門頭溝采空棚戶區地塊勘察及穩定性評價

李曉瑋

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

關鍵詞：采空棚戶區;物探;鉆探;穩定性評價;開采區;小煤窯

中圖分類號：P694? ? 文獻標識碼：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地。門頭溝區采空棚戶區是舊城、舊礦、城中村相互交織的復雜區域，區域內房屋低矮破舊，基礎設施嚴重滯后，管線老化陳舊，居住條件亟待改善。門頭溝采空棚戶區是北京市首批棚戶區改造試點之一，也是門頭溝區建區以來最大的一次搬遷改造工程。為了加快門頭溝區采空棚戶區建設步伐，改善區域環境和促進社會經濟可持續發展，擬對該地區進行改造和環境整治工作。

本次采空區勘察工作在充分收集與整理資料的基礎上，采用遙感調查、野外綜合地質調查、物探、鉆探等手段，基本圈定了規劃區內采空區分布范圍與深度。在綜合分析研究勘察成果的基礎上，對規劃區內地質災害進行了穩定性分析評價和工程地質分區評價。綜合各項評價結果，對工程場地穩定性和適宜性進行了分區評價。

1 煤礦開采歷史

工作區位于北京西山地區，該地區煤炭儲量豐富，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個向斜構造區。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，民采煤窯已具相當規模。開采深度主要集中在地下20～150m，小窯的巷道密如蛛網，上、下交錯，互相貫通。

2 地質背景

區內及周邊地表可見地層由新至老主要有全新統、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）。工作區及周邊地層特征見表1。

規劃區內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 采空區勘察

3.1 遙感及野外綜合地質調查

在資料收集與整理的基礎上，采用遙感影像解譯規劃區及周邊地區地形地貌、地質災害的發育及特殊巖土的分布，利用野外綜合地質調查方法，調查規劃區存在的主要地質災害、不良地質作用和環境工程地質問題，對場地內渣土堆放區進行探測，探明渣土堆積厚度。經調查，區內地質災害主要為采空塌陷、泥石流、崩塌以及不穩定斜坡。采空塌陷涉及國礦采空區一槽煤以及小窯開采區，小窯開采區所采煤層為一槽煤，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，影響工作區區西側區域;崩塌隱患6處，主要分布于工作區地塊中部、東部區域;不穩定斜坡隱患4處，分布于工作區東部、西部兩個區域。工作區不良地質現象分布見圖2。

3.2 物探方法

3.2.1 物探布置

（1）高密度電法：根據地形條件開展采空區探測工作，主要對80m以淺的采空區進行探測，根據綜合分析后布設相應工作量，點距5m，累計布設高密度電法測線6條，測線總長度2820m，測點570個。

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

（3）探地雷達法：根據地形條件開展采空區探測工作，主要對深度30m以淺的小窯采空區進行探測，根據綜合分析后布設相應工作量，點距0.5m，累計布設探地雷達測線3條，總長度857.5m，測點1718個。

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

（5）微重力：根據地形條件開展，與其它方法探測結果進行對比分析，主要探測工作區內地層構造以及采空區未塌陷空洞的平面位置。根據綜合分析后布設相應工作量，點距2.0m，累計布設微重力測線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，電阻率值小于60Ω·m，阻值分布從上往下減小，影響區域較大，而異常區兩側阻值較高，變化明顯。推測低阻異常區為采空區積水或虛填所至。

（2）地質雷達

地質雷達解譯過程主要是對剖面中電磁波的形態、振幅強度進行分析推斷。

T1地質雷達測線點距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，部分區域連續性較好。煤層采空區在疊加剖面上主要表現為反射波同相軸缺失，或出現一些雜亂的弱反射或強反射，剖面圖中紅圈標識部分同相軸錯斷、連續性差、反射波減弱，推斷為煤層采空區。

（4）大地電磁法

解譯結果為：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。根據國礦剖面資料，上部高阻為砂巖，中部低阻區為窯坡組含煤地層，主要砂巖夾煤層，剖面底部高電阻區域推測為南大嶺組玄武巖層。

異常區域：圖中25～280m，深度80～170m有一高阻異常區，電阻率值140Ω·m以上，高于周邊視電阻率。結合國礦資料，確定該區域為國礦一槽煤開采區域，推斷采空區邊界與國礦采空區邊界相符，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，與已知地質構造資料基本吻合（即工區內基巖呈南低北高的走勢）。未發現采空區。

3.2.3 解譯成果分析

結合前期開展的工作，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為高阻和低阻異常帶，根據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電阻率值與平均背景值差距較大，小窯采空的異常反應多為封閉的高阻或低阻異常區（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為反射波波形變得不規則、紊亂甚至產生畸變，煤層采空及其頂板遭受破壞后，在地震時間剖面上表現為反射波組的中斷或消失，同時煤層頂部結構的不規則破壞，也產生各種低頻干擾，而采空區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的重要標志。

