廢棄煤礦采空區(qū)勘查與穩(wěn)定性評價

廢棄煤礦采空區(qū)勘查與穩(wěn)定性評價[摘要]本文利用地質(zhì)學、工程地質(zhì)學和地球物理學等有關學科知識，采用地質(zhì)調(diào)查、工程物探以及鉆孔技術(shù)和室內(nèi)試驗等分析技術(shù)，查明廢棄煤礦區(qū)的采空區(qū)的特征，在此基礎上結(jié)合相關地質(zhì)環(huán)境資料，對采空區(qū)穩(wěn)定性分析評價。[關鍵字]采空區(qū)勘查評價0前言在我國存在很多因采礦形成的地下采空區(qū)，甚至有相當多的不規(guī)范開采形成的采空區(qū)，往往沒有地下采空區(qū)的資料，采空區(qū)的分布、規(guī)模及穩(wěn)定性難以判定，因此，在土地資源豐富時，往往不考慮在采空區(qū)上部地面進行相應的建筑。隨著人類社會的不斷發(fā)展，土地資源持續(xù)性短缺問題將會日益突出，如何有效地勘查和評價那些廢棄采空區(qū)巖土體的形變特征、物理力學性質(zhì)的變化及其影響范圍和影響程度，進而選擇科學合理的防治措施，對于有效利用土地資源，緩解土地資源供需矛盾具有重要的理論和現(xiàn)實意義。1項目概況勘查區(qū)位于臨安市青山湖街道太陽灣青山湖正北面，坐北朝南，背山面水，呈半島狀嵌入湖面。場區(qū)地貌屬剝蝕丘陵及山前溝谷地帶，山勢低緩，溝谷發(fā)育。規(guī)劃在該區(qū)進行開發(fā)利用，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件及地質(zhì)災害的初步調(diào)查，擬建場區(qū)多處發(fā)現(xiàn)有因二十世紀六十～八十年代采煤形成的采空區(qū)引發(fā)的地面塌陷、地裂隙和地表變形等地質(zhì)災害，需對采空區(qū)進行勘查和評價。2工作方法在收集勘查區(qū)相關地質(zhì)環(huán)境資料基礎上，采用地質(zhì)調(diào)查與測繪、物探、鉆探、室內(nèi)試驗等研究方法獲取有關資料并進行綜合分析評價。3地質(zhì)環(huán)境條件勘查區(qū)屬亞熱帶季風氣候，四季分明，溫暖濕潤，雨量充沛，南側(cè)南側(cè)青山湖水域。地層巖性主要為震旦系下統(tǒng)志棠組（Zaz）砂巖、細砂巖、青灰色粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖，四里亭組（Zas）砂質(zhì)頁巖、含礫砂質(zhì)頁巖、含礫砂巖，西尖山組（Zbx）細砂、粉砂巖，寒武系下統(tǒng)荷塘組（∈1h）炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及煤石層以及第四系松散堆積物等。區(qū)內(nèi)褶皺形式總體表現(xiàn)為一破向斜構(gòu)造，褶皺軸線呈北東50°展布，南西被青山水庫淹沒，受后期構(gòu)造影響，向斜構(gòu)造被斷層所切，幾何形態(tài)不完整，局部發(fā)育有淺狀起伏、寬緩褶曲和小褶曲等。受區(qū)域構(gòu)造影響，勘查區(qū)斷裂構(gòu)造為6條近似平行的北東向壓性斷裂。4礦床特征及開采概況勘查區(qū)礦產(chǎn)類型主要為產(chǎn)于荷塘組中下部炭質(zhì)頁巖中的石煤礦產(chǎn)。共圈定3個石煤礦層，受后期構(gòu)造作用影響，常被斷層破碎帶錯段。采空區(qū)、窿道主要分布于F1～F5之間的西側(cè)區(qū)塊，石煤層為順層采掘，石煤層開采厚度為2.0—5.0m，煤層總體傾角較緩，多為2～10°。