采空区的勘察设计与治理技术

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1、煤炭科学研究总院西安研究院 刘天林总论采空区采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞是指地下矿产被采出后留下的空洞 区，区，按矿产被开采的时间，可分为按矿产被开采的时间，可分为老采空区、现采空区和未来采空区老采空区、现采空区和未来采空区。矿体被采出后，自顶板岩层向上形成三带矿体被采出后，自顶板岩层向上形成三带” ” 垮落带、导水裂隙带和弯曲带。地表沉陷，产垮落带、导水裂隙带和弯曲带。地表沉陷，产 生连续或非连续变形，由此带来一系列环境岩土生连续或非连续变形，由此带来一系列环境岩土 工程问题，如平地积水、道路裂缝、房屋倒塌、工程问题，如平地积水、道路裂缝、房屋倒塌、 耕地减少、农田减产等，给矿区工程

2、建设留下很耕地减少、农田减产等，给矿区工程建设留下很 大隐患。大隐患。煤层采空区塌陷垂直“三带”示意采空区采空程度分类及其特征根据采空程度分为A.小型采空区B.大面积采空区小型采空分类表小型采空的地表变形类型及特征地表变形类型为地表塌陷和开裂。小型采空范围狭窄 ，多呈巷道式，地表不会产生移动盆地，但由于开采 深度浅，又任其自由坍落，地面变化剧烈。地表裂缝 的分布常与开采工作面方向平行， 且随开采工作面的推进而不断向前发展。除极浅的采 空外，裂缝一般上宽下窄，无显著位移。大型采空变形和特征大型采空区的变形主要是在地表形成移动盆地。即位于采空区上方，当地下采空后，随之产生地表变形，开始形成凹地 ，

3、随着采空区不断扩大，凹地不断发展，形成凹陷盆地，此盆地称为移动盆地。根据地表变形值的大小和变形特征，自移动盆地中心 向边缘在水平上可分为三个区：1.均匀下沉区：（中间区）即移动盆地的中心平底部 分。 2.移动区：又称内边缘区或危险变形区，区内变形不 均匀，对建筑物破坏作用较大。 3.轻微变形区：外边缘区，地表变形值较小，一般对 建筑物不起损坏作用，以地表下沉值10mm 为标准，来 划分其外围边界。从垂直方向上讲，地下矿层大面积采空后，矿层上部失去支撑，平衡条 件被破坏，采空区上方岩体随之变形。采空区上方岩体的变形，总的过 程是 自下而上逐渐发展的漏斗状沉落，其变形情况可分为三个带： 冒落带（崩

4、落带），采空区顶板破碎坍落形成，其厚度一般为采矿厚 度的34 倍。 裂隙带（破裂弯曲带）处于冒落带之上，并产生较大的弯曲和变形， 其厚度一般取采矿厚度的1218 倍（从矿层顶板向上的厚度）。 弯曲带（不破裂弯曲带）裂隙带顶面至地面的厚度。上述三个分带适于水平状岩层，根据采空区大小、采矿厚度和开采深度 的不同，上述三个带不一定同时存在。一、采空区勘察及稳定性分析技术一、采空区勘察及稳定性分析技术采空区的勘察方法采空区的探测，目前，国内外主要是以采矿情况调查、工程钻探、地球物理勘探为主，辅以变形观测、水文试验等。采空区勘察技术方法选择总结以往工作经验，在多种多样的勘察技术中，工程 地质调查、采矿调

5、查是采空区勘察工作的基础，已往 的采空区勘察忽视这方面工作或对此重视不够，往往 使物探和钻探工作陷入盲目状态。 应进行详细的工程地质调查、采矿调查，大概确定采 空区部位及范围，然后根据测区地形、地质、地球物 理条件，结合高速公路勘察工作三个阶段的要求，有 目的的选用几种物探方法进行探测；再根据调查及物 探结果布设钻孔进行验证；最后综合分析地质、物探 和钻探资料，圈定采空区范围、形态，经济准确地查 清沿线的采空区分布及赋存状况。稳定性分析评价主要是通过计算地基承载力、剩余地表变形量及残留空洞的稳定性、地表破坏范围等来进行。矿山开采沉陷的预计理论及方法较多，主要有：(1)基于实测资料的经验公式法，

