门头沟校区拟建场地采空区探查技术研究

王文考，孟轲荆，刘正，梁兵，李冬月，何旭

(1.北京京能地质工程有限公司， 北京 102300； 2.中色华宇(北京)生态科技有限公司， 北京 102300； 3.有色金属矿产地质调查中心， 北京 100012)

0 引言

采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区，包括其围岩变形失稳而发生地表变形和破坏的地区。空洞区形成后，其上覆的岩层将会失去支撑，原有的平衡条件被破坏，使得上覆岩层产生移动变形，直到破坏塌落，最后导致地表大面积下沉、凹陷，地表各类建筑变形破坏(李夕兵等，2006；王伟，2009；王士党等，2015)。自20世纪末以来，我国矿业开采秩序较为混乱，非法无序的乱采滥挖在一些矿山及其周边留下了大量的采空区，这是影响目前矿山安全生产的主要危害源之一。要想有效地解决这个问题，其前提条件就是要科学地探查地下采空区的空间形状、大小、位置和即时状态等情况，为采空区的安全治理提供准确的设计依据(刘圆，2013；程力等，2020)。

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。如何快速准确地对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等进行量化评判，一直是困扰工程技术人员的难题。目前国内外主要是通过地球物理探测、工程钻探、三维激光扫描(C-ALS)、水文测试、变形观测等手段对采空区进行探查(常锁亮等，2002；于国明等，2003；程久龙等，2004；李清林等，2005；刘君，2005；赵庆珍等，2007；李娟娟等，2009；张兴岩等，2009；韩浩亮等，2011；孙传文，2019；程辉等，2021；黄昌庆等，2021；聂西坤，2021；彭府华，2021；张洋洋和张峰，2021；孙飞，2022；王强等，2022；薛建志等，2022；杨智等，2022；张建智等，2022；张小波等，2022)。

本文以北京市景山学校门头沟校区拟建场地为研究区，在对拟建场地地质灾害危险性评估和场地适宜性分区的基础上，采用地球物理探测、钻探工程等技术手段(王伟，2009；刘圆，2013；王士党等，2015；胡建波等，2021)，对场地的采空区开展探查工作，快速准确地查明地下采空区的空间分布、埋深、形态、大小和冒落塌陷等状况，为保障采空区的有效治理、场地工程的安全建设等提供设计与决策依据。

1 研究区位置

门头沟校区新建工程位于北京市门头沟区城子地区，包括二个地块，其中东部地块为小学部，西部地块为中学部，总用地面积约79275 m2(图1)。拟建场地位于九龙山的山前缓坡地带，地下存在煤矿采空区(包括浅部小窑采空区、深部国矿采空区)，北侧有一条东西向的冲沟，永定河断裂通过其东侧。

2 地球物理探测

根据场地条件及地质情况，本次地球物理探测主要采用了瞬变电磁法(TEM)和微动探测两种方法进行综合探测。

2.1 采空区地球物理特征

(1)电性特征：通常情况下，视电阻率值以采空区(空洞)最高，煤层、灰岩、泥岩及充水岩溶裂隙岩层依次降低。电阻率值大小依次为：采空区(空洞)>煤层>灰岩>砂岩>泥岩>含水裂隙岩层。煤层被采空后，各岩层电阻率将发生相应的变化。若采空区为完整型采空区，其在电性特征上，一般表现为高阻异常；若为破坏型采空区，其在电性特征上，一般分为两种情况：①采空区部分填充或充水，表现为相对高阻异常；②采空区全部填充或充水，表现为低阻异常。根据采空区电性特征不同，采空区可以分为低阻采空区和高阻采空区。总的来说，开采厚度较大形成的采空区，在采空区内有水时断面图上为低视电阻率；没有水时断面图上为高视电阻率。所以，根据视电阻率在断面图上的反应可以确定采空区的形状、位置。

(2)弹性波场特征：地震波在上覆地层与下伏地层之间、煤层与围岩之间的传播波速度不同，容易形成地震界面，即波阻抗界面或速度界面。在断裂破碎带或采空区，地震波的动力学特征也是明显不同的，主要表现为：煤层采空区或采空塌陷区与完整地层相比，地层变得疏松、密实度降低，即单位体积内介质的密度降低，使得传播于其中的地震波速度、频率、能量等发生变化。采空区形成的裂隙、破碎、空洞等，使得地震波传播到这些位置时将会出现绕射或散射等现象。

