门头沟采空棚户区地块勘察及稳定性评价

李晓玮

摘 要：本文选取有代表性的测线进行了物探解译，根据解译结果结合钻探手段，对物探异常区进行了验证，综合圈定了采空区的范围。其中小窑采空区包括8个区域，总面积为143599m2;国矿采空区包括2个区域，总面积为131279m2。在圈定的采空区范围基础上，以采空区终采时间为主要因素，结合地表移动变形特征、顶板岩性及松散层厚度等因素进行了采空区稳定性的定性分析，以采空区冒落裂隙带及采空区移动变形量计算进行了采空区稳定性的定量分析，分析结果为国矿一槽煤采深5.3～60m采空区及巷道、小窑开采区及巷道为不稳定区域，对工程建设影响大，危险性大。国矿一槽煤采深60～170m采空区及其巷道为基本稳定区域，对工程建设影响中等，危险性中等。

关键词：采空棚户区;物探;钻探;稳定性评价;开采区;小煤窑

中图分类号：P694    文献标识码：A   文章编号：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

门头沟在历史上曾是北京的主要煤炭产地。门头沟区采空棚户区是旧城、旧矿、城中村相互交织的复杂区域，区域内房屋低矮破旧，基础设施严重滞后，管线老化陈旧，居住条件亟待改善。门头沟采空棚户区是北京市首批棚户区改造试点之一，也是门头沟区建区以来最大的一次搬迁改造工程。为了加快门头沟区采空棚户区建设步伐，改善区域环境和促进社会经济可持续发展，拟对该地区进行改造和环境整治工作。

本次采空区勘察工作在充分收集与整理资料的基础上，采用遥感调查、野外综合地质调查、物探、钻探等手段，基本圈定了规划区内采空区分布范围与深度。在综合分析研究勘察成果的基础上，对规划区内地质灾害进行了稳定性分析评价和工程地质分区评价。综合各项评价结果，对工程场地稳定性和适宜性进行了分区评价。

1 煤矿开采历史

工作区位于北京西山地区，该地区煤炭储量丰富，分布范围广，主要赋存在北岭、九龙山、髫髻山-庙安岭和百花山4个向斜构造区。国矿主要为门头沟煤矿，可采煤层共5层，矿井开拓方式以立井开拓为主，以立井、平峒、皮带斜井、暗斜井、采区石门开拓煤层群，局部片盘下山开采单煤层为辅。2000年7月20日矿井全部停采。小窑开采已有800年以上的历史，在 清乾隆年间，民采煤窑已具相当规模。开采深度主要集中在地下20～150m，小窑的巷道密如蛛网，上、下交错，互相贯通。

2 地质背景

区内及周边地表可见地层由新至老主要有全新统、侏罗系九龙山组、侏罗系龙门组、侏羅系窑坡组、侏罗系南大岭组、三叠系杏石口组等地层;其中侏罗系窑坡组为主要煤系地层（图1）。工作区及周边地层特征见表1。

规划区内有孙桥正断层由南向北穿过，该断层倾向西，倾角80°，上盘地层倾角30°，下盘地层倾角20°，垂直落差27m，水平落差50m，长度约2900m，影响煤层为门头沟井田一槽、二槽、五槽及七槽四层煤。

3 采空区勘察

3.1 遥感及野外综合地质调查

在资料收集与整理的基础上，采用遥感影像解译规划区及周边地区地形地貌、地质灾害的发育及特殊岩土的分布，利用野外综合地质调查方法，调查规划区存在的主要地质灾害、不良地质作用和环境工程地质问题，对场地内渣土堆放区进行探测，探明渣土堆积厚度。经调查，区内地质灾害主要为采空塌陷、泥石流、崩塌以及不稳定斜坡。采空塌陷涉及国矿采空区一槽煤以及小窑开采区，小窑开采区所采煤层为一槽煤，分布于地块北部和东部，范围与国矿所采一槽煤部分重合（图9、图10）。泥石流隐患1处，影响工作区区西侧区域;崩塌隐患6处，主要分布于工作区地块中部、东部区域;不稳定斜坡隐患4处，分布于工作区东部、西部两个区域。工作区不良地质现象分布见图2。

3.2 物探方法

3.2.1 物探布置

（1）高密度电法：根据地形条件开展采空区探测工作，主要对80m以浅的采空区进行探测，根据综合分析后布设相应工作量，点距5m，累计布设高密度电法测线6条，测线总长度2820m，测点570个。