開采巷道高寬一般小于為2.5m，巷道基本未采取支護措施。5物探與鉆探5.1工程物探工程物探的主要目的是查明煤礦采空區(qū)的分布特征、地面塌陷深度、塌陷帶堆填物厚度和充填物密實程度等。由于本勘查區(qū)無已知成果資料，推斷解釋場區(qū)的地球物理特征入手進行初步的推斷解釋，待推斷的采空區(qū)異常經(jīng)鉆探驗證后再進行詳細的推斷和解釋。根據(jù)場地質(zhì)條件，本次選用瞬變電磁法。由其原理可知，衰變的二次場遇到高阻體衰減較快，在低阻體上衰減較慢。故在多測道電壓剖面圖上，高電壓反映的是低阻體，低電壓反映的是高阻體，呈平緩狀變化的電壓剖面曲線反映的是正常的地層。在視電阻率斷面圖上，正常地層等值線表現(xiàn)為類似層狀的平緩變化的曲線，當?shù)貙邮懿赏凇嗔褬?gòu)造破壞時，呈層狀分布的等值線會發(fā)生嚴重畸變，產(chǎn)生高阻或低阻的閉合圈或半閉合圈，曲線密集陡立上升或下降。場區(qū)開采的礦產(chǎn)為石煤，由于其含炭高，而炭又是電的良導體，故其在視電阻率斷面圖中顯示為低阻。根據(jù)前期調(diào)查資料，礦區(qū)已廢棄多年，均已充水，充水采空區(qū)在視電阻率斷面圖中也表現(xiàn)為低阻，與石煤的視電阻率相比為較高阻，存在一定的視電阻率差異，但并不明顯。同時，該礦區(qū)由于受開采技術(shù)的限制以，采空區(qū)基本在-30m高程面以上，由于礦區(qū)開采年限較長，認為該礦區(qū)-30m以上煤層基本采完，因此視電阻率斷面圖中低阻異?；究山忉尀椴煽諈^(qū)異常。本次共完成瞬變電磁法測線17條，測點558個。通過17條剖面的推斷解釋，共推測采空區(qū)異常25處。5.2鉆探驗證鉆探驗證其目的主要是為了驗證塌陷區(qū)地面物探成果的正確性，修正物探成果的解譯誤差，同時可以查清鉆孔揭露深度內(nèi)采空區(qū)的分布情況、塌陷區(qū)充填物的巖性的密實程度等。根據(jù)工程物探勘查解譯資料，發(fā)現(xiàn)勘查區(qū)下伏礦層（或推測采空區(qū)）埋深多在60～110m，針對性的布置了5個驗證鉆孔，鉆探工作量473m。鉆探資料顯示，在K1101鉆孔位置Ⅰ號煤層埋深22.9m，由2層厚0.7m的薄層狀石煤組成，中間為0.7m炭質(zhì)頁巖夾層，煤層以上垮落斷裂帶發(fā)育厚度約10m。Ⅰ號煤層頂板以下37.0m為Ⅱ號煤層，Ⅱ號煤層以上垮落斷裂帶發(fā)育厚度約33m?？傮w來說，物探解譯采空與鉆探驗證較為吻合，但局部與實際存在一定的差異。6采空區(qū)及塌（沉）陷分布特征6.1采空區(qū)根據(jù)本次取得的資料推斷，勘查區(qū)F1～F5間地下分布有3個規(guī)模不一的采空區(qū)，采空區(qū)分布范圍約59970m2。6.2地面塌陷根據(jù)實地勘查，共發(fā)現(xiàn)采空地面塌陷點有25余處。斷裂帶地表塌陷坑多呈漏斗狀，地表露頭表現(xiàn)為大小不等，帶狀分布的的圓形或橢圓形塌陷漏斗。少量規(guī)模較小，發(fā)生時間較久的塌陷點受自然因素的改變還難以辨析，僅根據(jù)微地形依稀可以尋找出采空地面塌陷的痕跡。塌陷坑（塌陷漏斗）多位于采面上部斷裂破碎帶正上方，或稍有偏離，其成因主要為裂隙帶沿斷層破碎帶向上發(fā)展而形成（如圖1）。6.3地面沉陷根據(jù)遙感影象資料及小比例尺地形測量，在勘查區(qū)西塊段的F1～F2斷裂帶間，地表存在2處沉陷區(qū)，部分沉陷區(qū)已發(fā)生塌陷。沉陷區(qū)總體與采空區(qū)范圍較為吻合。6.4地表裂縫根據(jù)實地勘查，建設場區(qū)共發(fā)現(xiàn)地表裂縫3條。