1、總論,采空區(qū)是指地下礦產被采出后留下的空洞區(qū)， 按礦產被開采的時間，可分為 老采空區(qū)、現采空區(qū)和未來采空區(qū)。 礦體被采出后，自頂板巖層向上形成三帶”垮落帶、導水裂隙帶和彎曲帶。地表沉陷，產生連續(xù)或非連續(xù)變形，由此帶來一系列環(huán)境巖土工程問題，如平地積水、道路裂縫、房屋倒塌、耕地減少、農田減產等，給礦區(qū)工程建設留下很大隱患。,煤層采空區(qū)塌陷垂直“三帶”示意,采空區(qū)采空程度分類及其特征,根據采空程度分為 小型采空區(qū) 大面積采空區(qū),小型采空分類表,小型采空的地表變形類型及特征,地表變形類型為地表塌陷和開裂。小型采空范圍狹窄，多呈巷道式，地表不會產生移動盆地，但由于開采深度淺，又任其自由坍落，地面變化劇

2、烈。地表裂縫的分布常與開采工作面方向平行， 且隨開采工作面的推進而不斷向前發(fā)展。除極淺的采空外，裂縫一般上寬下窄，無顯著位移。,大型采空變形和特征,大型采空區(qū)的變形主要是在地表形成移動盆地。即位于采空區(qū)上方，當地下采空后，隨之產生地表變形，開始形成凹地 ，隨著采空區(qū)不斷擴大，凹地不斷發(fā)展，形成凹陷盆地，此盆地稱為移動盆地。,根據地表變形值的大小和變形特征，自移動盆地中心向邊緣在水平上可分為三個區(qū)： 均勻下沉區(qū)：（中間區(qū)）即移動盆地的中心平底部分。 移動區(qū)：又稱內邊緣區(qū)或危險變形區(qū)，區(qū)內變形不均勻，對建筑物破壞作用較大。 輕微變形區(qū)：外邊緣區(qū)，地表變形值較小，一般對建筑物不起損壞作用，以地表下沉

3、值10mm 為標準，來劃分其外圍邊界。,從垂直方向上講，地下礦層大面積采空后，礦層上部失去支撐，平衡條件被破壞，采空區(qū)上方巖體隨之變形。采空區(qū)上方巖體的變形，總的過程是 自下而上逐漸發(fā)展的漏斗狀沉落，其變形情況可分為三個帶： 冒落帶（崩落帶），采空區(qū)頂板破碎坍落形成，其厚度一般為采礦厚度的34 倍。 裂隙帶（破裂彎曲帶）處于冒落帶之上，并產生較大的彎曲和變形，其厚度一般取采礦厚度的1218 倍（從礦層頂板向上的厚度）。 彎曲帶（不破裂彎曲帶）裂隙帶頂面至地面的厚度。 上述三個分帶適于水平狀巖層，根據采空區(qū)大小、采礦厚度和開采深度的不同，上述三個帶不一定同時存在。,一、采空區(qū)勘察及穩(wěn)定性分析技術

4、,采空區(qū)的勘察方法,采空區(qū)的探測，目前，國內外主要是以采礦情況調查、工程鉆探、地球物理勘探為主，輔以變形觀測、水文試驗等。,采空區(qū)勘察技術方法選擇,總結以往工作經驗，在多種多樣的勘察技術中，工程地質調查、采礦調查是采空區(qū)勘察工作的基礎，已往的采空區(qū)勘察忽視這方面工作或對此重視不夠，往往使物探和鉆探工作陷入盲目狀態(tài)。 應進行詳細的工程地質調查、采礦調查，大概確定采空區(qū)部位及范圍，然后根據測區(qū)地形、地質、地球物理條件，結合高速公路勘察工作三個階段的要求，有目的的選用幾種物探方法進行探測；再根據調查及物探結果布設鉆孔進行驗證；最后綜合分析地質、物探和鉆探資料，圈定采空區(qū)范圍、形態(tài)，經濟準確地查清沿線