6、在我国广为使用的有负指数函数法、典型曲线法等。(2)在我国广泛使用的概率积分法。采空区稳定性分析评价方法采空区勘察范围及深度采空区勘察范围目前，国内采空区勘察工作中确定勘察范围主要以采空区地表移动盆地分布范围为准。采空区勘察深度一般要求至少深入采空区底板若干米，根据工 程实践，一般深入采空区底板2米以上。采空区勘察一般流程采空区采空区勘察技术勘察技术1 、搜集资料大面积采空区以资料为主。（1）搜集各种地质图及区域地质资料，借以了解地层构成，产状和构造以及水文地质条件等。（2）搜集矿床分布图，以了解矿床分布范围、层次、开采深度、厚度及埋藏特征和上覆岩层的岩性、构造等。（3）搜集巷道图、采矿图、远

7、景规划图，以了解采空区的位置、开采历史、计划、开采方法、开采边界、顶板处置管理方法、工作推进方向和速度、巷道平面展布方向、断面尺寸及相应的地表位置、顶板的稳定情况、塌落、支撑回填、积水清况、洞壁完整性和稳定程度以及远景开采规划等。（4）搜集地表变形与有关变形的观测，计算资料，包括地表最大下沉值、最大倾斜值、最小曲率半径，陷坑、台阶、裂缝的位置，形状、大小、深度、延伸方向及其与地质构造、开采边界、工作面推进方向等的关系。采空区调查表2 、调查访问利用区域地质资料分析、实地调查、访问知情人或群访为主要手段，调查内容如下：（1）矿区的分布范围，矿层的开采范围、深度、层数。（2）开采方法和顶板管理，巷

8、道宽度、高度、延伸方向，采空区的塌落情况。（3）采空区开采历史及规划发展情况。（4）采空区地下水发育情况，排水、抽水情况及对采空区稳定的影响。（5）建筑物变形情况和防治措施。（6）有条件时，可进行实地测量。3 、地质调绘（1）地层层序、岩性、地质构造、矿层的分布范围、开采深度、厚度等。（2）不良地质现象的类型，分布位置与规模。（3）地下水水位变化幅度，了解采空区附近工农业抽水和水利工程建设情况及其对采空区稳定的影响。（4）地表变形情况，塌陷、裂缝、台阶的分布位置，形状、大小，深度，延伸方向，发生时间，发展速度以及它们与采空区、岩层产状主要节理、断层、开采边界、工作面推进方向等的相互关系，移动盆

9、地的特征、边界。（5）建筑物变形情况，变形的类型（倾斜、下沉、开裂），发生的时间，发展速度，裂缝分布规律、延伸方向、形状大小，建筑物结构类型，所处位置及长轴方向与采空区地质构造、开采边界、工作面推进方向的相互关系及地基加固处理经验教训。（6）有害气体的类型，分布特征，压力及危害程度。4、 勘察与测试（1）综合物探。采用电法、地震、地质雷达，必要时进行综合测井等综合物探手段，其方法可参考下表。采空区物探测线布置应根据：线路纵、横断面方向，并结合工程性质，采空区的埋深、延伸方向进行布置，以查明采空区的范围、埋深、采空区的空间大小、上覆岩、土层厚度。采用物探方法参照表（2）触探。有条件时也可以采用，

10、如埋深较浅、覆盖 层为土层等。（3） 钻探与测试钻探。根据搜集的图纸资料、调查测绘以及物探的成果资料，综合分析，确定钻孔的数量及深度，以进一步验证物探结果，得以相互补充和验证，钻孔深度应钻至最低层洞底地层以下不少于2米。布孔应结合工程和坑洞展布情况以及物探异常点，经综合分析研究后进行布置。测试(a)对上覆不同性质的岩、土层，应分别取代表性试样进行物理力学性质试验，提供稳定性检算及工程设计所需参数。(b)分别取地表水及地下水样作水质分析。(c)对煤层或可能储气部位，必要时进行有害气体含量及压力的现场测试。5、 地表变形的观测线路通过大面积采空区，当缺乏资料且勘探难以查明采空区的基本特征时，应进行

11、定位观测，直接查明地表变化特征，变化规律和发展趋势。（1）观测线宜平行或垂直矿层走向成直线布置，其长度应超过移动盆地的预计变形范围，走向观测线（即观测线平行矿层走向），应有一条测线通过预计最大下沉值的位置；倾向观测线（即观测线垂直矿层走向）不宜少于2 条。方法是先确定矿层走向，然后根据矿区已有的地表移动资料，确定走向观测线和倾向观测线。且观测线上的观测点间距应大致相等。定位观测点间距（2）观测周期t 可根据地表变形速度和开采深度公式计算，或根据下表确定。 公式中 t观测周期（月）k系数（一般为23） n水准测量平均误差（mm）S地表变形的月下沉量（mm/月）观测周期表（3）在观测地表变形的同时

