北京门头沟新城建设场地小窑采空区探测及稳定性分析

高志刚，靳宝，阎飞，陈玉巧，贺鸿森，刘华斌

(1.北京京能京西房地产开发有限公司，北京 102300；2.北京京能地质工程有限公司，北京 102300)

0 引言

采空区是指地下矿产被开采后的空洞及其围岩变形失稳而产生位移、开裂、破碎垮落、直至上覆岩土层整体弯曲、下沉所引起的地表变形和破坏的地区或范围(王金庄等，1995；郭广礼，2001；张永波等，2006)。采空区会直接引发建筑物开裂、地面沉降、塌陷，滑坡等地质灾害，会对既有建筑带来不同程度的安全隐患，对人民群众的生命财产安全构成了较大的威胁，严重影响区域内经济的可持续发展和社会稳定(胡祥云等，2006；黄俊革等，2006；于景村等，2007；张凌云和刘鸿福，2011)。当今，随着我国城市化建设的不断推进，越来越多的工业废弃地被开发和利用，其中采空区场地的治理和开发将是今后一段时间内，工程建设领域急需解决的工程技术难题。在采空区建设和开发之前，首先要进行的是采空区的地质勘察工作。目前，国内外常见的采空区勘察方法是采用多种地球物理探测方法结合工程钻探，对采空区进行综合评价。在地球物理探测方面，主要的探测方法有高密度电法、瞬变电磁法、地震勘探法、地质雷达探测法、放射性测量法等，以上地球物理探测方法各有优缺点(陈相府等，2005；陈昌彦等，2010；戴前伟等，2010；张劲松等，2010)。在勘察阶段，重点工作是要查明采空区的分布范围、规模、形态及场地工程地质条件等基础数据。对建设场地下伏采空区的稳定性进行分析就是利用勘察阶段提供的基础数据对场地的稳定性进行定性或定量的评价，为后续的勘察设计及项目投资决策提供依据。对采空区场地的稳定性分析和评价，首先是对现状采空区的稳定性进行分析，进而是对拟建项目竣工后场地的稳定性进行分析(滕永海和张俊英，1997；郭广礼，2001；宫凤强等，2008；化建新和郑建国，2018；孙辉和王起超，2018；李学良等，2022)。本文以门头沟新城建设场地小窑采空区为研究区，通过多种勘察手段，在查明场地采空区分布的基础上，对建设场地采空区的稳定性进行分析评价，可为后续工作及类似项目提供参考。

1 研究区概况

1.1 场地位置

门头沟新城建设场地位于北京市门头沟区门头沟路47号，紧邻门头沟路，距区政府不足5 km，场地北依九龙山脚，东至龙门新区，南临门头沟路景观河，西靠惠泽家园东区。研究区场地位置见图1。

图1 研究区场地位置图

1.2 地质构造

门头沟新城建设场地所处地质构造位于近北北东走向的九龙山向斜南东翼。九龙山向斜构造轴向50°～60°，轴面倾向南东。该向斜南东翼较为平缓，地层倾角一般为10°～20°，向斜核部出露地层为侏罗系九龙山组(J2j)和侏罗系龙门组(J2l)，南翼由北向南依次分布有侏罗系窑坡组(J1y)、侏罗系南大岭组(J1n)、二叠系—三叠系双泉组(P2-T2)、二叠系石盒子组(P1s)、石炭系中上统(C2-3)等。

1.3 工程地质条件

据已有勘察钻孔资料显示，建设场地揭露深度(最深91 m)范围内的地层划分为人工填土层、一般第四系坡洪积层、侏罗系窑坡组基岩及煤系地层。其中：

人工填土层：稍湿，松散—稍密，以碎石为主，含黏性土、煤渣，夹黏质粉土、碎石填土透镜体。

一般第四系坡洪积层：稍湿，稍密—中密，棱角状碎石，黏性土充填，夹粉质黏土、角砾、块石。其中，块石层钻探施工较困难。

侏罗系窑坡组基岩及煤系地层：分为全风化粗砂岩层、强风化粗砂岩层、中等风化—微风化中粗砂岩层。其中，中粗砂岩层钻探时岩芯较完整，易施工。

1.4 水文地质条件

研究区内水文地质条件较为简单，有利于大气降水的排泄。该区含水层主要为基岩裂隙含水层。由于煤层的开采，该区地下水位很低，第四系松散沉积地层在该区呈疏干状态，窑坡组含煤地层受开采抽水的影响，地下水位位于地表100 m以下，目前该区域地下水正处于缓慢回升过程中。

研究区含水地层的含水性主要受岩性和气候条件的控制和影响，地下水的补给来源主要是大气降水直接渗入或通过第四纪的松散地层孔隙补给，大气降水除部分补给地下外，另一部分作为地表及地下径流向东排泄。