5、的采空區(qū)分布及賦存狀況。,穩(wěn)定性分析評價主要是通過計算地基承載力、剩余地表變形量及殘留空洞的穩(wěn)定性、地表破壞范圍等來進行。 礦山開采沉陷的預計理論及方法較多，主要有： 基于實測資料的經驗公式法，在我國廣為使用的有負指數函數法、典型曲線法等。 在我國廣泛使用的概率積分法。,采空區(qū)穩(wěn)定性分析評價方法,采空區(qū)勘察范圍及深度,采空區(qū)勘察范圍 目前，國內采空區(qū)勘察工作中確定勘察范圍主要以采空區(qū)地表移動盆地分布范圍為準。 采空區(qū)勘察深度一般要求至少深入采空區(qū)底板若干米，根據工程實踐，一般深入采空區(qū)底板2米以上。,采空區(qū)勘察一般流程,采空區(qū)勘察技術,1 、搜集資料 大面積采空區(qū)以資料為主。 （1）搜集各種地

6、質圖及區(qū)域地質資料，借以了解地層構成，產狀和構造以及水文地質條件等。 （2）搜集礦床分布圖，以了解礦床分布范圍、層次、開采深度、厚度及埋藏特征和上覆巖層的巖性、構造等。,（3）搜集巷道圖、采礦圖、遠景規(guī)劃圖，以了解采空區(qū)的位置、開采歷史、計劃、開采方法、開采邊界、頂板處置管理方法、工作推進方向和速度、巷道平面展布方向、斷面尺寸及相應的地表位置、頂板的穩(wěn)定情況、塌落、支撐回填、積水清況、洞壁完整性和穩(wěn)定程度以及遠景開采規(guī)劃等。 （4）搜集地表變形與有關變形的觀測，計算資料，包括地表最大下沉值、最大傾斜值、最小曲率半徑，陷坑、臺階、裂縫的位置，形狀、大小、深度、延伸方向及其與地質構造、開采邊界、工

7、作面推進方向等的關系。,采空區(qū)調查表,2 、調查訪問 利用區(qū)域地質資料分析、實地調查、訪問知情人或群訪為主要手段，調查內容如下： （1）礦區(qū)的分布范圍，礦層的開采范圍、深度、層數。 （2）開采方法和頂板管理，巷道寬度、高度、延伸方向，采空區(qū)的塌落情況。,（3）采空區(qū)開采歷史及規(guī)劃發(fā)展情況。 （4）采空區(qū)地下水發(fā)育情況，排水、抽水情況及對采空區(qū)穩(wěn)定的影響。 （5）建筑物變形情況和防治措施。 （6）有條件時，可進行實地測量。,3 、地質調繪 （1）地層層序、巖性、地質構造、礦層的分布范圍、開采深度、厚度等。 （2）不良地質現象的類型，分布位置與規(guī)模。 （3）地下水水位變化幅度，了解采空區(qū)附近工農業(yè)

8、抽水和水利工程建設情況及其對采空區(qū)穩(wěn)定的影響。,（4）地表變形情況，塌陷、裂縫、臺階的分布位置，形狀、大小，深度，延伸方向，發(fā)生時間，發(fā)展速度以及它們與采空區(qū)、巖層產狀主要節(jié)理、斷層、開采邊界、工作面推進方向等的相互關系，移動盆地的特征、邊界。 （5）建筑物變形情況，變形的類型（傾斜、下沉、開裂），發(fā)生的時間，發(fā)展速度，裂縫分布規(guī)律、延伸方向、形狀大小，建筑物結構類型，所處位置及長軸方向與采空區(qū)地質構造、開采邊界、工作面推進方向的相互關系及地基加固處理經驗教訓。 （6）有害氣體的類型，分布特征，壓力及危害程度。,4、 勘察與測試 （1）綜合物探。 采用電法、地震、地質雷達，必要時進行綜合測井等

