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1、采空区的勘察设计 与治理技术,中煤科工集团西安研究院 刘 天 林 呼和浩特2012年7月,采空区公路设计与施工技术细则（JTG/T D 31-03-2011）,目录,1、总论 2、采空区勘察 3、采空区稳定性分析与评价 4、采空区治理设计 5、注浆法施工 6、采空区处治监测与检测,一、总论,概念,采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区， 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。 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、耕地减少、农田减产等，给矿区工程建设
2、留下很大隐患。,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 小型采空区 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 ，随着采空区不断扩大，凹地不断发展，形成凹陷盆地，此盆
3、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： 均匀下沉区：（中间区）即移动盆地的中心平底部分。 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。 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
4、（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。,二、采空区勘察,采空区的勘察方法,采空区的探测，目前，国内外主要是以资料收集、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，采矿资料的收集、工程地质调查、采矿调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
5、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。,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,1 、搜集资料 大面积采空区以资料为主。 （
6、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。,采空区勘察技术,（3）搜集采掘工程平面图、井上下对照图、采区平面布置图、开采规划图，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
7、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。,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。,采空区调查表,3 、地质调绘 （1）地形地貌，地质构造，地层时代、成因、岩性、产状，矿层的分布范围、开采深度、厚度等。 （2）不
8、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及地表水、地下水水质及其腐蚀性。,（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
9、，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。,常用物探方法,常用物探方法,采用物探组合方法,（2）触探。有条件时也可以采用，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
10、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
11、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，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
12、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
13、。,（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,采空区处理一般工程措施建议,（1）建筑选址时，以尽量避开采空区为宜，尤其是矿层急倾斜的矿区更应如此。,（2）在已有建筑物的地下开采，或建筑物要通过正开采的矿区时，常采取以下保护措施，防止地表和建筑物变形。 留设保护矿柱 改变开采工艺，减小地表下沉量。如： （a）采取充填法处理顶板，及时全部充填或两
14、次充填，以减少地表下沉量。 （b）减少开采厚度或采用条带法（房柱式）开采，使地表变形值不超过建筑物的容许极限值。 （c）增大采空区宽度，使地表移动充分和建筑物很快处于盆地中部的均匀下沉区。 （d）控制开采的推进速度均匀，合理进行协调开采。,（3）加强建筑物基础刚度和上部结构强度。 （4）加强维修养护，在地表变形期，特别是变形活跃期，应加强巡道，对建筑物加强观测，发现变形及时维修。 （5） 松土坑洞已坍塌成陷坑，空洞小时，仅做地表夯实，可不做其它处理。 （6.）坑洞埋深较深，可用试坑和分段拉槽的方法，用普通土或卵石土灌注回填夯实。 （7）对建筑有影响且埋深较浅的采空，可用开挖回填方法处理。 （8
15、）埋深较深,面积较大的采空区可用钻孔压力注浆处理。 （9）根据洞穴变形的预测值，选择相应的和允许变形的建筑结构形式。,采空区两阶段勘察成果报告编制,三、采空区稳定性分析与评价,采空区稳定性评价方法,公路采空区场地稳定性评价方法： 1）开采条件判别法 2）地表移动变形预计法（概率积分法） 3）地表移动变形观测法 4）极限平衡分析法 5）数值模拟法,采空区稳定性评价方法,1）开采条件判别法 该方法通过资料收集、采空区专项调查、参照地区经验，掌握影响采空区稳定性的相关资料，综合考虑采深采厚比、回采率、停采时间、开采方式及上覆岩层性质等因素进行评价。,采空区稳定性评价方法,2）地表移动变形预计法（概率
16、积分法） 地表变形预计采用概率积分法，根据地质、采矿条件、合理选择计算模型和计算参数进行地表变形预计。 相关公式可参照建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程。,采空区稳定性评价方法,3）地表移动变形观测法 通过地表变形观测，对观测成果进行及时整理分析，计算各测点下沉、位移计相邻点间的倾斜、曲率值和水平变形值；绘制地表下沉、倾斜、曲率、水平变形曲线和最大沉降过程曲线；计算地表下沉速率，分析地表变形发展趋势和剩余移动变形量，以作出稳定性评价。,采空区稳定性评价方法,4）极限平衡分析法 该方法适用于开采分为较小，上覆岩层可形成冒落拱的近水平单一巷道采空区。 计算在路堤自重荷载及行车荷载作用下，维持巷道顶板稳定的临界埋藏深度Hcr，判断采空区稳定性。,采空区稳定性评价方法,5）数值模拟法 该方法适用于多层采空区，以及桥梁基础、隧道等重要工程穿越或压覆采空区等复杂工况下。 采用的方法有：有限元法、离散元法、边界元法或两种以上方法耦合使用。,采空区稳定性评价标准,公路采空区稳定性评价可分为场地稳定性评价和公路工程
