1栋2F配套公建及地下1F车库，主楼拟采用剪力墙结构筏板基础，车库拟采用框架结构独立基础。主楼正负零标高约92.3m，基础埋深约6.0～6.2m。拟建场地北侧、西侧均为现状市政道路；场地南侧、东侧均为后期规划用地。

1 区域地质概况

1.1 地层

拟建场地位于山东台背斜鲁中台凸的北缘，为泰山背斜的北翼，属典型的华北型石炭-二叠纪含煤沉积[1]。区域地层由老到新依次如下：

（1）奥陶系八陡组：以厚层微晶灰岩、薄层豹皮状含白云质泥晶灰岩和泥晶岩屑灰岩为主；石炭系本溪组，以泥岩、砂岩、粉砂岩、泥岩为主，是铝土矿层的主要赋矿层位（G层铝土矿）。（2）石炭系太原组：以砂岩、粉砂岩、泥岩为主，是区域主要的含煤层系。（3）二叠系淄川组：以深灰色、灰色、黄色砂岩为主，夹页岩、泥岩及煤层。（4）二叠系黑山组：以砂岩、页岩为主，下部为薄层煤层。（5）二叠系万山组铝土矿层：主要为灰色、灰白色硬质黏土（铝土岩）。（6）二叠系奎山组：为一套碎屑岩组合。（7）二叠系孝妇河组：以泥岩、粉砂岩、长石石英砂岩、炭质页岩和细砂岩为主。（8）三叠系凤凰山组：以长石砂岩、粉砂岩为主，夹少量泥岩。（9）第四系冲洪积物。

1.2 矿产

拟建场地内及周边主要的矿产为煤矿，主要开采的煤层为7煤、9煤和10-3煤。此外，区域内的黏土矿主要赋存于石炭系本溪组底部（G层铝土矿），G层铝土矿不稳定，在项目场区内埋深250m左右，区内未开采；区域内的A层铝土矿和B层铝土矿位于二叠系万山组内，项目场区内及周边均已剥蚀殆尽，拟建场地内不存在铝土矿或黏土矿采空区。

2 场地采空区勘察

2.1 现场勘察

通过前期调查场区周边地质资料、矿产勘查及开采资料，初步确定场地主要可能开采的煤层为7煤、9煤和10-3煤；据此制定了采空区勘察方案：①以线距30～50m、点距10m的网度对整个场区进行大地电磁测深法勘探；②以线距40～50m，点距5m的网度对整个场区进行高密度电法勘探；③根据物探成果划分物探异常区，对物探异常区进行钻探验证。典型高密度电法剖面如图1所示。

图1 典型高密度电法剖面（单位：m）

完成的8条高密度电法测线探测深度约75～80m，无明显的采空异常特征，此外场地内完成的125个详勘钻孔（孔深10～25m），均未发现采空现象，进一步表明了场地内无浅层黏土矿、铝土矿采空区，与区域地质中场地及附近二叠系万山组已被剥蚀殆尽的情况相符。

根据完成的12条大地电测测深结果，D1～D6、D9～D12剖面局部范围内80～120m深度处存在物探异常，D7～D8剖面局部范围内120～140m深度处存在物探异常；并且大地电测测深剖面上有明显的“V”型低阻异常，该异常南北两侧的梯度差异明显，结合剖面附近的验证孔资料，上述位置及对应深度恰是砂岩赋存深度，对比验证孔揭露的其他地层判定，判断该“V”型低阻异常为断裂的物探表现，将其定名为F1断层，为正断层，倾向南西，倾角75°左右。典型大地电测测深剖面如图2所示。

根据物探结果，在物探异常区施工的8个验证孔，其中ZK1、ZK5孔在7煤位置揭示破碎带夹碎矸；ZK2、ZK3孔揭示保护煤柱，并且有明显漏水现场，表明附近存在7煤采空区；ZK4孔7煤被侵入岩破坏；ZK7孔揭露揭示保护煤柱并且整孔返水；ZK6孔在80.7～85.4m及117.0～120.0m处进尺明显变快且岩芯破碎、采取率低，并且有漏水现象，推断该钻孔在上述深度揭露采空区，后续补充的综合测井工作也反映出了上述深度范围内波速明显偏低且井径偏大，符合采空区特征；ZK08孔揭露较完整的7煤煤芯。ZK6孔综合测井曲线如图3所示。

图2 典型大地电测测深剖面（单位：m）

根据上述物探及钻探成果，制作场地内采空区勘察阶段成果图，划分场地内推测未开采区、较密实采空区、不密实采空区三种分区。后经专家讨论，认为可增加钻孔及物探手段，进一步查明场地内采空区分布。据此，于场地内增加微重力法勘探（10m×15m网度）、增加验证孔6口，并且于部分验证孔中增加综合测井工作。采空区勘察阶段成果图如图4所示。

通过补充的勘察工作表明：场区内剩余重力值局部明显较高，剩余重力高值区与周边负值区梯度变化明显，结合钻探成果，分析认为区内重力高值区为未采区或保护煤柱；场区大部分区域剩余重力为负值，并且在剩余重力负值区内分布一系列明显低于背景值的负异常区，梯度变化明显，结合场区周边煤矿采掘资料以及附近钻探资料和综合测井成果，推断明显的负异常区为塌陷不充分或充填不密实的采空巷道的反映；场区内其余区域剩余重力值虽为负值，但数值均基本为-0.06～0.04mgal，面积较大且梯度变化不明显，结合场区周边煤矿采掘资料及附近钻孔资料和综合测井成果，推断该区域为塌陷较充分或充填较密实的采空区分布范围。采空区勘察最终成果图如图5所示。