2.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法探测采用传统的大线框法瞬变电磁仪(MSD-2型)和新型反磁通瞬变电磁仪(HPTEM-08型)。其中，MSD-2型瞬变电磁仪适用于中浅层矿产和水资源勘查，以及工程勘查和构造研究等的现场使用(图2a)，要求场地较为平坦、植被较少等条件，需要根据场地地形情况布置测线，共布置31条测线，长4150 m。HPTEM-08型是一种创新性的高精度瞬变电磁探测系统(图2b)，不需要像传统方法那样铺设数十米见方的电缆，外业施工相对简便、高效，能实现浅层、中深层(0～100 m)的高精度瞬变电磁探测，由于受地形条件的影响较小，主要布置在拟建的建筑范围之内，共布置32条测线，长1757 m。

2.3 微动探测

基于台阵技术的微动理论由美国地球物理学家Aki(1957)和Capon(1969)提出。微动探测就是以平稳随机过程理论为依据，以微弱的大地震动作为震源，利用检波器在地表接收来自各个方向的微动信号，通过空间自相关法(SPAC)提取其瑞雷面波(Rayleigh Wave)频散曲线，经反演获取地下介质的横波(S波)速度结构的地球物理探测方法。微动探测具有抗干扰能力强、探测深度大、浅层分辨率高、设备快捷轻便、勘探成本较低等特点，而且不受各地层速度关系的影响，对环境也没有特殊要求及破坏。微动方法对探测煤层陷落柱、煤矿采空区、村庄覆盖区煤层构造以及地震区或者城市建筑的地下结构等方面具有得天独厚的技术优势和应用前景(常锁亮等，2002；李娟娟等，2009；彭府华，2021；孙飞，2022；杨智等，2022)。

视勘探目的不同，微动探测分为单点微动探测(测深)和微动剖面探测两种。根据拟建场地条件和探测要求，本次采用微动剖面探测方法，使用的仪器为岳阳奥成科技有限公司的多道数字高分辨率地震仪和重庆仪器厂的主频2.5 Hz检波器。探测过程中，采用直线型的观测系统，1 m、2 m、5 m道间距，24道接收，采样频率100 Hz，采样时间30～45 min，共布置测线27条，测线长度3683 m(图3)。

2.4 采空区探测结果

根据采空区的地球物理特征可知，物探异常区通常表现出：

(1)采空区未填充(或部分填充)时，微动探测表现为低速异常区，瞬变电磁法表现为高阻异常；

(2)采空区填充、含水时，微动探测表现为低速异常区，而瞬变电磁法也表现为低阻异常。

通过对微动探测和瞬变电磁法两种探测结果的处理、分析和反演，推测出拟建场地共有6处采空区异常，主要分布在5条物探剖面上(表1、图4)。

3 工程钻探

为进一步查明拟建场地浅部区域(80 m以浅)采空区的大致位置、范围、埋深、开采厚度、巷道分布等基本情况，根据地球物理探测结果，利用钻探工程，对6处采空区异常进行验证。使用设备为DPP-100型钻机，共完成46个采空区探查钻孔，结果发现空洞或采后虚填物的钻孔有12个(图5、表2)。

4 场地稳定性与抗震分析

4.1 稳定性分析

根据地球物理探测、钻探工程勘察和现场调查结果，拟建场地煤层开采引起的地表变形特征主要表现为采空塌陷和地面沉降。其中，浅部煤层的开采往往引起采空塌陷，而深部煤层的开采则易引起地面沉降。

(1)浅部采空区对拟建场地稳定性的影响

西部(中学部)地块：共有3个钻孔见空，涉及4#高中教学楼和1#风雨操场、游泳馆等拟建筑物。其中，ZK48#钻孔见空为小煤窑巷道，见空深度为8.5 m，见空厚度为2.1 m，见空区域位于基槽开挖范围之内，对其应进场地基处理；其余2个钻孔(ZK10#、ZK29#)见空深度分别在地表以下58.7 m、78.2 m，见空厚度为1.6 m、0.6 m，采空的煤层为下窑坡组(J1y)煤层。由于见空深度远大于4#高中教学楼附加应力的影响深度，且采深采厚比均>30，采空范围小，未形成一定规模的采空连续区，同时该场地受次级倒转向斜控制，下伏一套中粗砂岩，厚度30～50 m，地层完整，形成一个坚硬稳定的整体，可做建筑物的直接持力层，根据拟建筑物的荷载大小、基础形式而选择适当的防治措施。

