李曉瑋

摘 要：本文選取有代表性的測線進(jìn)行了物探解譯，根據(jù)解譯結(jié)果結(jié)合鉆探手段，對物探異常區(qū)進(jìn)行了驗證，綜合圈定了采空區(qū)的范圍。其中小窯采空區(qū)包括8個區(qū)域，總面積為143599m2;國礦采空區(qū)包括2個區(qū)域，總面積為131279m2。在圈定的采空區(qū)范圍基礎(chǔ)上，以采空區(qū)終采時間為主要因素，結(jié)合地表移動變形特征、頂板巖性及松散層厚度等因素進(jìn)行了采空區(qū)穩(wěn)定性的定性分析，以采空區(qū)冒落裂隙帶及采空區(qū)移動變形量計算進(jìn)行了采空區(qū)穩(wěn)定性的定量分析，分析結(jié)果為國礦一槽煤采深5.3～60m采空區(qū)及巷道、小窯開采區(qū)及巷道為不穩(wěn)定區(qū)域，對工程建設(shè)影響大，危險性大。國礦一槽煤采深60～170m采空區(qū)及其巷道為基本穩(wěn)定區(qū)域，對工程建設(shè)影響中等，危險性中等。

關(guān)鍵詞：采空棚戶區(qū);物探;鉆探;穩(wěn)定性評價;開采區(qū);小煤窯

中圖分類號：P694? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1007-1903（2019）04-0061-11

Abstract： In this paper， representative geophysical lines are selected for geophysical interpretation. According to the interpretation results and drilling methods， the geophysical anomaly area has been verified， and the goaf within the working area has been delineated comprehensively. The goaf includes eight small kilns with a total area of 143599 m2， and two national mines with a total area of 1317179 m2. On the basis of the delineated goaf scope， taking the final mining time of goaf as the main factor， the qualitative analysis of goaf stability is carried out in combination with the characteristics of surface movement and deformation， roof lithology and thickness of loose layer， and the quantitative division of goaf stability is made by calculating the caving fracture zone and the movement and deformation of goaf. The analysis results show that the goaf and roadway with a mining depth of 5.3-60m， the small kiln mining area and the roadway are in unstable areas， which have great influence on the engineering construction and great danger. The goaf and its roadway with a mining depth of 60-170m in No. 1 trough of Guoguo Coal Mine are in basically stable areas， which have medium impact on engineering construction and medium risk.

Keywords： Mined-out shanty area; Geophysical prospecting; Drilling; Stability evaluation; Mining area; Small coal kiln

0 前言

門頭溝在歷史上曾是北京的主要煤炭產(chǎn)地。門頭溝區(qū)采空棚戶區(qū)是舊城、舊礦、城中村相互交織的復(fù)雜區(qū)域，區(qū)域內(nèi)房屋低矮破舊，基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重滯后，管線老化陳舊，居住條件亟待改善。門頭溝采空棚戶區(qū)是北京市首批棚戶區(qū)改造試點之一，也是門頭溝區(qū)建區(qū)以來最大的一次搬遷改造工程。為了加快門頭溝區(qū)采空棚戶區(qū)建設(shè)步伐，改善區(qū)域環(huán)境和促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，擬對該地區(qū)進(jìn)行改造和環(huán)境整治工作。

本次采空區(qū)勘察工作在充分收集與整理資料的基礎(chǔ)上，采用遙感調(diào)查、野外綜合地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等手段，基本圈定了規(guī)劃區(qū)內(nèi)采空區(qū)分布范圍與深度。在綜合分析研究勘察成果的基礎(chǔ)上，對規(guī)劃區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了穩(wěn)定性分析評價和工程地質(zhì)分區(qū)評價。綜合各項評價結(jié)果，對工程場地穩(wěn)定性和適宜性進(jìn)行了分區(qū)評價。

