煤系地层作为电厂基础持力层的研究

张法智，王立波

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250100)

0 引言

煤系地层是一个地层学概念，是指含有煤层的一套沉积岩层，彼此间大致是连续沉积的，并在成因上有密切关系。

近些年来，随着坑口电厂的建设，尤其是一带一路沿线国家的项目推进，大型煤矿附近建设的电厂，因厂区与矿区紧密相连，在电厂的建设场地的地下常常出现煤系地层，煤系地层作为电厂基础持力层的可行性逐渐提上了日程。本文以印度尼西亚某火电厂项目遇到的煤系地层作为基础持力层问题进行了研究，解决了问题，供同行参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

神华国华印尼某发电新建工程位于印度尼西亚南苏门答腊省，本期建设2×350 MW超临界坑口燃煤机组，是神华国华集团响应国家推进“一带一路”建设，实施“走出去”战略在海外中标的煤电IPP项目“第一单”。

本项目是临界坑口燃煤机组项目，位于某煤矿的矿区东北角，该矿区为露天煤矿，目前煤层尚未开采。

1.2 工程地质条件

将场地地层按岩性结合力学性质指标进行划分，各层岩性特征简述如下：

①-1黏土：黄褐色、棕黄色、棕红色，可塑，稍湿。由于拟建厂址处于热带森林区，场地内植物种类繁多，且树木根系发达，含大量植物根系及腐殖质。层厚为1.00 m，层底埋深为1.00 m。

①黏土：棕黄色、棕红色，可塑～硬塑状态，稍湿～饱和。层厚为0.80 m～4.00 m，层底埋深为1.80 m～5.00 m。

2)第三系(N)。

②黏土岩：灰色、深灰色，全风化，未胶结，局部夹泥质粉砂岩，呈半成岩状态，岩芯呈坚硬的黏土状。层厚为0.90 m～6.00 m，层底埋深为6.00 m～13.50 m。该层标准贯入试验实测锤击数一般为20击～30击。

②-1黏土岩：灰色、深灰色，全风化，未胶结，呈半成岩状态，岩芯呈硬塑～坚硬状态的黏土状。层厚为0.50 m～6.80 m，层底埋深为4.00 m～14.00 m。该层标准贯入试验实测锤击数一般为10击～20击。

②-2煤：黑色，全风化，岩芯呈碎块状，呈层状分布于②黏土岩中。层厚为0.50 m～5.60 m，层底埋深为3.50 m～12.00 m。

③黏土岩：灰色、深灰色，强风化，未胶结，局部夹泥质粉砂岩，呈半成岩状态，岩芯呈坚硬的黏土状。本次勘测未揭穿该层，最大揭露厚度为28.50 m。该层标准贯入试验实测锤击数一般大于30击。

1.3 地基持力层的选择

本项目采用天然地基，对于主厂房、锅炉、烟囱等主要建(构)筑物，选择③层强风化黏土岩作为其天然地基持力层，若存在超挖情况时，以素混凝土或砂石换填。

对于荷载较大的一般建(构)筑物，选择②层全风化黏土岩或其以下地层作为其天然地基持力层。

目前面临的问题是：可否选用②-2煤作为荷载较大的一般建(构)筑物的地基持力层，需要做进一步研究。

2 煤系地层的形成和特点

2.1 煤系地层的形成

煤是植物遗体经过复杂的生物、地球化学、物理化学等一系列作用转变而成的。从植物死亡、堆积转变成煤需要经过一系列的演变过程，这个过程称为成煤作用。一般认为，成煤过程分为两个阶段：泥炭化阶段和煤化阶段。前者主要是生物化学过程，后者是物理化学过程。

2.2 煤系地层的特点

煤层在未风化扰动和爆破影响下，具有较高的承载力，但在原始结构被破坏以后则强度迅速降低。煤层受压破坏后试验面外缘出现挤压隆起和呈放射性裂纹，煤质将变得十分疏松。一旦丧失结构强度，煤便成为类似于土的松散体，变形区扩大发生剪切破坏。另外，煤层还具有遇水软化、自燃和瓦斯溢出等现象[1]。

本工程的煤层位于地表浅层，易与大气和水接触，经风化后因疏松潮湿，内在含水量增加，致使其物理力学性质下降。

本工程的煤系地层还具有如下特点：

1)层厚不均匀，最小厚度为0.5 m，最大厚度为5.6 m。

2)埋深变化大，最小埋深为3.5 m，最大埋深为12.0 m。

3)受地下水影响大。本项目的地下水水位和水量随季节性变化特征明显，其动态与大气降水关系极为密切，雨季水位上升，旱季水位下降。勘测期间正值雨季，地下水稳定水位埋深为0.24 m～6.40 m。