（2）大地电磁测深法：根据地形条件开展采空区探测工作，主要对深度60～300m的采空区进行探测，根据综合分析后布设相应工作量，点距20m，累计布设大地电磁测深测线2条，测线总长度900m，测点47个。

（3）探地雷达法：根据地形条件开展采空区探测工作，主要对深度30m以浅的小窑采空区进行探测，根据综合分析后布设相应工作量，点距0.5m，累计布设探地雷达测线3条，总长度857.5m，测点1718个。

（4）浅层地震：根据地形条件开展采空区探测工作，与其它方法探测成果进行对比解译分析采空区。主要对深度100m以浅的小窑采空区进行探测，根据综合分析后布设相应工作量。采用加拿大geo-X公司生产的地震数据采集系统，48道接收、夯机震源，根据综合分析后布设相应工作量，道距2.0m，累计布设浅层地震测线总长380m，共计191个物理点，放42炮。

（5）微重力：根據地形条件开展，与其它方法探测结果进行对比分析，主要探测工作区内地层构造以及采空区未塌陷空洞的平面位置。根据综合分析后布设相应工作量，点距2.0m，累计布设微重力测线1条，测线总长320m，测点161个。

物探工作及钻孔布置图见图3。

3.2.2 物探解译

（1）高密度电法

G3测线点距5m，测点60个，测线长度295m，测线方向329°，反演最深50.0m。从剖面图（图4）可以看出，电阻率分布较均匀，有一定的规律，电性层位较清晰，电阻率变化范围较大，剖面至左向右基本呈高阻—低阻—高阻变化。图中130～230m处，深度地表至50m有一低阻异常区，电阻率值小于60Ω·m，阻值分布从上往下减小，影响区域较大，而异常区两侧阻值较高，变化明显。推测低阻异常区为采空区积水或虚填所至。

（2）地质雷达

地质雷达解译过程主要是对剖面中电磁波的形态、振幅强度进行分析推断。

T1地质雷达测线点距0.5m，测点845个，测线长度422m，测线方向80°。从剖面图（图5）可以看出，剖面图中存在多处干扰，测线325～350m，深2～17m处同相轴下沉及底部波形杂乱。

（3）浅层地震

D1测线叠加剖面图：D1测线点距2m，测点191个，测线长度380m，测线方向91°，反演最大深度1500m。从剖面图（图6）分析波场特征，可见剖面层次较清晰，分辨率较高，波组之间基本平行，部分区域连续性较好。煤层采空区在叠加剖面上主要表现为反射波同相轴缺失，或出现一些杂乱的弱反射或强反射，剖面图中红圈标识部分同相轴错断、连续性差、反射波减弱，推断为煤层采空区。

（4）大地电磁法

解译结果为：S1测线测点点距20m，测点15个，测线长度280m，测线方向331°，反演最大深度700m。从剖面图（图7）可以看出，电阻率分布较均匀，有一定的规律，电性层位较清晰，电阻率变化范围较大，地面往下基本呈高阻—低阻—高阻变化。根据国矿剖面资料，上部高阻为砂岩，中部低阻区为窑坡组含煤地层，主要砂岩夹煤层，剖面底部高电阻区域推测为南大岭组玄武岩层。

异常区域：图中25～280m，深度80～170m有一高阻异常区，电阻率值140Ω·m以上，高于周边视电阻率。结合国矿资料，确定该区域为国矿一槽煤开采区域，推断采空区边界与国矿采空区边界相符，其高阻典型特征为采空后空气填充。

（5）微重力法

Z1测线，点距2m，测点161个，测线长度320m，测线方向313°。从Z1布格重力断面图（图8）可以看出布格重力异常由南往北呈上升趋势，与已知地质构造资料基本吻合（即工区内基岩呈南低北高的走势）。未发现采空区。

3.2.3 解译成果分析

结合前期开展的工作，综合分析物探探测效果及解译成果（表2）。

高密度电阻率法和大地电磁法成果主要为地下岩层电阻率的分布。采空及充水的采空异常主要表现为高阻和低阻异常带，根据以往物探试验及电测井资料，采空电阻率一般在200Ω·m或更大;充水的采空区电阻率值一般小于30Ω·m或更小，由于采空的充水情况和破碎情况不明，因此，判断采空异常最重要的特征是异常区电阻率值与平均背景值差距较大，小窑采空的异常反应多为封闭的高阻或低阻异常区（马志飞等，2008;蒋波等，2019）。

