建设工程中小煤窑采空区勘察的有关问题的探讨

沈高平

（安徽省地质矿产勘查局第二水文工程地质勘查院， 安徽芜湖 241000）

建设工程中小煤窑采空区勘察的有关问题的探讨

沈高平

（安徽省地质矿产勘查局第二水文工程地质勘查院， 安徽芜湖 241000）

小煤窑采空区是在建设场地工程地质勘察中常遇到的问题，本文通过实例介绍了在小煤窑采空区勘察中采用的方法、勘察成果，以及稳定性验算方法；对小煤窑采空区勘查的有关问题进行了探讨。

小煤窑采空区；勘察方法；稳定性验算

0 引言

在工程建设选择的建设场地中，往往会遇到小煤窑采空区，大多小煤窑的开采年代久远，且多为无序开采，资料缺乏，因而给建设场地的工程地质勘察带来了困难。本文以芜湖海螺建设场地小煤窑采空区专项勘查为例，对小煤窑采空区勘查中的有关问题进行探讨，并对其稳定性进行了验算评价，为拟建工程的基础设计或地基处理方案提出合理的建议。

1 工程概况

芜湖海螺位于芜湖市繁昌县境内，建设场地内拟建4条6000 t/d水泥熟料生产线和2条12000t/d水泥熟料生产线，分三期建设。水泥熟料生产线主要建（构）筑物有窑尾、窑中、窑头、均化库、立磨、废气处理、熟料库、原煤预均化堆场、辅料预均化堆场、石灰石预均化堆场、联合储库、石灰石破碎、砂岩破碎等。

2 岩土工程条件

2.1 地层

建设场地及附近地层主要有二叠系、三叠系及第四纪地层分布，其地层特征如下：

2.1.1 二叠系上统 （P2）

（1）龙潭组（P2l）：岩性上部为粉砂岩、页岩夹煤层，煤层共有B、C两层，B层煤一般厚1～2m，多呈较大的透镜状和鸡窝状，C层煤厚一般1～3m，个别可达4m，呈似层状，较稳定；中部为长石石英细砂岩夹黑色粉砂岩及页岩；下部为含生物碎屑硅质页岩、页岩。厚95.6m。

（2）大隆组（P2d）：岩性为含放射虫硅质岩夹硅质页岩，底部夹透镜层状生物碎屑灰岩。厚大于37.6m。

2.1.2 三叠系下统（T1）

（1）殷坑组（T1y）：上部微晶灰岩、砾屑灰岩、夹钙质页岩，下部页岩、泥岩夹泥灰岩。厚大于80.5m。

（2）和龙山组（T1h）：上部微晶灰岩，含白云质砾屑灰岩，下部条带状灰岩夹微晶灰岩及砾屑灰岩。厚199.9m。

（3）南陵湖组（T1n）：上部鲕状灰岩，厚286.8m；下部微晶灰岩，含生物碎屑灰岩。厚大于96.9m。

2.1.3 第四系（Q）

（1）第四系中更新统（Qdl+el2）：岩性主要为棕红色黏土，含少量角砾，角砾成份以灰岩为主。

（2）第四系全新统（Qal4）：冲积层。岩性主要为灰黄色及棕黄色黏土。

建设场地主要为第四纪地层覆盖，其覆盖层厚8.5～26.0m，附近低山丘陵为基岩出露。此外，拟建场地还零星分布有中酸性小岩体，其岩性为花岗闪长岩、闪长玢岩、辉绿岩，呈岩脉产出。

2.2 水文地质条件

建设场地及附近地下水类型可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水和碎屑岩类孔隙裂隙水三个类型。松散岩类孔隙水主要赋存在第四系全新统及中更新统地层中，地下水类型为潜水，含水贫乏，富水性差，碳酸盐岩裂隙岩溶水主要赋予三叠系下统南陵湖组灰岩中，场地大部分布三叠系下统南陵湖组灰岩，地表岩溶较发育，主要为溶沟、溶槽等，地下岩溶主要为溶洞，地下水类型为承压水，富水性一般。碎屑岩孔隙裂隙水主要赋存于页岩中，富水性贫乏。

