翟淑花，李良景，冒 建，安立偉

(北京市地質(zhì)研究所，北京 100120)

北京西山侏羅系地層發(fā)育，埋藏較淺，煤層開采具有成本低、見效快等特點，因此，在19世紀(jì)80年代國家政策允許私人開礦時，京西涌現(xiàn)出數(shù)以千計的小煤窯.而小煤窯在追求短期效益的基礎(chǔ)上，全然不顧“三下采煤”預(yù)留保護礦柱開采規(guī)范，對京西煤炭資源進行了掠奪性開采，加之開采煤層以淺部為主，上覆煤巖層較薄，造成京西歷史采煤區(qū)大面積塌陷，地裂縫發(fā)育，給人民生命財產(chǎn)帶來一定的威脅.

關(guān)于煤炭開采引起的地面塌陷問題已引起采礦和巖土工程界學(xué)者的高度重視，但多集中于對正在生產(chǎn)的國家大型礦業(yè)集團開采引起的塌陷進行監(jiān)測和研究[1-14]，對已停產(chǎn)的地方小窯開采引起的塌陷卻少有涉及.然而，在特殊地質(zhì)條件下，小窯開采引起的塌陷具有如下特點：1)侏羅系地層頂板較為堅硬，開采后老頂不會輕易冒落，一旦冒落，將會整體陷落，因而采空塌陷具有突發(fā)性、整體性、影響面積大、地質(zhì)動力顯現(xiàn)明顯等特點； 2)塌陷潛伏時間長，不易察覺，陷落前無明顯征兆；3)廢棄小煤窯相互貫通，情況復(fù)雜，采空區(qū)范圍難以查清，防范難度和預(yù)測性差.

本研究以京西小窯開采集中地——門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)南港村采空塌陷為例[15]，在采空區(qū)勘查、監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對采空塌陷區(qū)穩(wěn)定性進行了初步判斷.

1 采空區(qū)勘查與監(jiān)測

北京市門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)南港村位于王平鎮(zhèn)東部，村域地下蘊藏著豐富的煤炭資源，開采歷史悠久，歷年采煤累計形成的采空區(qū)體積達數(shù)十萬立方米.該區(qū)含煤地層主要為侏羅系窯坡組，巖性以石英砂巖和粉砂巖為主.窯坡組可采煤層共五層，即1、2、5、7、9槽煤，煤層傾向南東，傾角較緩.煤層埋藏深度為120～160 m，局部較淺.而在南港地區(qū)，可采煤層只有1層，即賦存于煤系地層最下部的1槽煤.其余槽煤局部可采，且解放前己大量開采.1槽煤厚度最大3.50 m，最小0.40 m，平均煤厚2.00 m.煤層厚度變化較大，大部可采，為較穩(wěn)定煤層.煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般中部有一層泥巖夾矸，厚0.10～0.30 m.煤層頂板為細砂巖，底板為硬綠泥石角巖、泥巖或粉砂巖.

采煤方式為爆破落煤，采用壁式工作面，巷道為木支護結(jié)構(gòu)，采空區(qū)頂板管理采用自然垮落.該種采煤方式會對圍巖造成較強的破壞，并在地下形成一個連通的懸空區(qū).

1.1 采空區(qū)勘查

在考慮工作區(qū)內(nèi)地形、地貌、地質(zhì)背景條件的特點及地面建筑等不利工作條件的基礎(chǔ)上，對比各種物探方法的工作方式和抗干擾能力，從不同巖性物質(zhì)的電性差異入手，選取大地電磁測深法、高密度電阻率法和探地雷達法(圖1～3)，進行采空區(qū)綜合探測，并結(jié)合鉆孔進行驗證，最終圈定出南港村采空區(qū)15個，其中最小采空區(qū)面積為153 m2,最大采空區(qū)面積為11 101 m2，埋深為5～65 m(表1).

圖1 地質(zhì)雷達采空區(qū)探測探測剖面

圖2 高密度電阻率法采空區(qū)探測剖面

圖3 大地磁測深法采空區(qū)探測剖面

采空編號位置埋深及影響面積特征簡述A1村委會橋南5～40m(770m2)深部(30m±)存在采空,采空區(qū)直徑約10m,其上部巖體塌陷松散,順垂直巖層的裂隙向南傾斜陷落,致河溝沖洪積物(厚5～8m)底部松散下沉,平面影響范圍30m.A2村委會橋北5～40m(653m2)深部(30m±)存在采空,范圍20m,其上部巖體塌陷松散,順垂直巖層的裂隙向南傾斜陷落,致河溝沖洪積物(厚5～8m)底部松散,平面影響范圍60m.A3橫穿村委會5～80m(11101m2)深部(50m±)存在采空,范圍20m,其上部巖體塌陷松散,致河溝沖洪積物(厚5～8m)底部松散,地面房屋裂縫多,平面影響范圍150m,多條測線均有反映,為本區(qū)最大采空區(qū).A423號院門口5～35m(194m2)深部(30m±)存在采空,范圍10m±,其上部巖體塌陷松散,致河溝沖洪積物(厚5～8m)底部松散,平面影響范圍20m.A5早市橋5～25m(800m2)深部(20m±)存在多個采空,范圍10m±,其上部巖體塌陷松散,致河溝沖洪積物(厚5～8m)底部松散,平面影響范圍60m.