1 煤礦開采歷史

工作區(qū)位于北京西山地區(qū)，該地區(qū)煤炭儲量豐富，分布范圍廣，主要賦存在北嶺、九龍山、髫髻山-廟安嶺和百花山4個向斜構(gòu)造區(qū)。國礦主要為門頭溝煤礦，可采煤層共5層，礦井開拓方式以立井開拓為主，以立井、平峒、皮帶斜井、暗斜井、采區(qū)石門開拓煤層群，局部片盤下山開采單煤層為輔。2000年7月20日礦井全部停采。小窯開采已有800年以上的歷史，在 清乾隆年間，民采煤窯已具相當(dāng)規(guī)模。開采深度主要集中在地下20～150m，小窯的巷道密如蛛網(wǎng)，上、下交錯，互相貫通。

2 地質(zhì)背景

區(qū)內(nèi)及周邊地表可見地層由新至老主要有全新統(tǒng)、侏羅系九龍山組、侏羅系龍門組、侏羅系窯坡組、侏羅系南大嶺組、三疊系杏石口組等地層;其中侏羅系窯坡組為主要煤系地層（圖1）。工作區(qū)及周邊地層特征見表1。

規(guī)劃區(qū)內(nèi)有孫橋正斷層由南向北穿過，該斷層傾向西，傾角80°，上盤地層傾角30°，下盤地層傾角20°，垂直落差27m，水平落差50m，長度約2900m，影響煤層為門頭溝井田一槽、二槽、五槽及七槽四層煤。

3 采空區(qū)勘察

3.1 遙感及野外綜合地質(zhì)調(diào)查

在資料收集與整理的基礎(chǔ)上，采用遙感影像解譯規(guī)劃區(qū)及周邊地區(qū)地形地貌、地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育及特殊巖土的分布，利用野外綜合地質(zhì)調(diào)查方法，調(diào)查規(guī)劃區(qū)存在的主要地質(zhì)災(zāi)害、不良地質(zhì)作用和環(huán)境工程地質(zhì)問題，對場地內(nèi)渣土堆放區(qū)進(jìn)行探測，探明渣土堆積厚度。經(jīng)調(diào)查，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害主要為采空塌陷、泥石流、崩塌以及不穩(wěn)定斜坡。采空塌陷涉及國礦采空區(qū)一槽煤以及小窯開采區(qū)，小窯開采區(qū)所采煤層為一槽煤，分布于地塊北部和東部，范圍與國礦所采一槽煤部分重合（圖9、圖10）。泥石流隱患1處，影響工作區(qū)區(qū)西側(cè)區(qū)域;崩塌隱患6處，主要分布于工作區(qū)地塊中部、東部區(qū)域;不穩(wěn)定斜坡隱患4處，分布于工作區(qū)東部、西部兩個區(qū)域。工作區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象分布見圖2。

3.2 物探方法

3.2.1 物探布置

（1）高密度電法：根據(jù)地形條件開展采空區(qū)探測工作，主要對80m以淺的采空區(qū)進(jìn)行探測，根據(jù)綜合分析后布設(shè)相應(yīng)工作量，點距5m，累計布設(shè)高密度電法測線6條，測線總長度2820m，測點570個。

（2）大地電磁測深法：根據(jù)地形條件開展采空區(qū)探測工作，主要對深度60～300m的采空區(qū)進(jìn)行探測，根據(jù)綜合分析后布設(shè)相應(yīng)工作量，點距20m，累計布設(shè)大地電磁測深測線2條，測線總長度900m，測點47個。

（3）探地雷達(dá)法：根據(jù)地形條件開展采空區(qū)探測工作，主要對深度30m以淺的小窯采空區(qū)進(jìn)行探測，根據(jù)綜合分析后布設(shè)相應(yīng)工作量，點距0.5m，累計布設(shè)探地雷達(dá)測線3條，總長度857.5m，測點1718個。

