0 引言

常见的地质灾害类型主要有崩塌（危岩体）、滑坡、泥石流、地面沉降、地面塌陷（采空塌陷、岩溶塌陷）、地裂缝、不稳定斜坡等。采空区是指地下矿产被开采后的空洞及其围岩变形失稳而产生位移、开裂、破碎垮落、直至上覆岩土层整体弯曲、下沉所引起的地表变形和破坏的地区或范围（王金庄等， 1995；郭广礼，2001；张永波等，2006；杨德智等， 2010；钱自卫等，2011；化建新和郑建国，2018；贾超等，2021）。

采空区会直接引发建筑物开裂、地面沉降、塌陷，滑坡等地质灾害，会对既有建筑带来不同程度的安全隐患，对人民群众的生命财产安全构成了较大的威胁，严重影响区域内经济的可持续发展和社会稳定。当今，随着中国城市化建设的不断推进，越来越多的工业废弃地被开发和利用，其中采空区场地的治理和开发将是今后一段时间内，工程建设领域急需解决的工程技术难题（滕永海和张俊英， 1997；宫凤强等，2008；孙辉和王起超，2018；王志等，2020；段顺荣等，2021；李学良等，2022）。

通过对采空区场地危险性的评估，可以提前对拟建场地的适应性进行判别，能够避除不适宜建筑的场地，比选出适宜建筑场地，为整个项目规划建设节省了大量人力物力财力的投入。

1 研究区概况

1.1 场地位置

门头沟新城建设场地位于北京市门头沟区，紧邻门头沟路，距区政府约5 km，场地北依九龙山脚，东至龙门新区，南临门头沟路景观河，西靠惠泽家园东区，研究区场地规划用地见图1。

1.2 气象

规划用地所属区域属大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季晴朗清爽，冬季寒冷干燥，年平均气温 7～10℃。年内四季温度差异较大： 1 月最低，平均气温-4.3℃；7 月最高，平均气温 25.8℃，年温差 30.1℃，温度变化迅速，4 月气温激增而 10 月速减。全区的气温变化随地形抬高而递减。

区内年平均降水量为600 mm，1959—2012年间最大降水量出现在 1959年，为 959.4 mm，最小降水量出现在 1965 年，仅为 285.3 mm，前者为后者的 3.36倍。

1.3 水文

研究区位于永定河流域内。永定河主要由洋河、妫水河及桑干河等支流汇合而成，在官厅水库下游流入北京，在三家店附近流入京西平原。进入平原后，地势变缓，永定河水流减慢，泥沙沉积，河床淤高，由于河床渗透性较强，多为干河。永定河平原区的流域面积为 677 km²，年径流量为 0.468亿 m³，是北京平原区径流量最小的水系，但在洪水泛滥时，又是较危险的水系。

1.4 地质构造

门头沟新城建设场地所处地质构造位于近北北东走向的九龙山向斜南翼。九龙山向斜构造轴向50°～60°，轴面倾向南东。该向斜南翼较为平缓，南翼地层倾角一般为 10°～20°，向斜核部出露地层为中侏罗统九龙山组（J₂j）和中侏罗统龙门组（J₂l），南翼由北向南依次分布有下侏罗统窑坡组（J₁y）、下侏罗统南大岭组（J₁n）等（王文考等，2022）。

1.5 区域地层岩性

规划用地表层为人工填土层、第四纪坡洪积层 （局部基岩出露），外围山地出露侏罗纪地层，地层由新到老分述如下：

① 第四系（Q）：表层为填土，下部为坡洪积的黏性土、粉土及碎石。

②侏罗系九龙山组（J₂j）：分布在规划用地北部的九龙山上。九龙山组为一套灰紫和灰绿色陆相火山碎屑沉积岩。岩石类型包括不同粒级的砾岩、砂岩、粉砂岩及黏土岩，含大量火山碎屑物质的凝灰质砾岩、凝灰质砂岩和凝灰质粉砂岩。与下伏龙门组灰黑色复成分砾岩、岩屑砂岩为平行不整合接触，与上覆髫髻山组中性粗安质火山岩为不整合接触。

