基于濟南章丘某項目場地采空區的勘察及治理方案研究

于孟偉，黃文龍，吳永東

（1.濟南世茂天城置業有限公司，山東 濟南 250001；2.山東建勘集團有限公司，山東 濟南 250031）

擬建場地位于濟南市章丘區某煤礦采礦范圍內，地塊總面積約4.2萬m2，共包括11棟8～18F建筑、1棟2F配套公建及地下1F車庫，主樓擬采用剪力墻結構筏板基礎，車庫擬采用框架結構獨立基礎。主樓正負零標高約92.3m，基礎埋深約6.0～6.2m。擬建場地北側、西側均為現狀市政道路；場地南側、東側均為后期規劃用地。

1 區域地質概況

1.1 地層

擬建場地位于山東臺背斜魯中臺凸的北緣，為泰山背斜的北翼，屬典型的華北型石炭-二疊紀含煤沉積[1]。區域地層由老到新依次如下：

（1）奧陶系八陡組：以厚層微晶灰巖、薄層豹皮狀含白云質泥晶灰巖和泥晶巖屑灰巖為主；石炭系本溪組，以泥巖、砂巖、粉砂巖、泥巖為主，是鋁土礦層的主要賦礦層位（G層鋁土礦）。（2）石炭系太原組：以砂巖、粉砂巖、泥巖為主，是區域主要的含煤層系。（3）二疊系淄川組：以深灰色、灰色、黃色砂巖為主，夾頁巖、泥巖及煤層。（4）二疊系黑山組：以砂巖、頁巖為主，下部為薄層煤層。（5）二疊系萬山組鋁土礦層：主要為灰色、灰白色硬質黏土（鋁土巖）。（6）二疊系奎山組：為一套碎屑巖組合。（7）二疊系孝婦河組：以泥巖、粉砂巖、長石石英砂巖、炭質頁巖和細砂巖為主。（8）三疊系鳳凰山組：以長石砂巖、粉砂巖為主，夾少量泥巖。（9）第四系沖洪積物。

1.2 礦產

擬建場地內及周邊主要的礦產為煤礦，主要開采的煤層為7煤、9煤和10-3煤。此外，區域內的黏土礦主要賦存于石炭系本溪組底部（G層鋁土礦），G層鋁土礦不穩定，在項目場區內埋深250m左右，區內未開采；區域內的A層鋁土礦和B層鋁土礦位于二疊系萬山組內，項目場區內及周邊均已剝蝕殆盡，擬建場地內不存在鋁土礦或黏土礦采空區。

2 場地采空區勘察

2.1 現場勘察

通過前期調查場區周邊地質資料、礦產勘查及開采資料，初步確定場地主要可能開采的煤層為7煤、9煤和10-3煤；據此制定了采空區勘察方案：①以線距30～50m、點距10m的網度對整個場區進行大地電磁測深法勘探；②以線距40～50m，點距5m的網度對整個場區進行高密度電法勘探；③根據物探成果劃分物探異常區，對物探異常區進行鉆探驗證。典型高密度電法剖面如圖1所示。

圖1 典型高密度電法剖面（單位：m）

完成的8條高密度電法測線探測深度約75～80m，無明顯的采空異常特征，此外場地內完成的125個詳勘鉆孔（孔深10～25m），均未發現采空現象，進一步表明了場地內無淺層黏土礦、鋁土礦采空區，與區域地質中場地及附近二疊系萬山組已被剝蝕殆盡的情況相符。

根據完成的12條大地電測測深結果，D1～D6、D9～D12剖面局部范圍內80～120m深度處存在物探異常，D7～D8剖面局部范圍內120～140m深度處存在物探異常；并且大地電測測深剖面上有明顯的“V”型低阻異常，該異常南北兩側的梯度差異明顯，結合剖面附近的驗證孔資料，上述位置及對應深度恰是砂巖賦存深度，對比驗證孔揭露的其他地層判定，判斷該“V”型低阻異常為斷裂的物探表現，將其定名為F1斷層，為正斷層，傾向南西，傾角75°左右。典型大地電測測深剖面如圖2所示。