（4）淺層地震：根據(jù)地形條件開展采空區(qū)探測工作，與其它方法探測成果進(jìn)行對比解譯分析采空區(qū)。主要對深度100m以淺的小窯采空區(qū)進(jìn)行探測，根據(jù)綜合分析后布設(shè)相應(yīng)工作量。采用加拿大geo-X公司生產(chǎn)的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，48道接收、夯機(jī)震源，根據(jù)綜合分析后布設(shè)相應(yīng)工作量，道距2.0m，累計布設(shè)淺層地震測線總長380m，共計191個物理點，放42炮。

（5）微重力：根據(jù)地形條件開展，與其它方法探測結(jié)果進(jìn)行對比分析，主要探測工作區(qū)內(nèi)地層構(gòu)造以及采空區(qū)未塌陷空洞的平面位置。根據(jù)綜合分析后布設(shè)相應(yīng)工作量，點距2.0m，累計布設(shè)微重力測線1條，測線總長320m，測點161個。

物探工作及鉆孔布置圖見圖3。

3.2.2 物探解譯

（1）高密度電法

G3測線點距5m，測點60個，測線長度295m，測線方向329°，反演最深50.0m。從剖面圖（圖4）可以看出，電阻率分布較均勻，有一定的規(guī)律，電性層位較清晰，電阻率變化范圍較大，剖面至左向右基本呈高阻—低阻—高阻變化。圖中130～230m處，深度地表至50m有一低阻異常區(qū)，電阻率值小于60Ω·m，阻值分布從上往下減小，影響區(qū)域較大，而異常區(qū)兩側(cè)阻值較高，變化明顯。推測低阻異常區(qū)為采空區(qū)積水或虛填所至。

（2）地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)解譯過程主要是對剖面中電磁波的形態(tài)、振幅強(qiáng)度進(jìn)行分析推斷。

T1地質(zhì)雷達(dá)測線點距0.5m，測點845個，測線長度422m，測線方向80°。從剖面圖（圖5）可以看出，剖面圖中存在多處干擾，測線325～350m，深2～17m處同相軸下沉及底部波形雜亂。

（3）淺層地震

D1測線疊加剖面圖：D1測線點距2m，測點191個，測線長度380m，測線方向91°，反演最大深度1500m。從剖面圖（圖6）分析波場特征，可見剖面層次較清晰，分辨率較高，波組之間基本平行，部分區(qū)域連續(xù)性較好。煤層采空區(qū)在疊加剖面上主要表現(xiàn)為反射波同相軸缺失，或出現(xiàn)一些雜亂的弱反射或強(qiáng)反射，剖面圖中紅圈標(biāo)識部分同相軸錯斷、連續(xù)性差、反射波減弱，推斷為煤層采空區(qū)。

（4）大地電磁法

解譯結(jié)果為：S1測線測點點距20m，測點15個，測線長度280m，測線方向331°，反演最大深度700m。從剖面圖（圖7）可以看出，電阻率分布較均勻，有一定的規(guī)律，電性層位較清晰，電阻率變化范圍較大，地面往下基本呈高阻—低阻—高阻變化。根據(jù)國礦剖面資料，上部高阻為砂巖，中部低阻區(qū)為窯坡組含煤地層，主要砂巖夾煤層，剖面底部高電阻區(qū)域推測為南大嶺組玄武巖層。

異常區(qū)域：圖中25～280m，深度80～170m有一高阻異常區(qū)，電阻率值140Ω·m以上，高于周邊視電阻率。結(jié)合國礦資料，確定該區(qū)域為國礦一槽煤開采區(qū)域，推斷采空區(qū)邊界與國礦采空區(qū)邊界相符，其高阻典型特征為采空后空氣填充。

（5）微重力法

Z1測線，點距2m，測點161個，測線長度320m，測線方向313°。從Z1布格重力斷面圖（圖8）可以看出布格重力異常由南往北呈上升趨勢，與已知地質(zhì)構(gòu)造資料基本吻合（即工區(qū)內(nèi)基巖呈南低北高的走勢）。未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)。