③侏罗系龙门组（J₂l）：分布在规划用地北部九龙山中部。龙门组为一套深灰色—灰黑色复成分砾岩、砂砾岩，夹有岩屑砂岩、粉砂岩和煤线。与下伏窑坡组含煤地层和上覆九龙山组灰绿色—紫红色火山碎屑沉积岩均为平行不整合接触。

④侏罗系窑坡组（J₁y），分布在规划用地下及其附近大部分地区。岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥质岩、夹含砾粗砂岩和煤层。含砾粗砂岩和粗、中粒砂岩为灰色、灰黑色，厚层状。粉砂岩为窑坡组的主要组成部分，灰黑—黑色，中厚—厚层状。泥质岩中层理发育，植物化石丰富，含 9 个可采煤层，为主要赋煤开采地层，该层又可分为上窑坡组和下窑坡组，其中 9 个可采煤层主要集中分布在下窑坡组地层，上窑坡组仅赋存局部可采煤线。

⑤侏罗系南大岭组（J₁n），分布在规划用地的南部，岩性为基性浅成岩，深绿色，岩性致密，块状，坚硬，多气孔，气孔常常被硅质物充填，呈杏仁状构造，岩石裂隙发育，其裂隙多被石英脉充填。底部夹少量紫灰色凝灰质粉砂岩和板岩。

1.6 工程地质条件

根据场地地质资料，场地表层为人工填土，其下为一般第四系坡洪积成因的黏性土、碎石土和侏罗系窑坡组砂岩及煤系地层。

1.7 水文地质条件

水文地质条件较为简单，有利于大气降水的排泄，地表水流方向自西向东流，含水层主要为基岩裂隙含水层。由于煤层的开采，该区地下水位很低，第四系松散沉积地层在该区呈疏干状态，窑坡组含煤地层受开采抽水的影响，地下水位很深，目前该区域地下水正处于缓慢回升过程中，2010年10 月末矿井水位已回升到+61.5 m。

含水地层的含水性主要受岩性和气候条件的控制和影响，地下水的补给来源主要是大气降水直接渗入或通过第四纪的松散地层孔隙补给，大气降水除部分补给地下外，另一部分作为地表水径流向东排泄。

2 煤层开采状况

2.1 国矿采空区的开采情况

（1）第 9 槽煤层开采情况：该煤层为一复煤层，含 2～3 层夹石，平均厚度为 1.1 m，属薄煤层，规划用地南部区域及以南大面积开采，采空区距地表垂距130～230 m。

（2）第 7 槽煤开采情况：该煤层为一复煤层，平均厚度为1. 0 m，属薄煤层，在东、西龙门地区第7槽煤层在规划用地下大面积开采，采空区距地表垂直距离 170～340 m。第 7 槽与第 9 槽层间距为 70～80 m。

（3）第 5 槽煤层开采情况：该煤层为一中厚煤层，平均厚度为2.1 m，简单结构，煤层赋存较稳定，东、西龙门地区内大面积开采，开采充分。第5槽与第7槽层间距为60～95 m。

（4）第 2 槽煤层开采情况：该煤层为一中厚煤层，平均厚度为1.8 m，简单结构，煤层赋存稳定，易开采，东、西龙门地区内大面积开采，第 2 槽及第 5 槽煤层间距为75～95 m。

（5）第 1 槽煤层开采情况：该煤层为复煤层，平均厚度为1.9 m，其赋存不稳定，属难采煤层，规划用地内仅局部开采，第1槽与第2槽层间距95～110 m。

2.2 小窑开采情况

为初步掌握规划用地下浅部区域的煤层分布及是否存在小窑采空情况，本次施工了 5 个探空钻孔（N1~N5），并利用2010—2012 年期间在该地块施工的17个探空钻孔（图2），钻探成果见表1。