2 小窑采空区探测

2.1 煤层开采特征

研究区内共有9层煤，其中第9层煤层，在该地块大面积开采，采空区距地表垂距130～230 m；第7层煤层大面积采空，采空区距地表距直距离170～340 m；第7层与第9层层间距约为70～80 m；第5层大面积开采，开采充分，第5层与第7层层间距为60～95 m；第2层大面积开采，第2层与第5层煤层间距约为75～95 m；第1层未采，第1层与第2层层间距95～110 m。

2.2 地球物理探测

地震勘探是利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态的地球物理探测方法。地震勘探是矿产勘查、工程地质勘查、区域地质研究和地壳研究等方面的重要手段。近年来，地震勘探的探测方法也在采空区探测方面得到了广泛应用，其原理是依据采空区及其上覆围岩状态对地震波传播影响的不同，来判断采空区的具体位置及其充填形态。探测时，人工在地表激发地震波，当地震波向所探测地下区域传播，遇到弹性和密度不同的地质层分界面时，发生反射波和折射波，采用专门仪器将该信号接收处理、解译，根据波传播过程中经历的时间、地震波的振幅特点等，就能够获得探测区域采空区的分布特征(张淑坤，2015)。

高密度电阻率法是20世纪八十年代兴起的一种电法勘探方法，其原理是在探测剖面上同时布置多道电极，由人工控制向地下发送电流，使地下形成稳定的电流场，通过自动控制转换装置对所布设的剖面进行自动观测和记录。高密度电阻率法可进行二维地电断面测量，兼具剖面法和测深法的功能，是进行地层划分、隐伏断层构造探测的一种有效物探手段(李夕兵等，2006；杨镜明等，2014)。近年来，高密度电阻率法在探测采空区和地面塌陷方面也得到了广泛应用。在采空区探测方面，高密度电阻率法显著特点是施工方便、数据量大、分辨率高、可靠性好、图像直观，但高密度电法探测精度对地形要求较高(吕惠进等，2005；祁民等，2006；雷旭友等，2009)。

研究区场地地势平坦，无明显起伏。本次研究采用地震勘探和高密度电阻率法的手段对建设场地下伏的采空区进行探测。地震勘探测试中，震源为20 kg落重震源，布置3条东西向地震测线，分别为1#测线、2#测线、3#测线，测线间距3 m；布置4条南北向地震测线，分别为4#测线、5#测线、6#测线、7#测线，测线间距2 m。为确保探测结果的准确性，对东西向的2#测线和南北向7#测线采用高密度电阻率法进行测试验证，2#测线和7#测线解释剖面图见图2、图3。

图2 2#测线综合解释剖面图a—横波速度剖面；b—纵波速度剖面；c—电阻率剖面

图3 7#测线综合解释剖面图a—横波速度剖面；b—纵波速度剖面；c—电阻率剖面

地震探测反演结果显示2#测线和7#测线中各有一处波速低速异常区域，推测此处为煤层开采，引起围岩松散、密实度降低，导致地震波波速降低，此处推测为采空塌陷区。同时，电阻率探测反演结果显示该区域表现为低阻异常，地震勘测和高密度电阻率测试结果吻合度良好。综合这两种地球物理探测结果，可初步推测测试异常区域下部分布有小窑采空区。

2.3 钻探验证

钻探是最直接的勘探手段，在采空区的探查工作中具有直观、准确的特点(姜文富，2017)。为进一步掌握场地下伏采空区的分布情况，本次研究在地球物理探测结果异常的区域，采取钻探手段进行验证，进一步查明该区域的采空区分布情况。

在2#测线和7#测线探测结果显示异常的区域布置，共4个探查钻孔，钻孔平面布置见图4，各钻孔钻探揭露成果见表1。

图4 钻孔布置平面图

表1 探查钻孔揭露情况一览表

钻探揭露显示2处探测异常区域均分布有小窑采空区，采空区深度在30～60 m，与地球物理探测结果一致。只是限于手段的局限性和探测精度，由探测结果推测的小窑采空区范围还需要在后续的工作中进一步精确和细化。

3 场地稳定性分析

3.1 采空塌陷危险性分析

建设场地下伏主采煤层为第2槽、第5槽、第7槽及第9槽煤层，其中第1槽煤层仅局部开采。图5为覆岩移动分带示意图。

图5 覆岩移动分带示意图I—冒落带；II—导水裂隙带；III—弯曲下沉带

根据煤层的采厚及距地表的距离对各槽煤层的冒落带及导水裂隙带进行估算，结果见表2。

(1)

(2)

式(1)、(2)中：H冒-采空区冒落带高度；H裂―采空区导水裂隙带高度；M―矿层法向厚度。

以上计算结果表明，建设场地下开采的第1槽、第2槽、第5槽、第7槽及第9槽煤层，因各槽煤层槽间距较大，下一槽煤层的开采所形成的冒落带及导水裂隙带不足以延伸到上一槽的开采煤层中。同时由于煤层的采深较大，最上面一层煤层(第9槽煤层)开采所形成的冒落带及导水裂隙带不会延伸至地表(与地表的距离均大于80 m)，因此不会引发地面塌陷。