3 勘察方法的选择及稳定性评价

3.1 勘查方法

图1 小煤窑采空区分布图Fig.1 Distribution of small coal goafs

采用了收集资料、地面调查、工程物探、钻探验证及室内试验等方法，在建设场地中进行了小煤窑专项勘查。

3.1.1 小煤窑采空区的现状调查分析

通过收集资料和现场调查，在建设场地南分布有小煤窑采空区，其开采巷道延伸到建设场地之下（图1），小煤窑均为短臂式巷道开采，木支撑。主巷道规格：倾角40°～42°，宽度1.7～3.0m，高度1.7～2.0m；开采巷道规格：倾角10°～25°，宽度2.0～7.0m，高度1.6～3.0m。

开采层为二叠系上统龙潭组B、C二层。开采层位深（大于200m），开采层厚度小于3m，煤层倾角10°～25°，目前均已停采。

图2 电阻率测深断面图Fig.2 Resistivity sounding profile

据实地调查访问，自建矿开采以来，地面上未见地裂缝和陷坑，采空区上的房屋也未见因煤矿开采引起的裂缝。在建设场地及附近只有一些民井开采浅部松散岩类孔隙水，作为生活用水，一般单井出水量小于50m3/d；未见深井开采深部碳酸盐岩裂隙岩溶水和碎屑岩孔隙裂隙水；小煤矿在开采时，矿坑涌水量较小（小于40m3/d），其小煤矿的开采，未造成地下水位大幅度下降，地下水的开采目前没有引发采空区的地面沉降或塌陷。

综上所述，拟建场地小煤窑采空区在现状条件下属基本稳定区。

3.1.2 工程物探成果

物探工作的目的是了解小煤窑巷道的分布、走向、埋深及基岩的性质及完整性。对于埋深较浅小煤窑的开采巷道（如井口附近），采用高密度电阻率法和电阻率测深法进行勘查，埋深较深小煤窑的开采巷道（大于100m），采用地震反射波法进行勘查。

根据电法工作的结果，电阻率测深法效果较好，开采巷道如有碎石土充填或无充填，则显示高阻异常（图2、图3）；如有水充填，则显示低阻异常（图4）。

地震反射波法主要布置在重要建（构）筑物窑尾、原料磨、生料均化库地段。一般来说，当地震波遇到采空巷道时，可使地震记录上反射波组变弱、缺失、紊乱，或形成绕射波、断面波、回转波等一系列特殊波，但在各测线地震时间剖面上（200ms以上），未见此类特殊波，因此判断在此次地震勘探范围内，250m以上不存在明显的采空巷道。在时间剖面曲线上未见断层构造引起的异常波形（图5）。

图3 电阻率测深断面图Fig.3 Resistivity sounding profile

图4 电阻率测深断面图Fig.4 Resistivity sounding profile

3.1.3 钻探验证成果

根据收集的资料和工程物探成果，在一期建设场地的窑尾至废气处理地段，布置了三个钻孔，钻孔揭露深度116～200m，其第四系松散层厚16.2～16.4m，松散层下为三叠系下统南陵湖组及和龙山组石灰岩，岩石质量较好，岩芯较完整，呈柱状，最短5cm，最长145cm。未见小煤窑开采巷道，与地震勘探结果一致。

表1 岩石力学指标测试结果统计表Table 1 Statistics of test results of rock mechanical indexes

在三期建设场地联合储库地段，也布置了三个钻孔进行验证，钻孔揭露深度29～35m，其中井口附近的钻孔揭露，第四系松散层厚1.0m，松散层下为中风化泥灰岩，岩芯较完整，在20.5～23.0m处见开采巷道，被碎石土充填，见有木块，与电测深推断结果一致。其余两孔未见开采巷道，可能是离井口较远，开采巷道的埋深大于钻探验证的深度。