3.2.3 解譯成果分析

結(jié)合前期開展的工作，綜合分析物探探測效果及解譯成果（表2）。

高密度電阻率法和大地電磁法成果主要為地下巖層電阻率的分布。采空及充水的采空異常主要表現(xiàn)為高阻和低阻異常帶，根據(jù)以往物探試驗及電測井資料，采空電阻率一般在200Ω·m或更大;充水的采空區(qū)電阻率值一般小于30Ω·m或更小，由于采空的充水情況和破碎情況不明，因此，判斷采空異常最重要的特征是異常區(qū)電阻率值與平均背景值差距較大，小窯采空的異常反應(yīng)多為封閉的高阻或低阻異常區(qū)（馬志飛等，2008;蔣波等，2019）。

淺層地震反射波采空異常主要是由于煤層采空引起的上覆巖層破壞對地震波吸收頻散衰減作用，使反射波頻率降低，破碎圍巖及裂隙對地震波衰減還表現(xiàn)為反射波波形變得不規(guī)則、紊亂甚至產(chǎn)生畸變，煤層采空及其頂板遭受破壞后，在地震時間剖面上表現(xiàn)為反射波組的中斷或消失，同時煤層頂部結(jié)構(gòu)的不規(guī)則破壞，也產(chǎn)生各種低頻干擾，而采空區(qū)下方則由于巖層相對完整而變化不明顯。這些特征都是在地震時間剖面上識別煤層采空區(qū)的重要標(biāo)志。

探地雷達(dá)采空異常主要為反射電磁波在地下不同介質(zhì)傳播過程中其反射速率不同，接受到的回波時間存在差異，遇到地下空洞后，電磁波同相軸發(fā)生錯動，同時在地下空洞電性界面處，反射波波幅明顯增強(qiáng)，根據(jù)以往經(jīng)驗，在空洞區(qū)的上方，會產(chǎn)生“V”字形漏洞狀異常（李遠(yuǎn)強(qiáng)等，2015）。

微重力勘探通過測量不同巖性組合的密度（ρ）差異來確定密度界面的起伏變化情況，主要用來圈定構(gòu)造的范圍。

3.3 鉆探驗證

為進(jìn)一步驗證物探解釋成果的可靠性，也為提高物探解譯的精確程度，本次工作根據(jù)物探圈定的采空異常區(qū)，在工程場地內(nèi)進(jìn)行了鉆探驗證。地塊內(nèi)共布設(shè)鉆孔21個，其中有采空的鉆孔共7個，分別為QD03、QD04、QD06、QD09、QD14、QD17、QD21。共收集鉆孔10個，其中有采空的鉆孔2處，分別為DZ06、DZ08。鉆孔與物探情況對照表見表3。

根據(jù)物探及鉆探結(jié)果，結(jié)合以往工作成果，圈定國礦采空塌陷變形影響帶分布圖（圖9）及小窯采空區(qū)變形影響帶分布圖（圖10）。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

根據(jù)勘察成果，參考《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB 51044-2014）分別對小窯采空區(qū)與國礦采空區(qū)場地穩(wěn)定性進(jìn)行評價。參考《工程地質(zhì)手冊》對小窯開采區(qū)巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

4.1 定性分析

開采條件判別法：對不規(guī)則、非充分采動等頂板垮落不充分、難以進(jìn)行定量計算的采空區(qū)場地，可采用開采條件判別法進(jìn)行定性評價。宜以采空區(qū)終采時間為主要因素，結(jié)合地表移動變形特征、頂板巖性及松散層厚度等因素，按表4、表5綜合判別。

