煤系地層作為電廠基礎持力層的研究

張法智，王立波

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250100)

0 引言

煤系地層是一個地層學概念，是指含有煤層的一套沉積巖層，彼此間大致是連續沉積的，并在成因上有密切關系。

近些年來，隨著坑口電廠的建設，尤其是一帶一路沿線國家的項目推進，大型煤礦附近建設的電廠，因廠區與礦區緊密相連，在電廠的建設場地的地下常常出現煤系地層，煤系地層作為電廠基礎持力層的可行性逐漸提上了日程。本文以印度尼西亞某火電廠項目遇到的煤系地層作為基礎持力層問題進行了研究，解決了問題，供同行參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

神華國華印尼某發電新建工程位于印度尼西亞南蘇門答臘省，本期建設2×350 MW超臨界坑口燃煤機組，是神華國華集團響應國家推進“一帶一路”建設，實施“走出去”戰略在海外中標的煤電IPP項目“第一單”。

本項目是臨界坑口燃煤機組項目，位于某煤礦的礦區東北角，該礦區為露天煤礦，目前煤層尚未開采。

1.2 工程地質條件

將場地地層按巖性結合力學性質指標進行劃分，各層巖性特征簡述如下：

①-1黏土：黃褐色、棕黃色、棕紅色，可塑，稍濕。由于擬建廠址處于熱帶森林區，場地內植物種類繁多，且樹木根系發達，含大量植物根系及腐殖質。層厚為1.00 m，層底埋深為1.00 m。

①黏土：棕黃色、棕紅色，可塑～硬塑狀態，稍濕～飽和。層厚為0.80 m～4.00 m，層底埋深為1.80 m～5.00 m。

2)第三系(N)。

②黏土巖：灰色、深灰色，全風化，未膠結，局部夾泥質粉砂巖，呈半成巖狀態，巖芯呈堅硬的黏土狀。層厚為0.90 m～6.00 m，層底埋深為6.00 m～13.50 m。該層標準貫入試驗實測錘擊數一般為20擊～30擊。

②-1黏土巖：灰色、深灰色，全風化，未膠結，呈半成巖狀態，巖芯呈硬塑～堅硬狀態的黏土狀。層厚為0.50 m～6.80 m，層底埋深為4.00 m～14.00 m。該層標準貫入試驗實測錘擊數一般為10擊～20擊。

②-2煤：黑色，全風化，巖芯呈碎塊狀，呈層狀分布于②黏土巖中。層厚為0.50 m～5.60 m，層底埋深為3.50 m～12.00 m。

③黏土巖：灰色、深灰色，強風化，未膠結，局部夾泥質粉砂巖，呈半成巖狀態，巖芯呈堅硬的黏土狀。本次勘測未揭穿該層，最大揭露厚度為28.50 m。該層標準貫入試驗實測錘擊數一般大于30擊。

1.3 地基持力層的選擇

本項目采用天然地基，對于主廠房、鍋爐、煙囪等主要建(構)筑物，選擇③層強風化黏土巖作為其天然地基持力層，若存在超挖情況時，以素混凝土或砂石換填。

對于荷載較大的一般建(構)筑物，選擇②層全風化黏土巖或其以下地層作為其天然地基持力層。

目前面臨的問題是：可否選用②-2煤作為荷載較大的一般建(構)筑物的地基持力層，需要做進一步研究。

2 煤系地層的形成和特點

2.1 煤系地層的形成

煤是植物遺體經過復雜的生物、地球化學、物理化學等一系列作用轉變而成的。從植物死亡、堆積轉變成煤需要經過一系列的演變過程，這個過程稱為成煤作用。一般認為，成煤過程分為兩個階段：泥炭化階段和煤化階段。前者主要是生物化學過程，后者是物理化學過程。

2.2 煤系地層的特點

煤層在未風化擾動和爆破影響下，具有較高的承載力，但在原始結構被破壞以后則強度迅速降低。煤層受壓破壞后試驗面外緣出現擠壓隆起和呈放射性裂紋，煤質將變得十分疏松。一旦喪失結構強度，煤便成為類似于土的松散體，變形區擴大發生剪切破壞。另外，煤層還具有遇水軟化、自燃和瓦斯溢出等現象[1]。

本工程的煤層位于地表淺層，易與大氣和水接觸，經風化后因疏松潮濕，內在含水量增加，致使其物理力學性質下降。

本工程的煤系地層還具有如下特點：

1)層厚不均勻，最小厚度為0.5 m，最大厚度為5.6 m。

2)埋深變化大，最小埋深為3.5 m，最大埋深為12.0 m。

3)受地下水影響大。本項目的地下水水位和水量隨季節性變化特征明顯，其動態與大氣降水關系極為密切，雨季水位上升，旱季水位下降。勘測期間正值雨季，地下水穩定水位埋深為0.24 m～6.40 m。