根據物探結果，在物探異常區施工的8個驗證孔，其中ZK1、ZK5孔在7煤位置揭示破碎帶夾碎矸；ZK2、ZK3孔揭示保護煤柱，并且有明顯漏水現場，表明附近存在7煤采空區；ZK4孔7煤被侵入巖破壞；ZK7孔揭露揭示保護煤柱并且整孔返水；ZK6孔在80.7～85.4m及117.0～120.0m處進尺明顯變快且巖芯破碎、采取率低，并且有漏水現象，推斷該鉆孔在上述深度揭露采空區，后續補充的綜合測井工作也反映出了上述深度范圍內波速明顯偏低且井徑偏大，符合采空區特征；ZK08孔揭露較完整的7煤煤芯。ZK6孔綜合測井曲線如圖3所示。

圖2 典型大地電測測深剖面（單位：m）

根據上述物探及鉆探成果，制作場地內采空區勘察階段成果圖，劃分場地內推測未開采區、較密實采空區、不密實采空區三種分區。后經專家討論，認為可增加鉆孔及物探手段，進一步查明場地內采空區分布。據此，于場地內增加微重力法勘探（10m×15m網度）、增加驗證孔6口，并且于部分驗證孔中增加綜合測井工作。采空區勘察階段成果圖如圖4所示。

通過補充的勘察工作表明：場區內剩余重力值局部明顯較高，剩余重力高值區與周邊負值區梯度變化明顯，結合鉆探成果，分析認為區內重力高值區為未采區或保護煤柱；場區大部分區域剩余重力為負值，并且在剩余重力負值區內分布一系列明顯低于背景值的負異常區，梯度變化明顯，結合場區周邊煤礦采掘資料以及附近鉆探資料和綜合測井成果，推斷明顯的負異常區為塌陷不充分或充填不密實的采空巷道的反映；場區內其余區域剩余重力值雖為負值，但數值均基本為-0.06～0.04mgal，面積較大且梯度變化不明顯，結合場區周邊煤礦采掘資料及附近鉆孔資料和綜合測井成果，推斷該區域為塌陷較充分或充填較密實的采空區分布范圍。采空區勘察最終成果圖如圖5所示。

圖3 ZK6孔綜合測井曲線（局部）

圖4 采空區勘察階段成果圖

圖5 采空區勘察最終成果圖

2.2 場地穩定性及適宜性評價

根據采空區勘察成果，利用終采時間、地表移動特征綜合評估采空區場地穩定性：評估區內采礦活動在2002年基本完成，區內采空區移動變形已趨于停止，但有重新活化的可能，綜合評價場地采空區穩定性為基本穩定。

按工程重要程度和變形要求判斷：擬建工程重要等級為一般工程，場地穩定性為基本穩定，判斷采空區對擬建工程的影響程度為中等。按采空區特征判定：場地內7煤采空區屬中深層采空區，場地地表變形特征及發展趨勢現階段相對穩定，場地內部分采空區處于未塌陷密實狀態，考慮到地下水對煤柱的軟化作用，也可能導致部分采空區活化，判斷采空區對擬建工程的影響程度為中等。

按荷載臨界影響深度判別工程建設對采空區的影響，荷載臨界影響深度HD按如下經驗公式計算：

式中：B為場區內巷道寬度，m，B取2.0m；γ為巷道上覆巖層的重度，kN/m3，γ取23kN/m3；φ為巷道上覆巖體內摩擦角，°，φ取30°，P為基礎埋深，m，P取6.2m。對于擬建18F建筑，計算得出荷載臨界影響深度HD=23.4m，采空區深度大于1.5HD，擬建工程建設對采空區穩定性影響小。

按附加應力影響深度判別工程建設對采空區的影響，根據采空區上三帶理論，按軟弱覆巖經驗公式計算垮落斷裂帶厚度Hli：

式中：Hli為垮落斷裂帶厚度，m；M為采厚，m。

垮落裂隙帶深度H1f=采空區深度-垮落斷裂帶厚度Hli，通過計算各樓座附加應力影響深度，對比附加應力影響深度和垮落裂隙帶深度H1f，判定擬建工程建設對采空區穩定性影響小，如表1所示。