在钻孔中取岩石力学样9组，测试结果表明，采空区上覆微风化石灰岩的饱和单轴抗压强度为40.9～89.2MPa，属硬质岩。岩石的物理力学指标统计结果见表1。

3.2 稳定性评价

建设场地小煤窑采空区的稳定性评价，是在对已收集的资料、地面调查、工程物探和钻探成果综合分析研究的基础上，本着定性分析与定量分析相结合的原则进行。

从小煤窑的基本情况可看出：煤层埋深大，厚度小，倾角不大；上覆岩层强度高，厚度大，第四系松散层厚度不大；未见深井开采地水；开采方式为短臂式巷道开采，开采空间小；建设场地内及附近未发现因小煤窑的开采引起的裂缝和陷坑；场地地基稳定性较好。

据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001），当采深采厚比大于30，地表已经稳定时，对一般建筑物可不进行稳定性评价。影响建设场地的小煤窑采空区，其采深采厚比均大于30，因此对一般建筑物地段不作稳定性评价。对荷载较大的重要建筑物，根据建筑物的荷载、采空区的埋深、宽度、上覆岩层的性质进行稳定性验算。

3.2.1 地表最大变形值的预测

表2 预测地表最大变形值计算经验式表Table 2 Empirical formula table for calculation of predicted maximum surface deformation

从收集的资料可以看出，三个小煤窑的开采深度、开采厚度、巷道宽度、煤层倾角及上覆松散层厚度基本相同，因此对整个建设场地进行总体预测，同时考虑小煤矿已充分开采。预测地表最大变形值计算经验式见表2。

表2各式中：

η一般取0.01～0.95，也可按η=1.1·｛（H-h）/m｝-0.1计算，H为开采深度（m），h为松散层厚度（m）。

r可按r=H/tanβ计算，β为移动角，tanβ一般取1.5～2.5；b一般取0.25～0.35。

影响地表变形的主要因素为：

（1）矿层因素：矿层埋深小（开采深度小），厚度大，倾角大，地表变形值大，反之地表变形值小。

（2）岩性因素：上覆岩层厚度大，强度高，地表变形较弱，反之地表变形较快、较大。第四系松散层愈厚，则地表变形值增大。

（3）构造因素：岩层节理裂隙发育，会使变形加快，增大变形范围，在断层带上地表变形会更加剧烈。

（4）地下水因素：地下水活动强，会加快变形速度，扩大变形范围，增大地表变形值。

（5）开采条件因素：矿层开采和顶板处置的方法及采空区的大小、形状、工作面推进速度等，均影响着地表变形值、变形速度和变形的形式。

根据三个小煤窑调查的基本情况和巷道分布图，其煤层厚最大为3m，煤层倾角一般为10°～25°，主要建（构）物地段的开采深度在250m以下，据本次钻探资料，并考虑岩层上部岩溶发育，且充填黏土或黏土夹碎石，第四系松散层厚度取25.0m。由此根据表2公式进行估算，其结果见表3。

表3 预测地表最大变形值计算结果表Table 3 Calculation results of predicted maximum surface deformation

目前建设场地内及附近小煤窑已关闭，无重复开采的可能，其开采空间不会增大；拟建场地煤层埋深大，煤层厚度小，煤层倾角不大；上覆岩层厚度大，强度高；第四系松散层主要为可塑—硬塑状粘性土，相对于岩层厚度不大；断层构造及节理裂隙不发育；地下水活动较弱，因而拟建场地地表变形微弱。由表3计算结果，可看出：

