某地下采空區(qū)穩(wěn)定性的勘察與評(píng)價(jià)
——以深圳橫崗深茂水泥廠大理巖礦采空區(qū)為例

易宙子(深圳市建設(shè)綜合勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東深圳 518000)

某地下采空區(qū)穩(wěn)定性的勘察與評(píng)價(jià)
——以深圳橫崗深茂水泥廠大理巖礦采空區(qū)為例

易宙子?
(深圳市建設(shè)綜合勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東深圳 518000)

摘 要:以深圳某地下采空區(qū)項(xiàng)目為例,通過(guò)資料搜集、地質(zhì)鉆探驗(yàn)證、物探手段驗(yàn)證、巖土工程分析與評(píng)價(jià)等方法,對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行勘察與評(píng)價(jià),對(duì)類似采空區(qū)評(píng)價(jià)項(xiàng)目采用的勘測(cè)思路、程序和評(píng)價(jià)方法起到一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞:地下采空區(qū)；穩(wěn)定性；勘察；評(píng)價(jià)

1　引 言

地下采空區(qū)由于地下采空區(qū)具有隱伏性強(qiáng)、空間分布特征規(guī)律性差、采空區(qū)頂板冒落塌陷情況難以預(yù)測(cè)等特點(diǎn),因此,如何準(zhǔn)確查明地下采空區(qū)的分布范圍、空間形態(tài)特征和采空區(qū)的冒落狀況以及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等,一直是困擾采空區(qū)勘察的關(guān)鍵技術(shù)難題。深圳橫崗深茂水泥廠大理巖礦采空區(qū),位于橫崗鎮(zhèn)大康村委南側(cè),交通便利。早年,當(dāng)?shù)鼐用窬吐恫稍摯罄韼r做石灰石原料,至上世紀(jì)80年代初,進(jìn)行了大面積露天及地下開采,直至1998年前后關(guān)閉。隨著開發(fā)用地的需要,先對(duì)該地下采空區(qū)穩(wěn)定性和用地適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)工作,也就尤為必要了。

2　資料搜集

查明地下采空區(qū)的開采歷史、分布范圍、空間形態(tài)特征應(yīng)首先注重資料搜集工作,本項(xiàng)目評(píng)價(jià)通過(guò)查找檔案、走訪等方式,搜集到了該礦場(chǎng)地質(zhì)勘察報(bào)告、1996年10月實(shí)測(cè)礦坑數(shù)字化地形圖、1999年地形圖、2005年地形圖等,通過(guò)對(duì)比,采空區(qū)范圍及分布得到了初步判斷。

2．1礦體形態(tài)、產(chǎn)狀和規(guī)模

該礦體由石炭系下統(tǒng)大塘階石蹬子組中粒方解石大理巖夾細(xì)粒白云石大理巖組成,厚層與巨厚層狀,整體上礦體呈緩傾斜單斜層狀產(chǎn)出,總體走向?yàn)镹E63° ～SW243°,微呈“S”形彎曲。傾向330°～334°,傾角一般在30°～35°之間,礦層厚度為48 m～60 m之間。

2．2礦山開采情況

早年,當(dāng)?shù)鼐用窬吐短扉_采該大理巖做石灰石原料,至上世紀(jì)80年代初(1981年～1984年),深圳市地質(zhì)局等多家單位先后開展了多次地質(zhì)詳查、礦產(chǎn)詳查工作,隨后進(jìn)行了大面積露天及地下開采,直至1998年前后關(guān)閉。經(jīng)核對(duì)該礦歷年來(lái)探礦、勘察及地下巷道測(cè)量等多方面資料,自1984年～1998年間,場(chǎng)地經(jīng)過(guò)十余年的開采,包括露天與地下開采,露天開采局部最低挖至標(biāo)高21 m左右,現(xiàn)狀已回填,地面現(xiàn)標(biāo)高約60 m,并形成了3層地下采空區(qū),如圖1所示。

圖1　搜集的第三層地下采空區(qū)巷道測(cè)量圖

2．3測(cè)量成果對(duì)比

根據(jù)對(duì)本大理巖礦資料搜集,查明該礦于1998年關(guān)閉。1996年10月,曾對(duì)該礦地下采空層進(jìn)行野外數(shù)字化測(cè)圖,根據(jù)該測(cè)量結(jié)果,本礦基本設(shè)計(jì)開挖有3層地下采空區(qū),各層采空區(qū)和露天開采概況如下:

第1層采空區(qū):底標(biāo)高約22 m,頂標(biāo)高30 m,巷道平面中心線總長(zhǎng)0．463 km,巷道平面開采面積4 293 m2,概略挖方約28 549 m3;

第2層采空區(qū),底標(biāo)高約10 m,頂標(biāo)高約15 m ～20 m,巷道平面中心線總長(zhǎng)1．343 km,巷道平面開采面積16 967 m2,概略挖方約93 321 m3;

第3層采空區(qū),底標(biāo)高約-8 m,頂標(biāo)高約-5 m,巷道平面中心線總長(zhǎng)1．379 km,巷道平面開采面積3 781．5m2,概略挖方約7 752 m3。從實(shí)測(cè)圖看,該層多為巷道,即未進(jìn)行大面積開采工作。該層采空區(qū)1996年底開始設(shè)計(jì)施工,至1998年關(guān)閉,開采時(shí)間較短,開采空間有限。

露天開采情況:由于場(chǎng)地經(jīng)過(guò)大面積露天開采,至1998年前后,局部最低標(biāo)高約21 m,1999年開始回填,目前現(xiàn)場(chǎng)地已經(jīng)平整至標(biāo)高60 m左右。根據(jù)1999年前后實(shí)測(cè)地形圖的對(duì)比,基本查明了露天開采的范圍和深度,如表1所示。

采空層空間分布情況表 表1

3　地質(zhì)鉆探驗(yàn)證

鉆探驗(yàn)證是判斷搜集資料準(zhǔn)確性的最直觀的手段。根據(jù)搜集到該礦歷史開采資料情況,主要是結(jié)合搜集到的采空區(qū)的平面范圍和空間分布,布置了10個(gè)鉆孔對(duì)采空區(qū)以及露天開采范圍和深度進(jìn)行驗(yàn)證,并可取得巖石試樣,進(jìn)行巖石強(qiáng)度試驗(yàn),為后續(xù)采空區(qū)穩(wěn)定和強(qiáng)度驗(yàn)算提供基礎(chǔ)資料。

3．1地形地貌

場(chǎng)地原始地貌屬低丘～低丘間沖溝,但多經(jīng)過(guò)露天開采,至1998年前后,局部最低標(biāo)高約21 m,1999年開始回填,現(xiàn)場(chǎng)地已經(jīng)平整。現(xiàn)地面標(biāo)高在59．69 m～62．34 m之間。

3．2地層巖性

根據(jù)鉆探揭露,場(chǎng)地內(nèi)各地層的巖性及野外特征自上而下依次描述為:

人工填土:褐黃、褐紅色,由黏性土含少量砂礫組成,新近堆填,結(jié)構(gòu)以松散為主,中下部一般稍密。各孔均鉆及,層厚2．8 m～32．2 m。

填石:灰褐色,主要由碎石或塊石組成,局部含黏性土20%～30%,稍密,層厚4．0 m～16．0 m。

黏土(含卵石):褐灰,褐黃色,不均勻含卵石20%左右,稍有光滑,濕,可塑狀,搖振反應(yīng)無(wú),干強(qiáng)度高,韌性高,層厚11．2 m～12．0 m。

卵石:灰,淺黃～黃色,飽和,稍密～中密,充填有黏性土,卵石成分為石英等,亞圓形,卵石占50%～70%,粒徑一般為3 cm～5 cm,層厚4．0 m。

粉質(zhì)黏土:褐黃,灰白色,由大理巖風(fēng)化殘積而成,風(fēng)化不均,含少量碎塊,濕,可塑狀,稍光滑,搖振反應(yīng)無(wú),干強(qiáng)度高,韌性高,層厚4．9 m。

