摘要：针对老采空区不良地质基础导致的建筑下沉问题, 旨在勘查前期能够对采空区的范围进行准确的探测和划定, 以及为地基处理措施的选择提供依据。探讨了采用物探勘测, 钻探验证的方法对目标区域采空区进行综合地质勘探与研究, 并提出了相应地基处理措施。
关键词：采空区; 综合勘探; 地基处理; 稳定性;
0 引言
在过去的几十年中, 由于煤炭资源的开采, 在中西部地区的一些老能源基地造成了大规模、大范围的采空塌陷区, 导致上覆岩体冒落、断裂和弯曲, 使岩体力学强度降低, 造成老采空区上方建筑地基的承载能力下降。随着西部大开发战略和基础建设的加速实施, 随着小城镇建设的不断发展, 由于可供建筑的地面严重不足, 一些地区工业厂房和住宅楼不得不建在老采空区上方。在建筑物荷载作用下, 有可能使原本处于相对平衡状态的冒裂带岩体重新活化, 使冒裂带岩体再压密。地下残留空洞再冒落, 导致地表产生附加移动和变形, 进而使新建建筑物沉降, 局部开裂、倾斜、直至倒塌。因此, 开展对老采空区建筑地基稳定性评价及其变形破坏规律的研究工作, 对老采空区建筑地基的处理, 采空区建筑物的布置及其抗变形结构设计等都具有极其重要的理论和实际运用价值。
目前, 采空区建筑地基的处理一般采用灌浆技术, 针对该项技术的研究和工程实践已有十多年的时间, 取得了一定的成效, 但是, 由于对老采空区建筑物移动变形规律研究不够, 一方面在采空区建筑地基处理设计中忽视了采空区的影响, 留下了安全隐患;另一方面, 使得采空区建筑地基处理设计的安全性偏高, 增大了建设费用。
根据大量资料表明, 矿区停止开采以后, 采动破碎岩体会进行长期的蠕动, 地表会继续进行缓慢的移动变形[1]。并且开采沉陷使采空区形成由残留空洞和破裂岩体构成的不良地质条件。考虑采空区上方建筑荷载有可能使得原本处于相对平衡状态的上覆岩层重新发生“活化”, 从而威胁到建筑物的安全和稳定[2]。因此, 前期勘察中对采空区采深、采厚以及采空范围的划定就显得无比重要。在实际工程勘察中, 由于建筑场地范围大、地质异常区不清楚、钻探成本高等原因, 导致直接采用钻探对建筑场地进行勘测经济成本高而结果不理想[3,4], 文中主要探讨采用物探与钻探相结合的综合勘察方法, 先划定物探异常区再进行钻探验证, 旨在结合工程实例说明其可行性以及实际效果。
1 老采空区现场勘测技术与方法
建筑场地工程地质采矿条件的调查, 主要是收集包括地形地貌、地质构造、水文气象条件、采空情况等详细资料, 并对矿区分布图、地貌图、地质柱状图等资料进行分析, 采空区初步勘探工作步骤如图1所示。
图1 采空区初步勘探工作步骤
2 采空区综合物探与钻探验证
2.1 瞬变电磁法勘探技术
瞬变电磁法属于主动性勘测方法, 适合目标埋深50～600 m, 适合于复杂地形, 具有自动化数据采集、施工难度小等特点, 但容易被常见的导电体等因素干扰。老采空区中遭到破坏的上覆岩层的电阻率、密度、弹性等物理特征相对于完整覆岩发生的巨大改变, 为使用物探勘测采空区提供了物理前提。
瞬变电磁的工作原理:瞬变电磁法 (TEM) , 是一种时间域电磁法。其探测原理是在发送回线上加载电流脉冲击波, 产生一个向地下传播的一次磁场, 在受到地下不均匀介质的影响后将产生涡流, 俗称“烟圈”。由于一次场的频率域较高, 屈服深度小, 衰减快, 因此可以探测浅部地层。该“烟圈”在衰减过程中会产生二次场向地表传播, 该二次场屈服深度大, 能够反映深部地质的电性分布。由于实际地下介质电性不同, 在视电阻率图上会产生异常现象, 推断矿体、地下水、残留空洞等的位置。图2为瞬变电磁法在矿区的视电阻率剖面等值线图, 可以清楚地反映地下采空区的空间位置特征。
图2 瞬变电磁法在矿区的视电阻率剖面等值线图
采空区的地质及其地球物理特征:根据矿区生产地质报告及其他相关资料, 矿区内不同深度覆岩岩性电性特征见表1。
表1 测区地层电性特征
一般情况下, 岩石的电阻率除了跟其物质组成有关以外, 还跟其岩石的含水率有着密切的关系, 即岩石的含水率越高, 则其电阻率越低, 反之亦然。在采空区上覆岩层发生破坏以后, 其整体的电阻率会高于完整岩体的电阻率, 而在边缘区域, 电阻率相差不大, 且呈现层状延伸状态。如果含有充水裂隙的岩层其整体区域电阻率降低, 会在视电阻率图上显示为低阻异常。由于空气的电阻率较高, 空气附近区域的电阻率会明显高于周围未采空区的电阻率。由于煤层的开采, 采空区上覆岩层破坏后形成“三带”, 该三带内岩性裂隙发育, 此区域岩性的电阻率会高于正常覆岩。