最大倾斜值Tmax=0.016＜3（mm/ m）；

最大曲率值Kmax=0.00019＜0.2（mm/m2）；

最大水平变形值εmax=0.009＜2（mm/m）。

由上述分析和计算结果看，小煤窑采空区地段为相对稳定区，可作为建设场地。

3.2.2 地基稳定性评价

当建筑物位于采空区影响范围以内时，设建筑物基底的单位压力为R，则作用在采空段顶板上的压力为：

Q=G-2F+aR=γH［a-H tanφtan2（45°- φ/2）］+aR

式中：

G——巷道单位长度顶板上岩层的重量（kN/m），G=aHγ；

a——巷道宽度（m）；

H——巷道顶板的埋藏深度（m）；

γ——岩层的容重（kN/m3）；

F——巷道单位长度侧壁的摩阻力（kN/m）；

φ——内摩擦角（°）

当H大到某一深度时，使Q=0，即顶板岩层恰好保持自然平衡时，则：

当： H＜H0时，地基不稳定。

H0＜H＜1.5H0时，地基稳定性差。

H＞1.5H0时，地基稳定。

由上式可知，影响地基稳定性临界深度H0计算的因素是巷道宽度a、岩层的容重γ和内摩擦角φ、建（构）物的荷载R，因此根据建（构）物所处的位置及荷载、巷道的宽度、岩层内摩擦角φ，分别进行估算，计算时取岩层容重γ的平均值、内摩擦角φ的标准值，根据收集的小煤窑资料，其开采巷道宽度最小2m、最大7m，本次岩石力学样测试，其内摩擦角标准值为57.6°。计算时取a=7m，φ=57.6°，计算结果见表4。

表4 地基稳定性计算表Table 4 Foundation stability calculations

综合分析钻探成果和表4计算结果可知，小煤窑采空区上覆岩层主要为中厚层状微风化石灰岩，强度高，属硬质岩，其厚度大于200m，即H＞1.5 H0。其建（构）物基础有足够厚的工程地质性质较好的岩层支承，地基稳定性较好。

3.2.4 场地稳定性评价

建设场地中荷载大的主要建（构）物均不在小煤窑采空区上方，但在二期场地联合储库和堆场附近，以及三期场地联合储库附近，有小煤窑开采井口，其井口附近的巷道顶板埋深较浅，取巷道宽度3m，估算临界深度H0为36m，按主巷道倾角42°推算，在距井口60m的范围内，其巷道埋深小于54m，并小于1.5 H0（临界深度）。其顶板稳定性较差，应采取适当的处理措施，可采用桩基础或回填处理。

4 探讨

（1）在小煤窑采空区勘察中，要充分收集资料，并进行细致的调查访问，了解已有采空区的巷道分布范围；小煤矿的开采时间、开采方式、顶板处理措施、回填塌落及充水情况；地表陷坑、裂缝的位置、形状、大小、深度、延伸方向及其与采空区的关系；采空区附近的抽水和排水情况及其对采空区稳定的影响；矿层的分布、层数、厚度及埋藏深度。

（2）合理布置工程物探工作，采用有效的物探方法来了解小煤窑采空区的地层构成、地质构造的发育特点；采空区上覆地层的岩性、厚度；小煤窑采空区的位置及开采巷道的走向。对工程物探的成果要深入分析，结合地质资料，进行合理的解释推断。要注重对物探异常的验证，适当安排钻探工作。

（3）在进行稳定性分析时，当采深采厚比大于30，地表已经稳定时，对一般建（构）筑物可不进行稳定性评价。对荷载较大的重要建筑物，应根据建（构）筑物的荷载、采空区的埋深、宽度、上覆岩层的性质，进行稳定性验算。

5 结语

小煤窑采空区是在建设场地工程地质勘察中常遇到的问题，而通过多种方法的勘查，查明小煤窑采空区的分布，获取各种参数，分析其对建（构）筑物影响，从而正确选择参数进行稳定性验算，为建设场地的地基处理提出合理的建议和有效的措施。

［1］GB50021-2001，岩土工程勘察规范［S］. 北京：中国建筑工业出版社，

［2］ 常士骠，等.工程地质手册［J］. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

［3］ 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京： 煤炭工业出版社，.

［4］ 芜湖海螺拟建场地小煤窑采空区勘查报告［R］.

ON ISSUES CONCERNING RECONNAISSANCE IN SMALL COAL GOAFS

SHEN Gao-ping
（No.2 Hydrogeology and Engineering Geology Institute of Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province， Wuhu，Anhui 241000， China）

∶ Small coal goafs are encountered frequently during engineering geological reconnaissance in construction sites. This paper took an example to introduce method used in reconnaissance in coal goafs，reconnaissance result， and stability-checking method， and discussed relevant issues with reconnaissance in coal goafs.

∶ small coal goaf； reconnaissance method； stability checking

TU733；TD853.391

A

2015-10-22

沈高平（1966-），男，安徽霍山人，高级工程师，注册岩土工程师，现主要从事水工环地质工作。

1005-6157（2016）02-0138-5