9、綜合物探手段，其方法可參考下表。 采空區(qū)物探測線布置應根據：線路縱、橫斷面方向，并結合工程性質，采空區(qū)的埋深、延伸方向進行布置，以查明采空區(qū)的范圍、埋深、采空區(qū)的空間大小、上覆巖、土層厚度。,采用物探方法參照表,（2）觸探。有條件時也可以采用，如埋深較淺、覆蓋層為土層等。,（3） 鉆探與測試 鉆探。 根據搜集的圖紙資料、調查測繪以及物探的成果資料，綜合分析，確定鉆孔的數量及深度，以進一步驗證物探結果，得以相互補充和驗證，鉆孔深度應鉆至最低層洞底地層以下不少于2米。布孔應結合工程和坑洞展布情況以及物探異常點，經綜合分析研究后進行布置。,測試 (a)對上覆不同性質的巖、土層，應分別取代表性試樣進行

10、物理力學性質試驗，提供穩(wěn)定性檢算及工程設計所需參數。 (b)分別取地表水及地下水樣作水質分析。 (c)對煤層或可能儲氣部位，必要時進行有害氣體含量及壓力的現場測試。,5、 地表變形的觀測 線路通過大面積采空區(qū)，當缺乏資料且勘探難以查明采空區(qū)的基本特征時，應進行定位觀測，直接查明地表變化特征，變化規(guī)律和發(fā)展趨勢。,（1）觀測線宜平行或垂直礦層走向成直線布置，其長度應超過移動盆地的預計變形范圍，走向觀測線（即觀測線平行礦層走向），應有一條測線通過預計最大下沉值的位置；傾向觀測線（即觀測線垂直礦層走向）不宜少于2 條。 方法是先確定礦層走向，然后根據礦區(qū)已有的地表移動資料，確定走向觀測線和傾向觀測線

11、。且觀測線上的觀測點間距應大致相等。,定位觀測點間距,（2）觀測周期t 可根據地表變形速度和開采深度公式 計算，或根據下表確定。 公式中 t觀測周期（月） k系數（一般為23） n水準測量平均誤差（mm） S地表變形的月下沉量（mm/月）,觀測周期表,（3）在觀測地表變形的同時，應觀測地表裂縫、陷坑、臺階的 發(fā)展和建筑物的變形情況。 （4）觀測資料的整理： 繪制下沉曲線圖，下沉等值線圖，水平變形分布圖。 根據有關變形值，劃分地表變形區(qū)的范圍。如根據建筑物對 地表變形區(qū)的容許極限值，確定移動區(qū)范圍（內邊緣區(qū)），根據地表下沉10mm 的下沉值，確定輕微變形區(qū)，即移動盆地的范圍。 計算盆地內有關地點

12、的地表下沉值、傾斜值、曲率、水平移 動值和水平變形值。 對正在開采和將來開采的采空區(qū)，應預算其最大變形，（最 大下沉值、最大傾斜值、最大曲率、最大水平移動值和最大水平變形值）對緩傾巖層或地表變形平緩連續(xù)時，可按2.2.7 條有關方法計算最大變形值。 原始測量記錄。,6、地表移動和變形的預測 地表變形分為： 兩種移動和三種變形。 兩種移動為垂直移動（下沉）和水平移動。 三種變形為傾斜變形，彎曲（曲率）和水平變形（伸張或壓縮）。 國內通用的預測計算方法為概率積分法。,（1）地表最大下沉值 首次采動時，充分采動情況下的最大下沉值計算： Wmax=.mCos 其中： Wmax最大下沉值(mm) m礦層

13、的真厚度(m) 礦層傾角() 下沉系數(mm/m) (見下表),下沉系數參數值表,（2）地表最大傾斜、最大曲率、最大水平移動和變形的預測,地表最大下沉速度按公式計算,采空區(qū)穩(wěn)定性分區(qū),劃分原則 根據采空區(qū)地表變形的評價標準，綜合考慮以下因素的影響： （1）采空區(qū)自身頂板、煤柱及底板的穩(wěn)定性； （2）采礦地質條件等； （3）特殊構筑物的要求，如橋梁等； （4）地表變形計算分析成果。,按采空區(qū)殘余沉降量大小將采空區(qū)劃分為三個區(qū)： （1）穩(wěn)定區(qū) （2）基本穩(wěn)定區(qū) （3）不穩(wěn)定區(qū) 根據工程性質的不同，分區(qū)參數亦不同，取值時應按具體工程性質的要求而定。,穩(wěn)定性評價（以鐵路工程為例） （1）.下列地段不宜