2.2 高密度电阻率法
高密度电阻率方法一般在地面布置很多电极, 电极的位置在不断的改变, 同时把电极先相关的位置测出来, 从而达到对不同的深度探测的目的, 如图3所示。
图3 高密度电阻率法勘探原理图
矿井高密度电阻率法是一种新型的直流电法技术, 是集测深和剖面于一体的一种多装置, 多极距的组合方法, 具有一次布极即可进行多点, 多极距和多参数的数据采集的优点;并通过数据处理求取比值参数, 可突出异常信息, 减少多解性与其它方法比较, 此法具有高效率、信息丰富、解释方便、勘探能力显著。可减少井下通讯不便可能造成的跑极错误和保证电极接地条件稳定的特点, 是用于解决开采地质条件和水文地质等问题的理想矿井物探方法, 非常适合井下施工。
2.3 工程钻探验证
钻探是以“点”的方式直接获取采动岩体破坏情况, 探明地下覆岩结构特征的最直接和最有效的方法。从钻探过程中获取的资料不仅可以用来查明垮落带、裂隙发育以及覆岩情况详细的资料, 而且可以对物探成果进行对比修正, 从而获取老采空区综合地质资料, 为以后的建筑物地基和建筑物设计提供有效帮助。
钻探应查明下列内容: (1) 采空区覆岩 (土) 性状、结构特征以及验证采空区的分布范围、空间和顶底板高程; (2) 采空区垮落带、断裂带和弯曲带的分布、埋深、密实程度和变形破坏状况; (3) 采空区中瓦斯等有害气体赋存状况; (4) 采空区地下水赋存条件, 包括地下水的水力联系、地下水位及类型。
3 老采空区地基处理措施及监测方法
3.1 采空区处理措施
大量实例证明, 建筑物地基进行抗变形设计能够有效提高抵抗采空区地基的不均匀沉降。下面简要介绍国内大型工业建筑物常见的几种抗变形基础型式。
柱下独立基础:此基础的刚度小, 抵抗地表不均匀沉降的能力不足, 适合在采空区中部区域构筑, 一般会在基础之间加设地梁以增加建筑物基础的整体性。
柱下条形基础:此基础整体性好, 还能承受较大的上部荷载, 但是一般会改造成柱下十字交叉条形基础底, 以应对地表不均匀沉降较大的区域。
筏板基础:筏板基础常见于采空区浅部破碎地基上的基础样式。相对于条形基础, 其附加应力较小从而提高使用地基移动变形的能力。
3.2 老采空区建筑物变形监测
对于新建建筑物, 尤其是高层建筑物以及大型工业厂房, 不仅需要进行抗变形措施, 而且还要对上方的建筑物进行定期沉降观测。通过监测采空区上方建筑物地基和基础的残余变形, 不仅可以确保建筑物安全和正常的运行, 同为采空区进一步建设大型建筑物的地基和房屋设计提供实测数据。老采空区建筑物的沉降监测主要包括建筑物控制网和建筑物场地监测网的布设, 观测点的重复观测和数据的整理分析。
建筑物场地控制点的布设应布设在建筑物的周边区域, 工作基点也有可能在变形区域内, 并产生一定的变形。建筑物观测点的布设应能够反映建筑物特征变化的区域, 并且观测点能够长期保存, 根据工程实践, 观测点应该布设下述位置: (1) 框架建筑物应该在每个立柱上布设一点;箱型建筑物布设在拐角处; (2) 不同建筑基础相邻处的两侧; (3) 按照对称轴线布设; (4) 建筑物观测点应该和建筑物地表监测点组成闭合环。
4 结语
对地下老采空区进行地质勘察以查清老采空区空洞分布、地基裂隙发育特征和覆岩破坏程度, 对进一步进行建筑设计和施工提供基本依据是非常重要和必需的。文中详细介绍了采空区初步勘察阶段的任务和技术方法。结合本采空区的特点, 提出了以物探先行钻探验证的方法, 从而准确提供采空区的地质资料。以矿区剖面瞬变电磁视电阻率等值线图为例, 说明了瞬变电磁法在老采空区的地质勘察能够起到重要的作用。最后介绍废弃采空区建筑物地基的处理措施和建筑物抗变形设计原则, 阐述了采空区新建建筑物监测网布设技术要求。
参考文献
[1] 滕永海, 张俊英.老采空区地基稳定性评价[J].煤炭学报, 1997, 22 (5) :58-62.
[2] 彭红卫.瞬变电磁勘探法在煤矿采空区的应用[J].山东煤炭科技, 2009, 37 (1) :67-68.
[3] 刘黎东, 李志华, 郝明.高精度重磁技术在铁矿采空区勘察中的应用研究[J].铁道工程学报, 2010, 27 (10) :8-10.
[4] 张俊英.采空区地表建筑地基稳定性模糊综合评价方法[J].北京科技大学学报, 2009, 31 (11) :1368-1372.