浅层地震反射波采空异常主要是由于煤层采空引起的上覆岩层破坏对地震波吸收频散衰减作用，使反射波频率降低，破碎围岩及裂隙对地震波衰减还表现为反射波波形变得不规则、紊乱甚至产生畸变，煤层采空及其顶板遭受破坏后，在地震时间剖面上表现为反射波组的中断或消失，同时煤层顶部结构的不规则破坏，也产生各种低频干扰，而采空区下方则由于岩层相对完整而变化不明显。这些特征都是在地震时间剖面上识别煤层采空区的重要标志。

探地雷达采空异常主要为反射电磁波在地下不同介质传播过程中其反射速率不同，接受到的回波时间存在差异，遇到地下空洞后，电磁波同相轴发生错动，同时在地下空洞电性界面处，反射波波幅明显增强，根据以往经验，在空洞区的上方，会产生“V”字形漏洞状异常（李远强等，2015）。

微重力勘探通过测量不同岩性组合的密度（ρ）差异来确定密度界面的起伏变化情况，主要用来圈定构造的范围。

3.3 钻探验证

为进一步验证物探解释成果的可靠性，也为提高物探解译的精确程度，本次工作根据物探圈定的采空异常区，在工程场地内进行了钻探验证。地块内共布设钻孔21个，其中有采空的钻孔共7个，分别为QD03、QD04、QD06、QD09、QD14、QD17、QD21。共收集钻孔10个，其中有采空的钻孔2处，分别为DZ06、DZ08。钻孔与物探情况对照表见表3。

根据物探及钻探结果，结合以往工作成果，圈定国矿采空塌陷变形影响带分布图（图9）及小窑采空区变形影响带分布图（图10）。

4 采空区稳定性分析

根据勘察成果，参考《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB 51044-2014）分别对小窑采空区与国矿采空区场地稳定性进行评价。参考《工程地质手册》对小窑开采区巷道的稳定性进行评价。

4.1 定性分析

开采条件判别法：对不规则、非充分采动等顶板垮落不充分、难以进行定量计算的采空区场地，可采用开采条件判别法进行定性评价。宜以采空区终采时间为主要因素，结合地表移动变形特征、顶板岩性及松散层厚度等因素，按表4、表5综合判别。

同时根据规范12.2.6条要求，下列地段宜划分为不稳定地段：（1）采空区垮落时，地表出现塌陷坑、台阶状裂缝等非连续变形的地段;（2）特厚煤层和倾角大于55°的厚煤层浅埋及露头地段;（3）由于地表移动和变形引起边坡失稳、山崖崩塌及坡脚隆起地段;（4）非充分采动顶板垮落不充分、采深小于150m，且存在大量抽取地下水的地段。

综合上述定性判断依据，得出定性判断结论，见表6。

4.2定量分析

（1）采空区冒落裂隙带计算与实际钻孔情况对比评价

按照规范，分别对各采空区垮落带和断裂带进行了计算（表7、表8）。一槽煤层采深5.3～60m范围内采空区、小窑采空区顶板岩性为较软—较坚硬的粉砂岩，

国矿一槽煤采深5.3～60m范围内采空区、小窑采空区Hm=5.79m， H1i=21.32m。一槽煤层采深60～170m范围内顶板岩性为较坚硬粉砂岩，垮落带最大高度

Hm=8.93，H1i=33.97m 。工程建设对采空区稳定性影响程度评价结果见表9。

经计算，国矿一槽煤采深5.3～60m采空区、小窑采空区垮落断裂带之和可能超过开采深度，说明国矿一槽煤采深5.3～60m采空区、小窑采空区顶板岩层比较破碎，裂隙发育。为验证计算结果，对深部国矿采空区与小窑采空区钻孔岩芯进行了统计对比分析。从钻孔资料分析，小窑采空区顶板岩性破碎，在附加荷载或地表水侵蚀情况下，易发生采空区活化現象，破碎岩层在压实的过程中，发生地表沉降或塌陷等灾害，处于不稳定状态。国矿一槽煤采深60～170m采空区垮落断裂带之和未超过开采深度，根据钻孔深部岩芯情况，深部国矿采空区断裂带上方岩层较为完整，承载力更强，地表未发现破坏特征，处于基本稳定的状态。