3 煤系地层作为持力层的试验研究

对②-2煤作为荷载较大的一般建(构)筑物的地基持力层的可行性，勘测期间采用标准贯入试验和浅层平板载荷试验做了进一步研究。

3.1 标准贯入试验研究

标准贯入试验严格按GB 50021—2001岩土工程勘察规范(2009年版)要求进行[2]。当钻进到预定试验深度并清孔完毕后，将贯入器放至试验位置，使用63.5 kg穿心锤，以76 cm的自由落距使其自由下落。先预打15 cm，记录其击数，然后再记录连续贯入地层30 cm中的锤击数。当锤击数已达50击，而贯入深度未达30 cm时，记录50击的实际贯入深度。统计结果列于表1。

表1 煤层标准贯入试验成果表

标准贯入试验的标准值修正击数为96.3，击数较高。

3.2 浅层平板载荷试验方案

为了模拟不利工况下的②-2煤层的承载力，试验前开挖至该层，开挖深度约3 m，并暴露30 d，然后进行载荷试验。开挖的基坑尺寸为5 m×8 m。试验加载装置采用堆载平台反力装置。

在暴露的30 d内，历经了暴雨、暴晒等多种天气，气温为25 ℃～30 ℃。暴露期间，在基坑外侧四周设置截水沟，在坑底一角设置一个集水井，井深800 mm。排水的水流至集水井，集水井内安装一台小型潜水泵，安排专人全天抽水，基坑内的煤层大部分时间没有被水浸泡。

根据GB 50021—2001岩土工程勘察规范(2009年版)以及DL/T 5024—2005电力工程地基处理技术规程，本次试验承压板采用刚性承压板，根据地层情况，采用了边长为0.5 m×0.5 m，面积为0.25 m2的方板。载荷试验加荷方式采用分级维持荷载沉降相对稳定法(常规慢速法)，加荷等级取10级，前两级合并加载，最大加载量为800 kPa。

3.3 浅层平板载荷试验成果

3.3.1 试验结果

浅层平板载荷试验每级的沉降量和荷载见表2。

表2 浅层平板载荷试验结果汇总

3.3.2 承载力特征值的确定

根据试验结果绘制p-s曲线，按以下原则确定煤层的承载力特征值：

1)当p-s曲线上有比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值。

2)当极限荷载小于对应比例界限的荷载值的2倍时，取极限荷载值的一半。

3)当不能按上述二款要求确定时，本工程压板边长为0.5 m，可取s/b=0.01所对应的荷载[3]。

试验分析结果见表3，根据试验分析结果，②-2煤层的承载力特征值可取400 kPa。

表3 浅层平板载荷试验分析表

3.3.3 变形模量的确定

根据平板载荷试验成果，按GB 50021—2001岩土工程勘察规范(2009年版)中公式10.2.5-1计算地基土的变形模量，计算结果列于表4中。

表4 煤层变形模量计算表

E0=I0(1-μ2)pd/s。

其中，I0为刚性承压板的形状系数，方形板取0.886；μ为土的泊松比，煤按碎石土考虑，取0.27；d为承压板的边长，取0.5 m；p为p-s曲线线性段的压力，kPa；s为与p对应的沉降，mm。

从表4可见，变形模量E0的最小值为45.6 MPa，最大值为94.4 MPa，极差大于30%，剔除最大值94.4 MPa并将其余二项取平均值，建议变形模量E0取值为56.5 MPa。

3.4 ②-2煤层与②黏土岩的试验指标对比

②-2煤层是②全风化黏土岩的夹层，现根据勘测成果，将二者的试验指标对比如下，见表5。从表5中可以看出，即使在暴露30 d的不利工况下，②-2煤层的各项试验指标仍全部优于②全风化黏土岩。

表5 ②-2煤层与②黏土岩试验指标对比表

4 结语

通过以上研究，我们得出以下结论：因煤层的承载力较高，变形模量较大，对于荷载较大的一般建(构)筑物，可以选择采取措施后的煤层作为建筑物的持力层。

当煤层位于基础埋深以下时，煤层按不均匀地基考虑，若在基底揭露，则需要采取措施防止其受空气、温度、水的影响而强度降低，建议立即在基坑底部铺设垫层将煤层隔绝，垫层材料可选择素混凝土、黏性土等，若不能及时封闭导致煤层强度降低，则建议将受影响的煤层挖除[4]。

本文仅为对煤层作为建筑物的持力层的初步研究，对煤系地层应采用避与治相结合的原则，原则上不宜在煤系地层厚的地方进行大开挖形成高边坡和布置电厂主厂房、锅炉、烟囱等重要建(构)筑物。当下伏岩层(夹煤层)倾角较大，则须注意发生层间滑移的可能。对于运行期间会产生振动的设备基础，应采取减震措施。如果煤层存在自燃、瓦斯溢出等现象时，须做进一步研究和论证[5]。