3 煤系地層作為持力層的試驗研究

對②-2煤作為荷載較大的一般建(構)筑物的地基持力層的可行性，勘測期間采用標準貫入試驗和淺層平板載荷試驗做了進一步研究。

3.1 標準貫入試驗研究

標準貫入試驗嚴格按GB 50021—2001巖土工程勘察規范(2009年版)要求進行[2]。當鉆進到預定試驗深度并清孔完畢后，將貫入器放至試驗位置，使用63.5 kg穿心錘，以76 cm的自由落距使其自由下落。先預打15 cm，記錄其擊數，然后再記錄連續貫入地層30 cm中的錘擊數。當錘擊數已達50擊，而貫入深度未達30 cm時，記錄50擊的實際貫入深度。統計結果列于表1。

表1 煤層標準貫入試驗成果表

標準貫入試驗的標準值修正擊數為96.3，擊數較高。

3.2 淺層平板載荷試驗方案

為了模擬不利工況下的②-2煤層的承載力，試驗前開挖至該層，開挖深度約3 m，并暴露30 d，然后進行載荷試驗。開挖的基坑尺寸為5 m×8 m。試驗加載裝置采用堆載平臺反力裝置。

在暴露的30 d內，歷經了暴雨、暴曬等多種天氣，氣溫為25 ℃～30 ℃。暴露期間，在基坑外側四周設置截水溝，在坑底一角設置一個集水井，井深800 mm。排水的水流至集水井，集水井內安裝一臺小型潛水泵，安排專人全天抽水，基坑內的煤層大部分時間沒有被水浸泡。

根據GB 50021—2001巖土工程勘察規范(2009年版)以及DL/T 5024—2005電力工程地基處理技術規程，本次試驗承壓板采用剛性承壓板，根據地層情況，采用了邊長為0.5 m×0.5 m，面積為0.25 m2的方板。載荷試驗加荷方式采用分級維持荷載沉降相對穩定法(常規慢速法)，加荷等級取10級，前兩級合并加載，最大加載量為800 kPa。

3.3 淺層平板載荷試驗成果

3.3.1 試驗結果

淺層平板載荷試驗每級的沉降量和荷載見表2。

表2 淺層平板載荷試驗結果匯總

3.3.2 承載力特征值的確定

根據試驗結果繪制p-s曲線，按以下原則確定煤層的承載力特征值：

1)當p-s曲線上有比例界限時，取該比例界限所對應的荷載值。

2)當極限荷載小于對應比例界限的荷載值的2倍時，取極限荷載值的一半。

3)當不能按上述二款要求確定時，本工程壓板邊長為0.5 m，可取s/b=0.01所對應的荷載[3]。

試驗分析結果見表3，根據試驗分析結果，②-2煤層的承載力特征值可取400 kPa。

表3 淺層平板載荷試驗分析表

3.3.3 變形模量的確定

根據平板載荷試驗成果，按GB 50021—2001巖土工程勘察規范(2009年版)中公式10.2.5-1計算地基土的變形模量，計算結果列于表4中。

表4 煤層變形模量計算表

E0=I0(1-μ2)pd/s。

其中，I0為剛性承壓板的形狀系數，方形板取0.886；μ為土的泊松比，煤按碎石土考慮，取0.27；d為承壓板的邊長，取0.5 m；p為p-s曲線線性段的壓力，kPa；s為與p對應的沉降，mm。

從表4可見，變形模量E0的最小值為45.6 MPa，最大值為94.4 MPa，極差大于30%，剔除最大值94.4 MPa并將其余二項取平均值，建議變形模量E0取值為56.5 MPa。

3.4 ②-2煤層與②黏土巖的試驗指標對比

②-2煤層是②全風化黏土巖的夾層，現根據勘測成果，將二者的試驗指標對比如下，見表5。從表5中可以看出，即使在暴露30 d的不利工況下，②-2煤層的各項試驗指標仍全部優于②全風化黏土巖。

表5 ②-2煤層與②黏土巖試驗指標對比表

4 結語

通過以上研究，我們得出以下結論：因煤層的承載力較高，變形模量較大，對于荷載較大的一般建(構)筑物，可以選擇采取措施后的煤層作為建筑物的持力層。

當煤層位于基礎埋深以下時，煤層按不均勻地基考慮，若在基底揭露，則需要采取措施防止其受空氣、溫度、水的影響而強度降低，建議立即在基坑底部鋪設墊層將煤層隔絕，墊層材料可選擇素混凝土、黏性土等，若不能及時封閉導致煤層強度降低，則建議將受影響的煤層挖除[4]。

本文僅為對煤層作為建筑物的持力層的初步研究，對煤系地層應采用避與治相結合的原則，原則上不宜在煤系地層厚的地方進行大開挖形成高邊坡和布置電廠主廠房、鍋爐、煙囪等重要建(構)筑物。當下伏巖層(夾煤層)傾角較大，則須注意發生層間滑移的可能。對于運行期間會產生振動的設備基礎，應采取減震措施。如果煤層存在自燃、瓦斯溢出等現象時，須做進一步研究和論證[5]。