其特點為張性裂縫，上寬下窄，在一定深度內(nèi)可能尖滅。較大裂縫兩側(cè)的地表有一定的落差，一般0.3～1.0m。6.5覆巖“三帶”特征煤礦開采形成采空區(qū)，在煤層上覆巖土層中自煤層頂板向上形成“三帶”—垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。從本次勘探的鉆孔巖芯采取率來看，破壞最嚴重的巖層段是位于開采煤層頂板以上15m以內(nèi)的覆巖，其原有巖層結(jié)構(gòu)層序基本破壞；裂隙帶內(nèi)巖體仍保持原有的層狀結(jié)構(gòu)，但在巖層中原有的結(jié)構(gòu)面如節(jié)理、裂隙開裂；彎曲變形帶的巖層一般只發(fā)生不同程度的整體性變形，巖層的結(jié)構(gòu)和物理力學性質(zhì)未遭破壞。斷裂帶下部的構(gòu)造角礫巖因破碎，破壞影響較嚴重?？傮w來看，鉆孔中的覆巖“三帶”巖芯采取率低，說明巖層力學強度降低，其巖體屬Ⅳ級“差巖體”。參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，選取垮落裂隙帶高度理論值計算公式進行計算，Ⅱ號煤層開采后斷裂帶高度理論值為39.7m。7采空區(qū)穩(wěn)定性的評價勘查區(qū)主要采用垮落法采煤，屬淺層采空區(qū)，斷層發(fā)育，覆巖（頂板）巖性以炭質(zhì)泥質(zhì)、炭質(zhì)頁巖和粉砂頁巖等中硬覆巖為主，巖層的節(jié)理和裂隙較發(fā)育，開采煤層多為緩傾斜～傾斜礦層斷裂帶部位常沿斷裂延伸方向采空，由于斷裂帶產(chǎn)狀陡傾，由于采煤后頂板全部垮落，使覆巖沉陷破壞嚴重，使上覆巖層的冒落裂隙帶高度得到充分發(fā)展，采空區(qū)往往沿斷裂面滑動冒落，并在采空區(qū)上盤巖層以沉陷和水平移動變形模式，出現(xiàn)地表裂縫，目前已經(jīng)出現(xiàn)多處塌陷、裂縫現(xiàn)象，現(xiàn)狀穩(wěn)定性較差，雖然采空區(qū)尚未完全塌落，但在后期不利因素作用下，采空區(qū)有進一步塌陷的可能，給地表建筑及人員生命財產(chǎn)造成危害。今后的工程建設，需根據(jù)采空區(qū)的特點及建筑物的布局進行建筑地基穩(wěn)定性評價，并根據(jù)評價結(jié)果，采取合適的防治措施，避免引發(fā)或遭受地面塌（沉）陷的危害。8小結(jié)（1）資料搜集和采空區(qū)地質(zhì)調(diào)查與測繪方法有一定局限性，對了解地面塌陷、沉陷、裂縫變形情況比較直觀，而了解地下情況就只能靠調(diào)查訪問，與實際情況往往會有出入，特別是對于無開采記錄資料的采空區(qū)，出入變化局部較大。（2）瞬變電磁法的最大特點是對地下低阻體反應異常敏感的特點，且具有高分辨率測距大、定向性好、對積水等低阻體敏感的特點。由于開采的礦產(chǎn)為石煤，其含炭高，而炭又是電的良導體，故其在視電阻率斷面圖中顯示為低阻，而采空區(qū)均已充水，充水采空區(qū)在視電阻率斷面圖中也表現(xiàn)為低阻，與石煤的視電阻率相比為較高阻，存在一定的視電阻率差異，但并不明顯?？山Y(jié)合其它物探方法進行綜合比較驗證。（3）地球物理勘探方法因其所測得的地球物性參數(shù)往往具有多解性，因此單獨采用物探測得的結(jié)果都不能認為是完全可靠的，有條件可采用多種方法相互驗證，才能取得比較理想的效果。即使如此，為了使物探結(jié)果更加可信，還必須布置必要的驗證鉆孔，然后再根據(jù)鉆孔驗證結(jié)果對物探成果加以修正，這樣才能取得更加真實、理想的成效。參考文獻[1]羅鷙，曹盛