注：其余钻孔均为见煤层和采空区。

3 场地稳定性分析

建设用地下覆主采煤层为第 2 槽、第 5 槽、第 7 槽及第 9 槽煤层，其中第 1 槽煤层仅局部开采，图3 为覆岩移动分带示意图。

根据煤层的采厚及距离地表的距离用（式1）及 （式 2）对各槽煤层的冒落带及导水裂隙带进行估算，结果见表2。

I—冒落带；II—导水裂隙带；III—弯曲下沉带

式中：H _冒－采空区冒落带高度（m）；H _裂―采空区导水裂隙带高度（m）；M―矿层法向厚度（m）。

以上计算结果表明，建设用地下开采的第1槽、第 2槽、第 5槽、第 7槽及第 9槽煤层，因各槽煤层槽间距较大，下一槽煤层的开采所形成的冒落带及导水裂隙带不足以延伸到上一槽的开采煤层中。同时由于煤层的采深较大，最上面一层煤层（第9槽煤层）开采所形成的冒落带及导水裂隙带不会延伸至地表（与地表的距离均大于80 m），因此不会引发地面塌陷（丁党鹏，2011）。

4 地表变形特征及分布规律

建设用地各开采煤层所引起的地表变形可通过式（3）~（7）进行计算：

①最大下沉量计算：

式（3）中：m—煤层开采厚度/m；α—煤层倾角/°； q—下沉系数，其取值与顶板管理及充填有关，取值范围为在 0. 02～0.80，门头沟煤矿主要采用刀柱法进行开采，下沉系数取值按0.45考虑。

②最大倾斜值/（mm/m）：

式（4）中：r—主要影响半径/m，其值为采深与主要影响角正切tgβ的比值，根据矿区的开采资料，tgβ 取值为1.6。

③最大曲率值/（mm/m）：

④最大水平移动/（mm）：

式（5）中：b—为水平移动系数，根据煤田资料， b=0.2～0.4，本文取值0.25。

⑤最大水平变形值/（mm/m）：

根据以上公式进行地表变形计算，计算结果见表3。

煤层老采空区已经塌陷冒落，呈充填—半充填状态，地表急剧变形已基本完成，估算已采煤层采空区的剩余空洞的体积约占总采空体积的 10%～20%，已采煤层采空区的剩余沉降量约占总沉降量的10%～20%，地表剩余变形值计算见表4。

本次评估对规划用地附近建筑物的变形情况进行了重点调查，发现在规划用地内的一层民房存在开裂现象（图4），而在已建的多层建筑中未发现明显裂缝。以上建筑物的调查说明，在采空区中选择相对有利的位置，在采取必要的防治措施后是可以进行工程建设的。

5 地质灾害危险性评估

本项目及北部用地总用地面积约 70 hm²，合计 24.64 hm² 进行自住型商品房开发，其中工业用地 19.75 hm²，其余为城市道路、社会停车场、公园绿地及水域用地，属“较重要建设项目”，评估区地质环境复杂程度“复杂”，拟建建设项目地质灾害危险性评估的级别属“一级”。

5.1 采空塌陷的现状评估

根据收集的区域资料及探空钻探成果，规划用地未发现小窑集中采空区，局部区域（门头沟煤矿变电站东北侧及D14孔及N4孔附近区域）可能存在小煤窑巷道或者局部小窑采空，其余大部分区域煤层埋藏较深，未见小窑采空区。规划用地存在深部煤层采空区，采空深度 130～500 m，深部煤层开采一般不会引发地面塌陷，但会引起地面变形，调查发现规划用地的少数一层建筑物存在开裂现象，建筑物经加固后可继续使用，按“评估规范”确定规划用地采空塌陷的发育程度为“中”，灾情为“轻”，按 “评估规范”确定规划用地采空塌陷地质灾害的现状“危险性小”。