（2）采空区移动变形影响程度分析评价

根据勘察成果，参考《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB 51044-2014）分别对小窑开采区与国矿采空区剩余变形量进行计算，对采空区的影响程度进行评价。影响程度见表10。

国矿一槽煤采深5.3～60m采空区、小窑采空区剩余下沉量>200mm，剩余地表倾斜量>10mm/m，剩余地表水平变形量>6mm/m，剩余地表曲率>0.6×10-3m-1，说明国矿一槽煤采深5.3～60m采空区、小窑采空区处于不稳定状态，对今后工程建设影响大。国矿一槽煤采深60～170m采空区剩余下沉量处于100～200mm之间，剩余地表倾斜量处于3～10mm之间，剩余地表水平变形量处于2～6mm/m之间，剩余地表曲率处于0.2×10-3m-1～0.6×10-3m-1，说明国矿一槽煤采深60～170m采空区处于基本稳定状态，对今后工程建设影响中等。计算结果见表11、表12。

4.3开采区巷道稳定性评价

根据收集资料，地块西南部存在大量的小窑开采巷道，巷道宽2～3m，大多为木桩临时支撑，开采后任其垮落，地表易产生裂缝和塌坑。根据小窑开采特点与灾害特征，本次工作采用《工程地质手册》小窑采空区勘察与评价方法，计算小窑巷道场地稳定性的临界深度，根据顶板深度与临界深度的比值来评价小窑开采区巷道的稳定性。

小窑开采巷道覆岩临界埋藏深度计算是老采空区地面稳定性评价中常用的分析方法，该法基于刚体极限平衡理论，假定采空区上覆岩（土）柱是依靠其与周围岩（土）体的摩擦力来维持稳定的。若采空区为矩形或长条形，建筑物的单位基底压力为p0（当地表无建筑物时，p0取0）时，上覆岩（土）体的临界埋藏深度H0 按下式计算：

式中：γ为岩土体的重度（kN/m3）;φ为岩土体的内摩擦角（°）（根据经验值砂岩内摩擦角75°）;B为巷道宽度（m）（取3m）。

当顶板深度H <H 0时，地基不稳定;H 0 <H<1.5H 0时，地基稳定性差;H >1.5H 0时，地基稳定。

根据收集小窑开采资料，小窑巷道一般由北向南，逐渐深入。根据钻孔资料，国矿一槽煤采空区处于5.3～170m之间，小窑开采区域煤层多处于15～53m之间。通过计算，国矿一槽煤采深5.3～60m巷道、小窑开采区巷道处于不稳定—稳定性差状态，国矿一槽煤采深60～170m巷道处于稳定性差状态—稳定状态，计算结果见表13。

根据小窑采空区、国矿采空区以及小窑、国矿开采区巷道的稳定性计算结果，整合稳定性评价分区，综合评定采空区稳定性分区（图11）。国矿一槽煤采深5.3～60m采空区及巷道、小窑开采区及巷道为不稳定区域，国矿一槽煤采深60～170m采空区及其巷道为基本稳定区域，小窑开采区与国矿采空区重叠部分为不稳定区域。

5 结语

（1）由于开采历史和地质条件的复杂性，采空区勘察一直是工程勘察领域的难点。而在采空区场地内进行工程建设，首先要广泛搜集采空区相关资料，采取合适的勘察手段，探明采空区的位置、范围、边界，进而评价采空区的稳定性。

（2）由于受工作区现场条件的制约，存在平房多、道路狭窄、路面硬化、高压线密集等不利探测的因素，勘探点、线布置只能因地制宜，顺地形、地物布置，物探线尽量绕避对测试信号影响大的地方，提高信噪比。测线尽可能沿钻探勘探线布设，与钻孔揭露地层对应，相互验证，提高解译精度。

（3）对于采空区的稳定性分析，采用定性与定量的方法综合进行分析，对深度较深的国矿采空区，根据采空区移动变形影响程度将国矿采空区根据不同的深度分开进行评价，从而提高了评价的精度。

（4）对于开采区巷道的稳定性分析，主要根据《工程地质手册》计算小窑巷道场地稳定性的临界深度，并根据顶板深度与临界深度的比值来评价小窑开采区巷道的稳定性。

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