續(xù)表

1.2 采空塌陷監(jiān)測

根據(jù)塌陷區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征及塌陷發(fā)育特點，共布靜力水準(zhǔn)1處、GPS監(jiān)測站7處、深部位移計1處、微震監(jiān)測儀1處，對采空塌陷區(qū)地表及深部位移進行實時監(jiān)測.具體布設(shè)見圖4.

圖4 采空分布及主要監(jiān)測設(shè)備布設(shè)圖

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)

南港村采空區(qū)較為零散，GPS監(jiān)測點分布于采空區(qū)周邊，從目前監(jiān)測數(shù)據(jù)(表2、圖5、圖6、圖7)來看：1)垂直位移最大的為GPS004，數(shù)值為29.4 mm；最小的為處于塌陷邊緣的GPS007，數(shù)值為6.4 mm.2)Y水平位移最大的為GPS001，數(shù)值為24.8 mm；最小的為GPS004，數(shù)值為1.2 mm.3)X方向位移最大為GPS006，數(shù)值為27.9 mm；最小為GPS005，數(shù)值為8 mm.總體來講，地表連續(xù) 12個月下沉不超過 30 mm，地表移動期已基本結(jié)束.

表2 GPS最大監(jiān)測值一覽表

圖5 GPS002監(jiān)測曲線圖

圖6 GPS004監(jiān)測曲線圖

圖7 GPS007監(jiān)測曲線圖

2.2 靜力水準(zhǔn)

對南港采空區(qū)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測值，按月進行統(tǒng)計分析，可知該處高程變化較小，在-10～10 mm之間波動，平均值為5 mm，且未出現(xiàn)大的突變(圖8).

圖8 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測曲線圖

2.3 深部位移

在采空塌陷區(qū)選擇典型點，打孔安裝深部測斜儀，布置傳感器3個，分別在埋深60，75，85 m位置，繪制了深部處傳感器合成位移-時間曲線(圖9).從圖上可以看出，變形曲線位移量值較小，平整平滑，波動小，該處巖體整體性好，沒有軟弱夾層或軟弱帶，穩(wěn)定性較好.

圖9 深部測斜儀監(jiān)測合成位移-時間曲線

2.4 微震監(jiān)測

門頭溝區(qū)南港村井下12 m的傳感器在10月27日 00∶05監(jiān)測到了微震事件，其圖譜如圖10所示.經(jīng)后續(xù)核查可知，該微震事件是由外部施工造成的，并非礦震.

圖10 微震事件圖譜

2.5 穩(wěn)定性分析

參考已有研究成果及GB 51044—2014《地面采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》，制定該地區(qū)地表移動變形穩(wěn)定性的判定標(biāo)準(zhǔn).具體見表3.

表3 地表穩(wěn)定性破壞判別標(biāo)準(zhǔn)

1) 沉降速率分析.在充分考慮各類監(jiān)測手段本身誤差的前提下，計算出塌陷區(qū)沉降速率遠遠小于1 mm/d，且連續(xù)6個月累計下沉<30 mm.

2)傾斜、曲率分析.根據(jù)采空塌陷區(qū)GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別繪制其最大傾斜、曲率曲線(圖11、圖12).從圖中可知：南港采空塌陷區(qū)傾斜最大值為0.16 mm/m，未超過限值3 mm/m；南港采空塌陷區(qū)曲率最大值為0.002 mm/m2，未超過限值0.2 mm/m2.

圖11 地表傾斜曲線圖

圖12 地表曲率曲線圖

3 結(jié)語

1)從不同巖性物質(zhì)的電性差異入手，選取大地電磁測深法、高密度電阻率法和探地雷達法進行采空區(qū)綜合探測，并結(jié)合鉆孔進行驗證，最終圈定出南港村采空區(qū)15個，最小采空區(qū)面積為153 m2，最大采空區(qū)面積為11 101 m2，埋深為5～65 m.

2)構(gòu)建的以地表位移、深部位移、微震為主的多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對采空塌陷區(qū)位移和動力災(zāi)害的全天候立體監(jiān)測，為采空塌陷預(yù)警提供技術(shù)支持.

3)通過門頭溝南港村開展靜力水準(zhǔn)和GPS實時監(jiān)測，獲取塌陷區(qū)地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算獲得南港采空塌陷區(qū)傾斜最大值為0.16 mm/m，未超過限值3 mm/m；曲率最大值為0.002 mm/m2，未超過限值0.2 mm/m2.由深部位移傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，深部位移近乎連續(xù)，未出現(xiàn)突變現(xiàn)象，微震監(jiān)測未發(fā)現(xiàn)強烈的動力活動.

綜上所述，停采10余年的南港區(qū)采空塌陷地表變形速率較小，地表移動期已經(jīng)結(jié)束，目前處于變形較小的殘余變形期，為較穩(wěn)定可控狀態(tài).

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