同時根據(jù)規(guī)范12.2.6條要求，下列地段宜劃分為不穩(wěn)定地段：（1）采空區(qū)垮落時，地表出現(xiàn)塌陷坑、臺階狀裂縫等非連續(xù)變形的地段;（2）特厚煤層和傾角大于55°的厚煤層淺埋及露頭地段;（3）由于地表移動和變形引起邊坡失穩(wěn)、山崖崩塌及坡腳隆起地段;（4）非充分采動頂板垮落不充分、采深小于150m，且存在大量抽取地下水的地段。

綜合上述定性判斷依據(jù)，得出定性判斷結(jié)論，見表6。

4.2定量分析

（1）采空區(qū)冒落裂隙帶計算與實際鉆孔情況對比評價

按照規(guī)范，分別對各采空區(qū)垮落帶和斷裂帶進(jìn)行了計算（表7、表8）。一槽煤層采深5.3～60m范圍內(nèi)采空區(qū)、小窯采空區(qū)頂板巖性為較軟—較堅硬的粉砂巖，

國礦一槽煤采深5.3～60m范圍內(nèi)采空區(qū)、小窯采空區(qū)Hm=5.79m， H1i=21.32m。一槽煤層采深60～170m范圍內(nèi)頂板巖性為較堅硬粉砂巖，垮落帶最大高度

Hm=8.93，H1i=33.97m 。工程建設(shè)對采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度評價結(jié)果見表9。

經(jīng)計算，國礦一槽煤采深5.3～60m采空區(qū)、小窯采空區(qū)垮落斷裂帶之和可能超過開采深度，說明國礦一槽煤采深5.3～60m采空區(qū)、小窯采空區(qū)頂板巖層比較破碎，裂隙發(fā)育。為驗證計算結(jié)果，對深部國礦采空區(qū)與小窯采空區(qū)鉆孔巖芯進(jìn)行了統(tǒng)計對比分析。從鉆孔資料分析，小窯采空區(qū)頂板巖性破碎，在附加荷載或地表水侵蝕情況下，易發(fā)生采空區(qū)活化現(xiàn)象，破碎巖層在壓實的過程中，發(fā)生地表沉降或塌陷等災(zāi)害，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。國礦一槽煤采深60～170m采空區(qū)垮落斷裂帶之和未超過開采深度，根據(jù)鉆孔深部巖芯情況，深部國礦采空區(qū)斷裂帶上方巖層較為完整，承載力更強(qiáng)，地表未發(fā)現(xiàn)破壞特征，處于基本穩(wěn)定的狀態(tài)。

（2）采空區(qū)移動變形影響程度分析評價

根據(jù)勘察成果，參考《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB 51044-2014）分別對小窯開采區(qū)與國礦采空區(qū)剩余變形量進(jìn)行計算，對采空區(qū)的影響程度進(jìn)行評價。影響程度見表10。

國礦一槽煤采深5.3～60m采空區(qū)、小窯采空區(qū)剩余下沉量>200mm，剩余地表傾斜量>10mm/m，剩余地表水平變形量>6mm/m，剩余地表曲率>0.6×10-3m-1，說明國礦一槽煤采深5.3～60m采空區(qū)、小窯采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對今后工程建設(shè)影響大。國礦一槽煤采深60～170m采空區(qū)剩余下沉量處于100～200mm之間，剩余地表傾斜量處于3～10mm之間，剩余地表水平變形量處于2～6mm/m之間，剩余地表曲率處于0.2×10-3m-1～0.6×10-3m-1，說明國礦一槽煤采深60～170m采空區(qū)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，對今后工程建設(shè)影響中等。計算結(jié)果見表11、表12。

4.3開采區(qū)巷道穩(wěn)定性評價

根據(jù)收集資料，地塊西南部存在大量的小窯開采巷道，巷道寬2～3m，大多為木樁臨時支撐，開采后任其垮落，地表易產(chǎn)生裂縫和塌坑。根據(jù)小窯開采特點與災(zāi)害特征，本次工作采用《工程地質(zhì)手冊》小窯采空區(qū)勘察與評價方法，計算小窯巷道場地穩(wěn)定性的臨界深度，根據(jù)頂板深度與臨界深度的比值來評價小窯開采區(qū)巷道的穩(wěn)定性。