12、，应观测地表裂缝、陷坑、台阶的 发展和建筑物的变形情况。 （4）观测资料的整理： 绘制下沉曲线图，下沉等值线图，水平变形分布图。 根据有关变形值，划分地表变形区的范围。如根据建筑物对 地表变形区的容许极限值，确定移动区范围（内边缘区），根据 地表下沉10mm 的下沉值，确定轻微变形区，即移动盆地的范围 。 计算盆地内有关地点的地表下沉值、倾斜值、曲率、水平移 动值和水平变形值。 对正在开采和将来开采的采空区，应预算其最大变形，（最 大下沉值、最大倾斜值、最大曲率、最大水平移动值和最大水平 变形值）对缓倾岩层或地表变形平缓连续时，可按2.2.7 条有关 方法计算最大变形值。 原始测量记录。6、地

13、表移动和变形的预测地表变形分为： 两种移动和三种变形。两种移动为垂直移动（下沉）和水平移动。三种变形为倾斜变形，弯曲（曲率）和水平变形（伸 张或压缩）。国内通用的预测计算方法为概率积分法。（1）地表最大下沉值 首次采动时，充分采动情况下的最大下沉值计算： Wmax=.mCos 其中： Wmax最大下沉值(mm) m矿层的真厚度(m) 矿层倾角() 下沉系数(mm/m) (见下表)下沉系数参数值表（2）地表最大倾斜、最大曲率、最大水平移动和变形 的预测地表最大下沉速度按公式计算采空区稳定性分区划分原则 根据采空区地表变形的评价标准，综合考虑以下因素 的影响： （1）采空区自身顶板、煤柱及底板的稳

14、定性； （2）采矿地质条件等； （3）特殊构筑物的要求，如桥梁等； （4）地表变形计算分析成果。按采空区残余沉降量大小将采空区划分为三个区：（1）稳定区（2）基本稳定区（3）不稳定区根据工程性质的不同，分区参数亦不同，取值时应按具体工程性质的要求而定。稳定性评价（以铁路工程为例） （1）.下列地段不宜做为建筑场地 在开采过程中可能出现非连续变形地段（地表产生台阶、裂缝 、塌陷坑等）。 H /m2530 （H /m为采深采厚比，以下同）或H /m2530 ，但地表覆盖层很薄且采用高落式等非正规开采方法或上覆岩层 受地质构造破坏时，地表将出现大的裂缝或塌陷坑，易出现非连 续的地表移动和变形。 处于

15、地表移动活跃地段。 特厚矿层和倾角大于55的厚矿层露头地段（易造成矿层抽冒 ）。 由于地表移动和变形，可能引起边坡失稳和山崖崩塌的地段。 地下水位深度小于建筑物可能下沉量与基础埋深之和的地段。 地表倾斜大于10mm/m、地表水平变形大于6mm/m，或地表曲 率大于0.6mm/m2 的地段。（2）下列地段作为建筑场地时，其适应性应专门研究。采空区采深采厚比H/m30 的地段。采深小（H 小于50m 地段），上覆岩层极坚硬，并采用非正规开采方法的采空地段。地表倾斜为310mm/m，地表曲率为0.20.6mm/m2 或地表水平变形为26mm 的地段。老采空区可能活化或有较大残余影响的地段（3）下列地

16、段为相对稳定区，可以做为建筑场地已达充分采动，无重复开采可能的地表移动盆地的中间区。预计的地表变形值小于下列数值的地段：地表倾斜3mm/m地表曲率0.2mm/m2地表水平变形2mm/m采空区勘察剩余空洞体积计算采空区的塌陷变形对工程的影响范围的确定采空区对工程横向的影响宽度，是以工程两侧为起点，向两侧第四系松散沉积层按移动角考虑，基岩走向方向移动角按考虑。采空区影响工程的长度，是以采空区范围和煤层上山、下山方向上影响范围为界。图中，为第四系松散层移动角，为基岩上山方向移动角，为基岩下山方向移动角。采空区横向影响宽度计算示意图（以公路工程为例）采空区公路轴向影响长度计算示意图（以公路工程为例）剩余空洞体积计算煤层被采后形成的采空区经过冒落后，其剩余空洞体积估算方法为：截止目前剩余采空区的体积（V）：V=VaV式中：Va为采空区总体积，其值为：Va=SMK式中：S为采空塌陷区面积，M为煤层厚度，K为煤层采取率