石炭系下統(tǒng)微風(fēng)化大理巖:乳白,灰白色,系場(chǎng)地內(nèi)下伏基巖,厚～巨厚層狀。主要礦物成分為方解石、白云石等,較完整,含碳酸鎂,碳酸鈣等成分,滴稀鹽酸起泡,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ類,結(jié)構(gòu)基本未變,少量風(fēng)化裂隙,巖芯多呈長(zhǎng)柱狀,少量短柱狀,錘擊聲較清脆,有輕微回彈,稍震手,較難擊碎,RQD值約為80%。據(jù)勘察采取的部分巖樣進(jìn)行巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)得到該大理巖性質(zhì)如表2所示:

大理巖物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表 表2

3．3鉆孔揭露采空層概況

各鉆孔在巖層中揭露有多個(gè)采空洞,其分布及充填物情況如表3所示:

鉆孔揭露采空層情況表 表3

續(xù)表3

以上各孔均未揭露第3層采空區(qū),說(shuō)明第3層開采空間范圍有限,僅施工采礦巷道,未進(jìn)行全面開采, 第1層和第2層采空層空間分布與搜集資料基本吻合,達(dá)到了驗(yàn)證所搜集資料正確性的目的。

4　物探手段驗(yàn)證

物探方法目的,主要是查明勘察范圍內(nèi)采空區(qū)的分布情況,主要是查明采空區(qū)的埋深及其規(guī)模,與鉆探工作互相驗(yàn)證。

4．1方法選擇與儀器設(shè)備

物探方法多種多樣,根據(jù)本項(xiàng)目場(chǎng)地和地層特點(diǎn),選擇了密點(diǎn)距高密度電法進(jìn)行勘察,共完成物探測(cè)線工作量1 672 m。高密度電阻率法俗稱高密度電法,是以地殼中巖石的電阻率差異為物質(zhì)基礎(chǔ),觀測(cè)和研究人工電場(chǎng)的變化和分布規(guī)律,進(jìn)而進(jìn)行解決地質(zhì)問(wèn)題的一種勘探方法。

高密度電法屬于電阻率法范疇,是一種陣列勘探方法。傳統(tǒng)的電阻率法有電測(cè)深法和電剖面法。電測(cè)深法反映測(cè)點(diǎn)下方不同電性的巖層隨深度的分布情況。電剖面法反映地下一定深度內(nèi)沿水平方向地電斷面的特征。高密度電法同時(shí)具備上述兩種方法的特點(diǎn),并彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電阻率法測(cè)點(diǎn)相對(duì)稀少和解釋依據(jù)單一的不足。

高密度電法勘探的前提條件是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異,和常規(guī)電法一樣,它通過(guò)A、B電極向地下供電(電流為I),然后測(cè)量M、N極電位差△U,從而求得該記錄點(diǎn)的視電阻率值ρs =K?△U/ I。根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面進(jìn)行計(jì)算、處理、分析,便可獲得地層中的電阻率分布情況,從而解決相應(yīng)的工程地質(zhì)問(wèn)題。在勘測(cè)中,采用了如下參數(shù):

裝置類型:溫納裝置(AMNB),如圖2所示。

電極距:3 m～5 m

電極排列:60個(gè)

記錄層數(shù):20層～25層

圖2　高密度電阻率法裝置示意圖

4．2物探檢測(cè)成果

測(cè)線從高密度電法視電阻率成像圖分析,地表至地下十幾米左右視電阻率值較低,約100 Ω·m ～1 000 Ω·m,推斷解釋該層為第四系松散覆蓋層(或露天開挖后回填碎石土)。十幾米以下視電阻率值最高,約 1 000 Ω·m～3 500 Ω·m,物探推斷解釋為基巖(大理巖);其中夾有約250 Ω·m～600 Ω·m,物探推斷解釋為無(wú)充填的溶洞,結(jié)合該場(chǎng)地實(shí)際情況解釋為采空區(qū),由于采空區(qū)埋深都在地表水位線之下,雖無(wú)充填,但實(shí)際是充滿了水,所以其視電阻率值為低阻,如圖3所示。

圖3　高密度電法電阻率成像圖

從本項(xiàng)目某物探剖線試驗(yàn)結(jié)果和所搜集掌握的資料、勘探情況對(duì)比來(lái)看,物探所顯示的采空區(qū)的分布、埋藏深度、上覆巖層厚度與搜集資料、勘探情況均基本吻合。

5　巖土工程分析與評(píng)價(jià)