14、做為建筑場地 在開采過程中可能出現非連續(xù)變形地段（地表產生臺階、裂縫、塌陷坑等）。 H /m2530 （H /m為采深采厚比，以下同）或H /m2530，但地表覆蓋層很薄且采用高落式等非正規(guī)開采方法或上覆巖層受地質構造破壞時，地表將出現大的裂縫或塌陷坑，易出現非連續(xù)的地表移動和變形。 處于地表移動活躍地段。 特厚礦層和傾角大于55的厚礦層露頭地段（易造成礦層抽冒）。 由于地表移動和變形，可能引起邊坡失穩(wěn)和山崖崩塌的地段。 地下水位深度小于建筑物可能下沉量與基礎埋深之和的地段。 地表傾斜大于10mm/m、地表水平變形大于6mm/m，或地表曲率大于0.6mm/m2 的地段。,（2）下列地段作為建筑

15、場地時，其適應性應專門研究。 采空區(qū)采深采厚比H/m30 的地段。 采深?。℉ 小于50m 地段），上覆巖層極堅硬，并采用非正規(guī)開采方法的采空地段。 地表傾斜為310mm/m，地表曲率為0.20.6mm/m2 或地表水平變形為26mm 的地段。 老采空區(qū)可能活化或有較大殘余影響的地段,（3）下列地段為相對穩(wěn)定區(qū)，可以做為建筑場地 已達充分采動，無重復開采可能的地表移動盆地的中間區(qū)。 預計的地表變形值小于下列數值的地段： 地表傾斜3mm/m 地表曲率0.2mm/m2 地表水平變形2mm/m,采空區(qū)勘察剩余空洞體積計算,采空區(qū)的塌陷變形對工程的影響范圍的確定 采空區(qū)對工程橫向的影響寬度，是以工程兩

16、側為起點，向兩側第四系松散沉積層按移動角考慮，基巖走向方向移動角按考慮。 采空區(qū)影響工程的長度，是以采空區(qū)范圍和煤層上山、下山方向上影響范圍為界。圖中，為第四系松散層移動角，為基巖上山方向移動角，為基巖下山方向移動角。,采空區(qū)橫向影響寬度計算示意圖（以公路工程為例）,采空區(qū)公路軸向影響長度計算示意圖（以公路工程為例）,剩余空洞體積計算,煤層被采后形成的采空區(qū)經過冒落后，其剩余空洞體積估算方法為： 截止目前剩余采空區(qū)的體積（V）： V=VaV 式中：Va為采空區(qū)總體積，其值為：Va=SMK 式中：S為采空塌陷區(qū)面積，M為煤層厚度，K為煤層采取率。V為截止目前已經沉降變形的冒落巖石碎脹所充填體積。,（1）建筑選址時，以盡量避開采空區(qū)為宜，尤其是礦層急傾斜的礦區(qū)更應如此。,采空區(qū)處理一般工程措施建議,（2）在已有建筑物的地下開采，或建筑物要通過正開采的礦區(qū)時，常采取以下保護措施，防止地表和建筑物變形。 留設保護礦柱 改變開采工藝，減小地表下沉量。如： （a）采取充填法處理頂板，及時全部充填或兩次充填，以減少地表下沉量。 （b）減少開采厚度或采用條帶法（房柱式）開采，使地表變形值不超過建筑物的容許極限值。 （c）增大采空區(qū)寬度，使地表移動充分和建筑物很快處于盆地中部的均勻下沉區(qū)。 （d）控制開采的推進速度均