图3 ZK6孔综合测井曲线（局部）

图4 采空区勘察阶段成果图

图5 采空区勘察最终成果图

2.2 场地稳定性及适宜性评价

根据采空区勘察成果，利用终采时间、地表移动特征综合评估采空区场地稳定性：评估区内采矿活动在2002年基本完成，区内采空区移动变形已趋于停止，但有重新活化的可能，综合评价场地采空区稳定性为基本稳定。

按工程重要程度和变形要求判断：拟建工程重要等级为一般工程，场地稳定性为基本稳定，判断采空区对拟建工程的影响程度为中等。按采空区特征判定：场地内7煤采空区属中深层采空区，场地地表变形特征及发展趋势现阶段相对稳定，场地内部分采空区处于未塌陷密实状态，考虑到地下水对煤柱的软化作用，也可能导致部分采空区活化，判断采空区对拟建工程的影响程度为中等。

按荷载临界影响深度判别工程建设对采空区的影响，荷载临界影响深度HD按如下经验公式计算：

式中：B为场区内巷道宽度，m，B取2.0m；γ为巷道上覆岩层的重度，kN/m3，γ取23kN/m3；φ为巷道上覆岩体内摩擦角，°，φ取30°，P为基础埋深，m，P取6.2m。对于拟建18F建筑，计算得出荷载临界影响深度HD=23.4m，采空区深度大于1.5HD，拟建工程建设对采空区稳定性影响小。

按附加应力影响深度判别工程建设对采空区的影响，根据采空区上三带理论，按软弱覆岩经验公式计算垮落断裂带厚度Hli：

式中：Hli为垮落断裂带厚度，m；M为采厚，m。

垮落裂隙带深度H1f=采空区深度-垮落断裂带厚度Hli，通过计算各楼座附加应力影响深度，对比附加应力影响深度和垮落裂隙带深度H1f，判定拟建工程建设对采空区稳定性影响小，如表1所示。

表1 附加应力影响深度判别法评价表

综合上述各评价结果，拟建工程采空区局部未塌陷密实，采空区对拟建工程影响中等，工程建设对采空区稳定性影响小，基本适宜工程建设。建议对拟建场地南侧推测不密实采空区范围进行注浆治理，治理深度应不少于不密实段底板以下3m。

3 采空区治理方案

根据场地采空区特征以及注浆孔间距取值表，制定场地采空区治理方案[2]：主楼范围内按12m间距采用正三角形布置注浆孔，注浆孔深度由7煤煤层底板标高确定，处理至煤底板以下3m，施工时注浆孔深度根据孔口标高以及设计孔底标高确定，孔深约115.5～135m；

因拟建场区内的采空区可能与场区外围的采空区贯通，因此将西侧、北侧、东侧外围注浆孔加密至10m间距作为帷幕孔。按注浆孔、帷幕孔总数的3%～5%间隔布置取芯孔，取芯孔孔底标高115.5～135m，施工时先施工取芯孔，根据取芯孔揭露采空区情况适当调整相应区域注浆孔深度及间距。帷幕孔注浆施工采用间歇注浆工艺，待周边帷幕孔注浆完成后再进行其余注浆孔的施工。周边帷幕注浆孔注浆时可添加适量速凝剂，注浆时采用间歇注浆的方式确保起到封堵边界的作用。在巷道及断层发育区段，帷幕注浆孔可适当加密，封堵钻孔的注浆应调整配比并采取掺加速凝材料或结合投石投砂的方法进行。

4 治理效果检测

采空区治理施工后，通过检测孔取芯、孔内电视及压浆实验、波速测试、高密度电法检测及变形监测对治理效果进行检测，结果如下：检测孔取芯钻探成果表明，检测孔无掉钻现象，并且均发现水泥结石体，水泥结石体强度也达到治理要求。孔内电视及压浆实验成果表明场地未发现其他深度的不稳定塌落区及空洞，不密实采空区的治理深度内水泥结石体填充完好，充填系数大于85%，满足治理要求。波速测试成果表明，孔内注浆位置横波波速vs≥300.0m/s，场地注浆效果明显，达到治理要求。高密度电法检测成果表明，视电阻率等值线分布相对较为均匀，梯度变化平缓，未发现等值线强烈扭曲，等值线整体呈层状，无明显低阻异常区，说明采空区的注浆治理效果明显，质量较好。变形监测成果表明最大沉降点沉降速率为0.072mm/d≤0.170mm/d，在场地变形允许值范围内。

通过检测表明：治理范围内未发现其他深度的不稳定塌落区及空洞，这与采空勘察结果相吻合，并且场地内不密实采空区治理效果明显，质量较好，满足治理规范要求，基本消除了场地稳定性的隐患。

5 社会效益

根据收集资料初步判断项目场地位于采空区范围内，参考周边同类项目采空区治理成本估算本场地进行全面治理时费用约1200万，治理周期约50～60d；通过高密度电法及大地电磁测深法勘探及钻孔验证，阶段性成果推断的不密实采空区治理费用约800万，治理周期约40～50d；通过补充微重力法勘探及综合测井工作，最终圈定的不密实采空区治理费用约180万，治理周期30d。该次采空区勘察通过较丰富的工作量和较为齐全的勘察手段，查明了场地内采空区的分布特征，逐步圈定了场地内采空塌陷的不密实区，为采空区的治理提供了依据，也为建设单位节省了大量的工期及治理费用。

6 结束语

此次采空区勘察采用了高密度电法、大地电磁测深法、微重力法及综合测井多种物探手段，并加以钻探验证，较为细致地圈定了场地采空区的分布，为后期的治理工作提供了详实的依据。根据现场反馈，目前该项目治理范围内的楼座已接近封顶，其沉降监测数据在设计变形允许值范围内。这也表明了场地的采空区治理达到了预期的效果，基本消除了采空区场地的稳定性隐患。