探地雷達采空異常主要為反射電磁波在地下不同介質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，電磁波同相軸發生錯動，同時在地下空洞電性界面處，反射波波幅明顯增強，根據以往經驗，在空洞區的上方，會產生“V”字形漏洞狀異常（李遠強等，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，主要用來圈定構造的范圍。

3.3 鉆探驗證

為進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，本次工作根據物探圈定的采空異常區，在工程場地內進行了鉆探驗證。地塊內共布設鉆孔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。

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

4 采空區穩定性分析

根據勘察成果，參考《煤礦采空區巖土工程勘察規范》（GB 51044-2014）分別對小窯采空區與國礦采空區場地穩定性進行評價。參考《工程地質手冊》對小窯開采區巷道的穩定性進行評價。

4.1 定性分析

開采條件判別法：對不規則、非充分采動等頂板垮落不充分、難以進行定量計算的采空區場地，可采用開采條件判別法進行定性評價。宜以采空區終采時間為主要因素，結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。

同時根據規范12.2.6條要求，下列地段宜劃分為不穩定地段：（1）采空區垮落時，地表出現塌陷坑、臺階狀裂縫等非連續變形的地段;（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、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，得出定性判斷結論，見表6。

4.2定量分析

（1）采空區冒落裂隙帶計算與實際鉆孔情況對比評價

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

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

Hm=8.93，H1i=33.97m 。工程建設對采空區穩定性影響程度評價結果見表9。

經計算，國礦一槽煤采深5.3～60m采空區、小窯采空區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、小窯采空區頂板巖層比較破碎，裂隙發育。為驗證計算結果，對深部國礦采空區與小窯采空區鉆孔巖芯進行了統計對比分析。從鉆孔資料分析，小窯采空區頂板巖性破碎，在附加荷載或地表水侵蝕情況下，易發生采空區活化現象，破碎巖層在壓實的過程中，發生地表沉降或塌陷等災害，處于不穩定狀態。國礦一槽煤采深60～170m采空區垮落斷裂帶之和未超過開采深度，根據鉆孔深部巖芯情況，深部國礦采空區斷裂帶上方巖層較為完整，承載力更強，地表未發現破壞特征，處于基本穩定的狀態。

（2）采空區移動變形影響程度分析評價

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

國礦一槽煤采深5.3～60m采空區、小窯采空區剩余下沉量>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、小窯采空區處于不穩定狀態，對今后工程建設影響大。國礦一槽煤采深60～170m采空區剩余下沉量處于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采空區處于基本穩定狀態，對今后工程建設影響中等。計算結果見表11、表12。

4.3開采區巷道穩定性評價

根據收集資料，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，地表易產生裂縫和塌坑。根據小窯開采特點與災害特征，本次工作采用《工程地質手冊》小窯采空區勘察與評價方法，計算小窯巷道場地穩定性的臨界深度，根據頂板深度與臨界深度的比值來評價小窯開采區巷道的穩定性。

小窯開采巷道覆巖臨界埋藏深度計算是老采空區地面穩定性評價中常用的分析方法，該法基于剛體極限平衡理論，假定采空區上覆巖（土）柱是依靠其與周圍巖（土）體的摩擦力來維持穩定的。若采空區為矩形或長條形，建筑物的單位基底壓力為p0（當地表無建筑物時，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為巖土體的內摩擦角（°）（根據經驗值砂巖內摩擦角75°）;B為巷道寬度（m）（取3m）。

當頂板深度H <H 0時，地基不穩定;H 0 <H<1.5H 0時，地基穩定性差;H >1.5H 0時，地基穩定。

根據收集小窯開采資料，小窯巷道一般由北向南，逐漸深入。根據鉆孔資料，國礦一槽煤采空區處于5.3～170m之間，小窯開采區域煤層多處于15～53m之間。通過計算，國礦一槽煤采深5.3～60m巷道、小窯開采區巷道處于不穩定—穩定性差狀態，國礦一槽煤采深60～170m巷道處于穩定性差狀態—穩定狀態，計算結果見表13。

根據小窯采空區、國礦采空區以及小窯、國礦開采區巷道的穩定性計算結果，整合穩定性評價分區，綜合評定采空區穩定性分區（圖11）。國礦一槽煤采深5.3～60m采空區及巷道、小窯開采區及巷道為不穩定區域，國礦一槽煤采深60～170m采空區及其巷道為基本穩定區域，小窯開采區與國礦采空區重疊部分為不穩定區域。

5 結語

（1）由于開采歷史和地質條件的復雜性，采空區勘察一直是工程勘察領域的難點。而在采空區場地內進行工程建設，首先要廣泛搜集采空區相關資料，采取合適的勘察手段，探明采空區的位置、范圍、邊界，進而評價采空區的穩定性。

（2）由于受工作區現場條件的制約，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，與鉆孔揭露地層對應，相互驗證，提高解譯精度。

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

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

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