3.2 地表变形特征及分布规律

建设场地各开采煤层所引起的地表变形可通过公式3～公式7进行计算：

最大下沉量计算：

W=mqcosα

(3)

式(3)中：m—煤层开采厚度；α—煤层倾角；q—下沉系数，其取值与顶板管理及充填有关，取值范围在0.02～0.80之间，门头沟煤矿主要采用刀柱法进行开采，下沉系数取值按0.45考虑。

最大倾斜值(mm/m)：

i=W/r=W/(H/tgβ)

(4)

式(4)中：r—主要影响半径，其值为采深与主要影响角正切tgβ的比值，根据矿区的开采资料，tgβ取值为1.6。

最大曲率值(mm/m)：

K=±1.52W/r2

(5)

最大水平移动(mm)：

V=bW

(6)

式(6)中：b—为水平移动系数，根据煤田资料，b=0.2～0.4，b取值0.25。

最大水平变形值(mm/m)：

ε=±1.52W/r

(7)

根据以上公式进行地表变形计算，计算结果见表3。

表3 地表变形参数计算表

煤层老采空区已经塌陷冒落，呈充填—半充填状态，地表急剧变形已基本完成，估算已采煤层采空区的剩余空洞的体积约占总采空体积的10%～20%，已采煤层采空区的剩余沉降量约占总沉降量的10%～20%左右，地表剩余变形值计算见表4。

表4 地表剩余变形值计算

3.3 场地稳定性分析评价

根据规划，场地拟建6～12层建筑，基础形式按筏基考虑，拟建建筑物的地基埋深按1 m(楼层6层)及2.5 m(楼层12层)进行估算，建筑物荷载每层按16 kPa考虑，建筑物的长宽按45 m、12 m进行考虑，则拟建建筑中心点下的附加应力σz可按下式进行计算：

(8)

式(8)中，m=L/B；n=Z/B，其中L为矩形建筑物的长边的一半，B为矩形建筑物的短边的一半，Z为从基底下某点至基底的深度，p为建筑物的荷载。

根据上式计算出拟建建筑物中心点下的附加应力随深度的变化，见表5、表6所示。

表5 拟建建筑中心点下不同深度处的附加应力表(楼层6层)

表6 拟建建筑中心点下不同深度处的附加应力表(楼层12层)

一般认为附加应力小于或等于0.1倍的自重应力时，岩土层中的应力则以自重应力为主，可以不考虑附加应力的影响。以上计算可以看出，拟建建筑如为6层，其附加应力的影响深度约为17 m。拟建建筑如为12层，其附加应力的影响深度约为23 m。

在附加应力的影响深度范围内，如遇采空区或者采空引起的冒落带及导水裂隙带，则会引起应力集中，从而引发采空塌陷或者加剧采空变形。该场地东北角及西南角局部区域存在小窑采空区，有诱发地面塌陷的可能。在其它区域，由于采空区埋深相对较大，附加应力的影响深度尚不至于达到采空区的冒落带及导水裂隙带，诱发地面塌陷的可能性较小，但拟建建筑增加了地表荷载，有可能加大该区域的采空变形。综合确定拟建建筑物引发和加剧采空塌陷为“危险性中等”。

4 结论

在采空区场地进行开发和建设，首先需要对场地的稳定性进行分析和评价。本研究首先综合采用地震勘探和高密度电阻率测试两种地球物理探测手段，通过对探测结果异常区域的分析，初步确定了场地采空区的分布范围。其次在地球物理探测基础上，进一步采用钻探手段进行了验证。最后，基于采空区的沉陷理论计算，结合探测结果，对场地的稳定性进行了分析和评价。取得如下研究成果：

(1)在对研究区内煤层和采空区分布及地球物理探测手段分析的基础上，采用了地震勘探和高密度电阻率测试两种测试手段。经钻探验证，这两种手段在小窑采空区探测工作中吻合度较高，效果较好。

(2)计算结果说明，研究区场地下开采的各槽煤层槽间距较大，下一槽煤层开采所形成的冒落带及导水裂隙带不足以延伸到上一槽的开采煤层中。现状场地由采空区引发地面塌陷可能性较小。

(3)研究区场地东北角及西南角局部区域存在小窑采空区，有诱发地面塌陷的可能。在其它区域，由于采空区埋深相对较大，附加应力的影响深度尚不至于达到采空区的冒落带及导水裂隙带，诱发地面塌陷的可能性较小，但拟建建筑增加了地表荷载，有可能加大该区域的采空变形。综合确定拟建建筑物引发和加剧采空塌陷为“危险性中等”。

(4)因小窑采空区分布的复杂性和不确定性，在后续的勘察、设计阶段还需进行专项勘察和设计，并采取有效的治理方法对场地的小窑采空区进行专项治理。项目竣工完成后，对新建建筑和周边场地进行长期的采空区沉降监测。