5.2 采空塌陷的预测评估

要评估拟建项目诱发、加剧采空塌陷的危害性，需确定建筑物基底压力对采空区稳定性的影响。拟建建筑层数分别按3、6、12层，基础形式按筏基考虑，拟建建筑物的地基分别埋深按1 m（3、6层） 及 2.5 m（12 层）进行计算，建筑物荷载每层按 16 kPa 考虑，建筑物的长宽按 45 m、12 m 进行考虑，各土层重度均按 20 kN/m³ 进行计算，拟建建筑中心点下的附加应力σ_z按下式进行计算：

式（8）中，m=L/B；n=Z/B，其中 L 为矩形建筑物的长边的一半，B为矩形建筑物的短边的一半，Z为从基底下某点至基底的深度，p为建筑物的荷载。

根据上式计算出拟建建筑物中心点下的附加应力随深度的变化，如表5、表6及表7所示。

注：深度为自地面起算。

注：深度为自地面起算。

从以上计算可以看出，拟建建筑如为3层，其附加应力的影响深度约为10 m （一般认为附加应力小于或等于 0.1 倍的自重应力时，岩土层中的应力则以自重应力为主）；拟建建筑如为 6 层，其附加应力的影响深度约为 17 m；拟建建筑如为 12 层，其附加应力的影响深度约为23 m。拟建项目诱发、加剧及遭受采空塌陷地质灾害的“危险性中等”。

5.3 采空塌陷的综合评估

通过对拟建项目规划用地地质灾害分析得知：规划用地采空塌陷的发育程度为“中”，灾情分极为 “轻”，采空塌陷地质灾害的现状“危险性小”。拟建项目诱发、加剧的危险性“危险性中等”，规划用地遭受采空塌陷地质灾害的危险性“危险性中等”。

注：深度为自地面起算。

5.4 采空塌陷的适宜性评估

拟建工程采空塌陷可通过注浆、充填等措施来防治，根据综合评估结果，结合拟建工程地质灾害的防治难度，确定规划用地的适宜性级别为“基本适宜”。

6 防治措施及建议

拟建项目可能遭受的潜在地质灾害为采空塌陷灾害的主要防治措施为：

（1）对采空地段采用注浆、地基处理等防治措施。

（2）增加建筑物的刚度以增强建筑抵抗变形的能力（如采用筏基），采取设置变形缝等措施，使建筑物具有一定的适应变形的能力。

（3）建议避开采空防治困难地段。

7 结论

（1）门头沟新城某项目北部用地总用地面积约 70 hm²，属“较重要建设项目”，评估区地质环境复杂程度“复杂”，拟建建设项目地质灾害危险性评估的级别属“一级”。

（2）现状评估：根据收集的区域资料及探空钻探成果，规划用地未发现小窑集中采空区，局部区域（门头沟煤矿变电站东北侧及 D14 孔及 N4 孔附近区域）可能存在小煤窑巷道或者局部小窑采空，其余大部分区域煤层埋藏较深，未见小窑采空区。规划用地存在深部煤层采空区，采空深度130～500 m，深部煤层开采一般不会引发地面塌陷，但会引起地面变形，调查发现规划用地的少数一层建筑物存在开裂现象，确定规划用地采空塌陷的发育程度为 “中”，灾情分极为“轻”，采空塌陷地质灾害的现状 “危险性小”。

（3）预测性评估：拟建项目诱发、加剧及遭受采空塌陷地质灾害的“危险性中等”。

（4）经综合评估：通过对拟建项目规划用地地质灾害分析得知：规划用地采空塌陷的发育程度为 “中”，灾情分极为“轻”，采空塌陷地质灾害的现状 “危险性小”。拟建项目诱发、加剧的“危险性中等”，规划用地遭受采空塌陷地质灾害的“危险性中等”。

参考文献