表1 附加應力影響深度判別法評價表

綜合上述各評價結果，擬建工程采空區局部未塌陷密實，采空區對擬建工程影響中等，工程建設對采空區穩定性影響小，基本適宜工程建設。建議對擬建場地南側推測不密實采空區范圍進行注漿治理，治理深度應不少于不密實段底板以下3m。

3 采空區治理方案

根據場地采空區特征以及注漿孔間距取值表，制定場地采空區治理方案[2]：主樓范圍內按12m間距采用正三角形布置注漿孔，注漿孔深度由7煤煤層底板標高確定，處理至煤底板以下3m，施工時注漿孔深度根據孔口標高以及設計孔底標高確定，孔深約115.5～135m；

因擬建場區內的采空區可能與場區外圍的采空區貫通，因此將西側、北側、東側外圍注漿孔加密至10m間距作為帷幕孔。按注漿孔、帷幕孔總數的3%～5%間隔布置取芯孔，取芯孔孔底標高115.5～135m，施工時先施工取芯孔，根據取芯孔揭露采空區情況適當調整相應區域注漿孔深度及間距。帷幕孔注漿施工采用間歇注漿工藝，待周邊帷幕孔注漿完成后再進行其余注漿孔的施工。周邊帷幕注漿孔注漿時可添加適量速凝劑，注漿時采用間歇注漿的方式確保起到封堵邊界的作用。在巷道及斷層發育區段，帷幕注漿孔可適當加密，封堵鉆孔的注漿應調整配比并采取摻加速凝材料或結合投石投砂的方法進行。

4 治理效果檢測

采空區治理施工后，通過檢測孔取芯、孔內電視及壓漿實驗、波速測試、高密度電法檢測及變形監測對治理效果進行檢測，結果如下：檢測孔取芯鉆探成果表明，檢測孔無掉鉆現象，并且均發現水泥結石體，水泥結石體強度也達到治理要求。孔內電視及壓漿實驗成果表明場地未發現其他深度的不穩定塌落區及空洞，不密實采空區的治理深度內水泥結石體填充完好，充填系數大于85%，滿足治理要求。波速測試成果表明，孔內注漿位置橫波波速vs≥300.0m/s，場地注漿效果明顯，達到治理要求。高密度電法檢測成果表明，視電阻率等值線分布相對較為均勻，梯度變化平緩，未發現等值線強烈扭曲，等值線整體呈層狀，無明顯低阻異常區，說明采空區的注漿治理效果明顯，質量較好。變形監測成果表明最大沉降點沉降速率為0.072mm/d≤0.170mm/d，在場地變形允許值范圍內。

通過檢測表明：治理范圍內未發現其他深度的不穩定塌落區及空洞，這與采空勘察結果相吻合，并且場地內不密實采空區治理效果明顯，質量較好，滿足治理規范要求，基本消除了場地穩定性的隱患。

5 社會效益

根據收集資料初步判斷項目場地位于采空區范圍內，參考周邊同類項目采空區治理成本估算本場地進行全面治理時費用約1200萬，治理周期約50～60d；通過高密度電法及大地電磁測深法勘探及鉆孔驗證，階段性成果推斷的不密實采空區治理費用約800萬，治理周期約40～50d；通過補充微重力法勘探及綜合測井工作，最終圈定的不密實采空區治理費用約180萬，治理周期30d。該次采空區勘察通過較豐富的工作量和較為齊全的勘察手段，查明了場地內采空區的分布特征，逐步圈定了場地內采空塌陷的不密實區，為采空區的治理提供了依據，也為建設單位節省了大量的工期及治理費用。

6 結束語

此次采空區勘察采用了高密度電法、大地電磁測深法、微重力法及綜合測井多種物探手段，并加以鉆探驗證，較為細致地圈定了場地采空區的分布，為后期的治理工作提供了詳實的依據。根據現場反饋，目前該項目治理范圍內的樓座已接近封頂，其沉降監測數據在設計變形允許值范圍內。這也表明了場地的采空區治理達到了預期的效果，基本消除了采空區場地的穩定性隱患。