小窯開采巷道覆巖臨界埋藏深度計算是老采空區(qū)地面穩(wěn)定性評價中常用的分析方法，該法基于剛體極限平衡理論，假定采空區(qū)上覆巖（土）柱是依靠其與周圍巖（土）體的摩擦力來維持穩(wěn)定的。若采空區(qū)為矩形或長條形，建筑物的單位基底壓力為p0（當(dāng)?shù)乇頍o建筑物時，p0取0）時，上覆巖（土）體的臨界埋藏深度H0 按下式計算：

式中：γ為巖土體的重度（kN/m3）;φ為巖土體的內(nèi)摩擦角（°）（根據(jù)經(jīng)驗值砂巖內(nèi)摩擦角75°）;B為巷道寬度（m）（取3m）。

當(dāng)頂板深度H <H 0時，地基不穩(wěn)定;H 0 <H<1.5H 0時，地基穩(wěn)定性差;H >1.5H 0時，地基穩(wěn)定。

根據(jù)收集小窯開采資料，小窯巷道一般由北向南，逐漸深入。根據(jù)鉆孔資料，國礦一槽煤采空區(qū)處于5.3～170m之間，小窯開采區(qū)域煤層多處于15～53m之間。通過計算，國礦一槽煤采深5.3～60m巷道、小窯開采區(qū)巷道處于不穩(wěn)定—穩(wěn)定性差狀態(tài)，國礦一槽煤采深60～170m巷道處于穩(wěn)定性差狀態(tài)—穩(wěn)定狀態(tài)，計算結(jié)果見表13。

根據(jù)小窯采空區(qū)、國礦采空區(qū)以及小窯、國礦開采區(qū)巷道的穩(wěn)定性計算結(jié)果，整合穩(wěn)定性評價分區(qū)，綜合評定采空區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)（圖11）。國礦一槽煤采深5.3～60m采空區(qū)及巷道、小窯開采區(qū)及巷道為不穩(wěn)定區(qū)域，國礦一槽煤采深60～170m采空區(qū)及其巷道為基本穩(wěn)定區(qū)域，小窯開采區(qū)與國礦采空區(qū)重疊部分為不穩(wěn)定區(qū)域。

5 結(jié)語

（1）由于開采歷史和地質(zhì)條件的復(fù)雜性，采空區(qū)勘察一直是工程勘察領(lǐng)域的難點。而在采空區(qū)場地內(nèi)進(jìn)行工程建設(shè)，首先要廣泛搜集采空區(qū)相關(guān)資料，采取合適的勘察手段，探明采空區(qū)的位置、范圍、邊界，進(jìn)而評價采空區(qū)的穩(wěn)定性。

（2）由于受工作區(qū)現(xiàn)場條件的制約，存在平房多、道路狹窄、路面硬化、高壓線密集等不利探測的因素，勘探點、線布置只能因地制宜，順地形、地物布置，物探線盡量繞避對測試信號影響大的地方，提高信噪比。測線盡可能沿鉆探勘探線布設(shè)，與鉆孔揭露地層對應(yīng)，相互驗證，提高解譯精度。

（3）對于采空區(qū)的穩(wěn)定性分析，采用定性與定量的方法綜合進(jìn)行分析，對深度較深的國礦采空區(qū)，根據(jù)采空區(qū)移動變形影響程度將國礦采空區(qū)根據(jù)不同的深度分開進(jìn)行評價，從而提高了評價的精度。

（4）對于開采區(qū)巷道的穩(wěn)定性分析，主要根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》計算小窯巷道場地穩(wěn)定性的臨界深度，并根據(jù)頂板深度與臨界深度的比值來評價小窯開采區(qū)巷道的穩(wěn)定性。

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