图5 工程钻机与代表性岩芯现场照片

表2 钻孔探空情况一览表

东部(小学部)地块：共有9个钻孔发现采空迹象，涉及2#综合教学楼、3#文艺楼、看台等拟建筑物。大多钻孔见空深度集中在地表下19.6～42.5 m 之间，仅两个钻孔在地表下52.5 m、56.8 m见空，见空厚度0.3～2.4 m不等，部分钻孔采深采厚比<30。9个见空钻孔的位置相对比较集中，说明该区域在浅部地表下形成了连续的采空区。由于小窑采空区深度较浅，煤层开采时无支撑、无充填，易引起采空塌陷，如不采取合理的处理措施，在拟建筑物附加荷载影响及地质环境条件变化情况下，易发生地面塌陷，对拟建筑物构成潜在的安全隐患。

根据钻探结果，小窑采空区目前处于虚空或半充填状态，大多为采后冒落塌陷、残留煤层，表现为采后虚填物、局部见空洞，须做注浆充填处理。

(2)深部采空区对拟建场地稳定性的影响

据相关资料，拟建场地的深部缓倾斜煤层(>70 m)解放后主要由门头沟区城子煤矿开采，其中第2、5槽煤层都进行过大面积开采，并形成了一定范围的沉降区。根据拟建场地所处的位置及煤层的开采范围，确定拟建场地位于该沉降区的中间。由于拟建场地的深部缓倾斜煤层已停采多年，按照岩层移动规律，地表移动活跃期已过，快速变形阶段已经完成，地表沉降基本趋于稳定。但是，该煤层采空区所引起的残余沉降仍将持续相当长的一段时间，故残余沉降也将会对拟建筑物产生一定的影响。

由此可知，拟建场地面临采空区的主要威胁是采空塌陷和采空残余变形。考虑到拟建场地下的小窑采空厚度不大、采空深度有限，根据目前的防治经验，可采用注浆充填的方法进行治理；而深部采空区引起的残余变形则可通过加强拟建筑物的基础、结构强度，以及设置变形缝来进行防治。

(3)边坡稳定性评价

根据场地现状地形条件可知，西部地块的中学部4#高中教学楼、5#宿舍楼，其北侧、西侧均为岩石边坡，高差较大(15～20 m)、坡度较陡(30°～60°不等)，坡体上覆厚度不等的第四系坡洪积层，局部堆填建筑垃圾；中学部1#风雨操场、游泳馆地处低洼地带，其南侧边坡较陡，上覆厚度不等的第四系坡洪积层(局部出露强风化基岩)；6#机动车库堆积建筑垃圾较厚；东部地块的小学部1#、2#综合教学楼、3#文艺楼区域内存在凸起的山丘，形成多级挡墙边坡。

拟建场地及其周边出露的岩石边坡，多为逆向边坡，有利于边坡的稳定，整体滑坡的可能性不大。但拟建场地开挖施工时，会形成较多的人工边坡，如不采取有效措施及时支护，有可能引起边坡的坍塌，危及拟建工程的安全。

4.2 抗震分析

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)，经过在钻孔中采用单孔法的剪切波速测试，判定拟建工程的场地类别。其中，4处拟建筑物的场地类别为Ⅰ1类，其他场地类别均为Ⅱ类。根据规范，拟建场地的抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度值为0.20 g。

根据上述探测成果和资料分析，拟建场地的中南部局部区域发现小窑采空迹象，深部为国矿采空区(采空深度70～230 m)。从地质、地形、地貌上综合判定，该局部区域为对建筑抗震的不利地段。

拟建场地的地下水位埋藏较深(>20 m)，因此，在上述抗震设防烈度、基本地震加速度下，20 m以浅的深度范围内地基土可不用考虑液化影响。

5 结语

查明地下采空区的空间分布范围、形态特征及冒落塌陷状况等，对保障采空区的有效治理、场地工程的安全建设、拟建筑物的安全稳定有着十分重要的作用。本文通过地球物理探测、工程钻探等技术手段，对门头沟校区拟建场地的采空区开展探查工作，取得如下探测及研究成果。

(1)采用瞬变电磁法、微动探测等地球物理方法，推测出6处采空区异常区域。

(2)通过对异常区域的钻探工程验证，有12个钻孔发现空洞或采后虚填物。

(3)通过对场地稳定性评价表明，采空塌陷和采空残余变形是主要的威胁。其中，浅部的小窑采空区处于虚空或半充填状态，容易引起采空塌陷，对拟建筑物构成潜在的安全隐患，须进行注浆充填处理；深部的煤层采空区将会引起相当长一段时间的残余沉降，可通过加强拟建筑物的基础、结构强度，以及设置变形缝来进行防治。同时，还要采取有效措施，对场地开挖施工形成的人工边坡进行及时支护。

(4)通过抗震分析，拟建场地的抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度值为0.20 g；中南部局部区域为对建筑抗震的不利地段；20 m以浅的深度范围内地基土不需考虑液化影响。