易宙子(深圳市建設綜合勘察設計院有限公司,廣東深圳 518000)

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

易宙子?
(深圳市建設綜合勘察設計院有限公司,廣東深圳 518000)

摘 要:以深圳某地下采空區(qū)項目為例,通過資料搜集、地質鉆探驗證、物探手段驗證、巖土工程分析與評價等方法,對采空區(qū)穩(wěn)定性進行勘察與評價,對類似采空區(qū)評價項目采用的勘測思路、程序和評價方法起到一定的借鑒作用。

關鍵詞:地下采空區(qū)；穩(wěn)定性；勘察；評價

1　引 言

地下采空區(qū)由于地下采空區(qū)具有隱伏性強、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測等特點,因此,如何準確查明地下采空區(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)定性評價等,一直是困擾采空區(qū)勘察的關鍵技術難題。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,交通便利。早年,當?shù)鼐用窬吐恫稍摯罄韼r做石灰石原料,至上世紀80年代初,進行了大面積露天及地下開采,直至1998年前后關閉。隨著開發(fā)用地的需要,先對該地下采空區(qū)穩(wěn)定性和用地適宜性進行評價工作,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)特征應首先注重資料搜集工作,本項目評價通過查找檔案、走訪等方式,搜集到了該礦場地質勘察報告、1996年10月實測礦坑數(shù)字化地形圖、1999年地形圖、2005年地形圖等,通過對比,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出,總體走向為NE63° ～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?shù)鼐用窬吐短扉_采該大理巖做石灰石原料,至上世紀80年代初(1981年～1984年),深圳市地質局等多家單位先后開展了多次地質詳查、礦產詳查工作,隨后進行了大面積露天及地下開采,直至1998年前后關閉。經核對該礦歷年來探礦、勘察及地下巷道測量等多方面資料,自1984年～1998年間,場地經過十余年的開采,包括露天與地下開采,露天開采局部最低挖至標高21 m左右,現(xiàn)狀已回填,地面現(xiàn)標高約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)巷道測量圖

2．3測量成果對比

根據(jù)對本大理巖礦資料搜集,查明該礦于1998年關閉。1996年10月,曾對該礦地下采空層進行野外數(shù)字化測圖,根據(jù)該測量結果,本礦基本設計開挖有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):底標高約22 m,頂標高30 m,巷道平面中心線總長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),底標高約10 m,頂標高約15 m ～20 m,巷道平面中心線總長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),底標高約-8 m,頂標高約-5 m,巷道平面中心線總長1．379 km,巷道平面開采面積3 781．5m2,概略挖方約7 752 m3。從實測圖看,該層多為巷道,即未進行大面積開采工作。該層采空區(qū)1996年底開始設計施工,至1998年關閉,開采時間較短,開采空間有限。

露天開采情況:由于場地經過大面積露天開采,至1998年前后,局部最低標高約21 m,1999年開始回填,目前現(xiàn)場地已經平整至標高60 m左右。根據(jù)1999年前后實測地形圖的對比,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　地質鉆探驗證

鉆探驗證是判斷搜集資料準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,主要是結合搜集到的采空區(qū)的平面范圍和空間分布,布置了10個鉆孔對采空區(qū)以及露天開采范圍和深度進行驗證,并可取得巖石試樣,進行巖石強度試驗,為后續(xù)采空區(qū)穩(wěn)定和強度驗算提供基礎資料。

3．1地形地貌

場地原始地貌屬低丘～低丘間沖溝,但多經過露天開采,至1998年前后,局部最低標高約21 m,1999年開始回填,現(xiàn)場地已經平整?，F(xiàn)地面標高在59．69 m～62．34 m之間。

3．2地層巖性

根據(jù)鉆探揭露,場地內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,結構以松散為主,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,搖振反應無,干強度高,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。

粉質黏土:褐黃,灰白色,由大理巖風化殘積而成,風化不均,含少量碎塊,濕,可塑狀,稍光滑,搖振反應無,干強度高,韌性高,層厚4．9 m。

石炭系下統(tǒng)微風化大理巖:乳白,灰白色,系場地內下伏基巖,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,巖體基本質量等級為Ⅲ類,結構基本未變,少量風化裂隙,巖芯多呈長柱狀,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行巖石力學性質試驗,統(tǒng)計得到該大理巖性質如表2所示:

大理巖物理力學指標統(tǒng)計表 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),說明第3層開采空間范圍有限,僅施工采礦巷道,未進行全面開采, 第1層和第2層采空層空間分布與搜集資料基本吻合,達到了驗證所搜集資料正確性的目的。

4　物探手段驗證

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

4．1方法選擇與儀器設備

物探方法多種多樣,根據(jù)本項目場地和地層特點,選擇了密點距高密度電法進行勘察,共完成物探測線工作量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基礎,觀測和研究人工電場的變化和分布規(guī)律,進而進行解決地質問題的一種勘探方法。

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)的電阻率法有電測深法和電剖面法。電測深法反映測點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沿水平方向地電斷面的特征。高密度電法同時具備上述兩種方法的特點,并彌補了傳統(tǒng)電阻率法測點相對稀少和解釋依據(jù)單一的不足。

高密度電法勘探的前提條件是地下介質間的導電性差異,和常規(guī)電法一樣,它通過A、B電極向地下供電(電流為I),然后測量M、N極電位差△U,從而求得該記錄點的視電阻率值ρs =K?△U/ I。根據(jù)實測的視電阻率剖面進行計算、處理、分析,便可獲得地層中的電阻率分布情況,從而解決相應的工程地質問題。在勘測中,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

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物探檢測成果

測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,物探推斷解釋為無充填的溶洞,結合該場地實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,雖無充填,但實際是充滿了水,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

從本項目某物探剖線試驗結果和所搜集掌握的資料、勘探情況對比來看,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　巖土工程分析與評價

5．1強度驗算

根據(jù)淺基礎和樁基礎兩種荷載情況,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,破壞的臨界厚度試算出來,即可估算判定不同基礎形式和荷載強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)定性計算模型圖

計算參數(shù)選取:如采用筏板基礎時,采空層埋深按10 m,頂板有效荷載取350 kPa;如采用樁基礎,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,分別進行試算。采空層跨度根據(jù)調查資料,結合1996年10月實測礦坑數(shù)字化地形圖,采空區(qū)礦柱跨度最大約20 m, 按20 m考慮。大理巖的抗剪強度根據(jù)實驗成果,抗剪斷強度平均值為10．1 MPa,標準值為8．7 MPa,考慮到巖體中有少量裂隙,其抗剪強度將低于巖石的抗剪斷強度,按《工程巖體分級標準(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)強度按3．0 MPa取值進行驗算,計算上覆巖層穩(wěn)定的臨界厚度。計算結果如表4所示:

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

上覆巖層臨界厚度計算結果 表4

上表計算結果表明,如采空層實際上覆巖層厚度達到10 m以上,場地基本穩(wěn)定,可作為一般工程建設場地用地。

5．2工程地質分區(qū)及場地穩(wěn)定性、適宜性評價

根據(jù)以上試算結果及地質調查、物探、鉆探查明的采空層分布、埋深、上覆巖層厚度等,將整個采礦地采界限內分為3個地質分區(qū),各工程分區(qū)工程地質條件和穩(wěn)定性評價及建筑適宜性評價如表5所示:

各分區(qū)場地穩(wěn)定性和適宜性評價 表5

6　結 語

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

參考文獻

[1] 常士驃、張?zhí)K明．工程地質手冊[M]．北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007．

[2] GB50021-2001．巖土工程勘察規(guī)范[S]．

[3] 康鎮(zhèn)江．深圳地質[M]．北京:地質出版社,2009．

[4] 張長敏,祁麗華,慎乃齊．采空區(qū)建筑地基穩(wěn)定性評價研究[J]．湖南科技大學學報,2006(4)．

[5] 章進．淺部采空區(qū)上方擬建高層建筑地基穩(wěn)定性研究[D]．徐州:中國礦業(yè)大學,1996．

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:1672-8262(2015)05-172-05中圖分類號:P642

文獻標識碼:B

收稿日期:?2015—05—25

作者簡介:易宙子(1978—),男,高級工程師,主要從事巖土工程勘察設計等技術工作。