5．1強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)兩種荷載情況,將采空層上覆巖層看作為板,建立模型,將不同荷載形式直接作用在大理巖板時(shí),破壞的臨界厚度試算出來(lái),即可估算判定不同基礎(chǔ)形式和荷載強(qiáng)度下采空層上覆巖層的穩(wěn)定性,如圖4所示。

圖4　采空層上覆巖層穩(wěn)定性計(jì)算模型圖

計(jì)算參數(shù)選取:如采用筏板基礎(chǔ)時(shí),采空層埋深按10 m,頂板有效荷載取350 kPa;如采用樁基礎(chǔ),集中荷載分別按單樁承載力3 000 kN、5 000 kN、10 000 kN、15 000 kN,樁距按2 m～5 m考慮,分別進(jìn)行試算。采空層跨度根據(jù)調(diào)查資料,結(jié)合1996年10月實(shí)測(cè)礦坑數(shù)字化地形圖,采空區(qū)礦柱跨度最大約20 m, 按20 m考慮。大理巖的抗剪強(qiáng)度根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果,抗剪斷強(qiáng)度平均值為10．1 MPa,標(biāo)準(zhǔn)值為8．7 MPa,考慮到巖體中有少量裂隙,其抗剪強(qiáng)度將低于巖石的抗剪斷強(qiáng)度,按《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB50218-94)》中附錄C的規(guī)定,工程巖體按Ⅱ類考慮,且保證一定安全度,抗剪(斷)強(qiáng)度按3．0 MPa取值進(jìn)行驗(yàn)算,計(jì)算上覆巖層穩(wěn)定的臨界厚度。計(jì)算結(jié)果如表4所示:

按《工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)》采空區(qū)勘察有關(guān)規(guī)定:當(dāng)上覆巖層厚度H＜H0時(shí),地基不穩(wěn)定,當(dāng)H0＜H＜ 1．5H0,地基穩(wěn)定性差,當(dāng)H＞1．5H0時(shí),地基穩(wěn)定。

上覆巖層臨界厚度計(jì)算結(jié)果 表4

上表計(jì)算結(jié)果表明,如采空層實(shí)際上覆巖層厚度達(dá)到10 m以上,場(chǎng)地基本穩(wěn)定,可作為一般工程建設(shè)場(chǎng)地用地。

5．2工程地質(zhì)分區(qū)及場(chǎng)地穩(wěn)定性、適宜性評(píng)價(jià)

根據(jù)以上試算結(jié)果及地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探查明的采空層分布、埋深、上覆巖層厚度等,將整個(gè)采礦地采界限內(nèi)分為3個(gè)地質(zhì)分區(qū),各工程分區(qū)工程地質(zhì)條件和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及建筑適宜性評(píng)價(jià)如表5所示:

各分區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性和適宜性評(píng)價(jià) 表5

6　結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,對(duì)于采空區(qū)勘察與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作,一般可采用以下4個(gè)步驟:即資料搜集、地質(zhì)鉆探驗(yàn)證、物探手段驗(yàn)證、巖土工程分析與評(píng)價(jià),通過(guò)上述手段,查明了此礦區(qū)曾經(jīng)歷露天開采和地下三個(gè)水平層開采,查明了采空區(qū)的空間分布,并建立力學(xué)模型進(jìn)行上覆巖層臨界厚度試算,從而進(jìn)行巖土工程分析與評(píng)價(jià),對(duì)類似的地下采空區(qū)勘察和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作有一定的借鑒作用。

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Stability Investigation and Evaluation of Underground Mined Area

Yi Zhouzi
(Shenzhen Geotechnical Investigation & Designing Institute Co．,Ltd,Shenzhen 518000,China)

Abstract:Underground mined area project in shenzhen as an example,through data collection,geological drilling, geophysical prospecting validation,geotechnical engineering analysis and evaluation,investigation and evaluation on the stability of mined area,for similar mined area evaluation project reconnaissance ideas,procedures and evaluation methods have certain enlightenment function．

Key words:underground mined area;stability;investigation;evaluation

文章編號(hào):1672-8262(2015)05-172-05中圖分類號(hào):P642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

收稿日期:?2015—05—25

作者簡(jiǎn)介:易宙子(1978—),男,高級(jí)工程師,主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)等技術(shù)工作。