采空区的勘察设计与治理技术

采空区的勘察设计

与治理技术煤炭科学研讨总院西安研讨院刘天林总论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，自顶板岩层向上构成三带〞——垮落带、导水裂隙带和弯曲带。地表沉陷，产生延续或非延续变形，由此带来一系列环境岩土工程问题，如平地积水、道路裂痕、房屋倒塌、耕地减少、农田减产等，给矿区工程建立留下很大隐患。煤层采空区塌陷垂直“三带〞表示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，地表不会产生挪动盆地，但由于开采深度浅，又任其自在坍落，地面变化猛烈。地表裂痕的分布常与开采任务面方向平行，且随开采任务面的推进而不断向前开展。除极浅的采空外，裂痕普通上宽下窄，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构成挪动盆地。即位于采空区上方，当地下采空后，随之产生地表变形，开场构成凹地，随着采空区不断扩展，凹地不断开展，构成凹陷盆地，此盆地称为挪动盆地。根据地表变形值的大小和变形特征，自挪动盆地中心向边缘在程度上可分为三个区：均匀下沉区：〔中间区〕即挪动盆地的中心平底部分。挪动区：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。细微变形区：外边缘区，地表变形值较小，普通对建筑物不起损坏作用，以地表下沉值10mm为规范，来划分其外围边境。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开展的漏斗状沉落，其变形情况可分为三个带：①冒落带〔崩落带〕，采空区顶板破碎坍落构成，其厚度普通为采矿厚度的3～4倍。②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，其厚度普通取采矿厚度的12～18倍〔从矿层顶板向上的厚度〕。③弯曲带〔不破裂弯曲带〕裂隙带顶面至地面的厚度。上述三个分带适于程度状岩层，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、水文实验等。采空区勘察技术方法选择总结以往任务阅历，在多种多样的勘察技术中，工程地质调查、采矿调查是采空区勘察任务的根底，已往的采空区勘察忽视这方面任务或对此注重不够，往往使物探和钻探任务堕入盲目形状。应进展详细的工程地质调查、采矿调查，大约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，结合高速公路勘察任务三个阶段的要求，有目的的选用几种物探方法进展探测；再根据调查及物探结果布设钻孔进展验证；最后综合分析地质、物探和钻探资料，圈定采空区范围、形状，经济准确地查清沿线的采空区分布及赋存情况。稳定性分析评价主要是经过计算地基承载力、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展。矿山开采沉陷的估计实际及方法较多，主要有：基于实测资料的阅历公式法，在我国广为运用的有负指数函数法、典型曲线法等。在我国广泛运用的概率积分法。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，国内采空区勘察任务中确定勘察范围主要以采空区地表挪动盆地分布范围为准。采空区勘察深度普通要求至少深化采空区底板假设干米，根据工程实际，普通深化采空区底板2米以上。采空区勘察普通流程采空区勘察技术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、远景规划图，以了解采空区的位置、开采历史、方案、开采方法、开采边境、顶板处置管理方法、任务推进方向和速度、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、洞壁完好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、裂痕的位置，外形、大小、深度、延伸方向及其与地质构造、开采边境、任务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开展情况。〔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，可进展实地丈量。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〕不良地质景象的类型，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立情况及其对采空区稳定的影响。〔4〕地表变形情况，塌陷、裂痕、台阶的分布位置，外形、大小，深度，延伸方向，发生时间，开展速度以及它们与采空区、岩层产状主要节理、断层、开采边境、任务面推进方向等的相互关系，挪动盆地的特征、边境。〔5〕建筑物变形情况，变形的类型〔倾斜、下沉、开裂〕，发生的时间，开展速度，裂痕分布规律、延伸方向、外形大小，建筑物构造类型，所处位置及长轴方向与采空区地质构造、开采边境、任务面推进方向的相互关系及地基加固处置阅历教训。〔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，必要时进展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、延伸方向进展布置，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，如埋深较浅、覆盖层为土层等。〔3〕钻探与测试①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，经综合分析研讨后进展布置。②测试(a)对上覆不同性质的岩、土层，应分别取代表性试样进展物理力学性质实验，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)对煤层或能够储气部位，必要时进展有害气体含量及压力的现场测试。5、地表变形的观测线路经过大面积采空区，当缺乏资料且勘探难以查明采空区的根本特征时，应进展定位观测，直接查明地表变化特征，变化规律和开展趋势。〔1〕观测线宜平行或垂直矿层走向成直线布置，其长度应超越挪动盆地的估计变形范围，走向观测线〔即观测线平行矿层走向〕，应有一条测线经过估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挪动资料，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〔普通为2～3〕n—水准丈量平均误差〔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，应观测地表裂痕、陷坑、台阶的开展和建筑物的变形情况。〔4〕观测资料的整理：①绘制下沉曲线图，下沉等值线图，程度变形分布图。②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允许极限值，确定挪动区范围〔内边缘区〕，根据地表下沉10mm的下沉值，确定细微变形区，即挪动盆地的范围。③计算盆地内有关地点的地表下沉值、倾斜值、曲率、程度移动值和程度变形值。④对正在开采和未来开采的采空区，应预算其最大变形，〔最大下沉值、最大倾斜值、最大曲率、最大程度挪动值和最大程度变形值〕对缓倾岩层或地表变形平缓延续时，可按2.2.7条有关方法计算最大变形值。⑤原始丈量记录。6、地表挪动和变形的预测地表变形分为：两种挪动和三种变形。两种挪动为垂直挪动〔下沉〕和程度挪动。三种变形为倾斜变形，弯曲〔曲率〕和程度变形〔伸张或紧缩〕。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①初次采动时，充分采动情况下的最大下沉值计算：Wmax=η.mCosα其中：Wmax—最大下沉值(mm)m—矿层的真厚度(m)α—矿层倾角(º)η—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、最大程度挪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那么根据采空区地表变形的评价规范，综合思索以下要素的影响：〔1〕采空区本身顶板、煤柱及底板的稳定性；〔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。按采空区剩余沉降量大小将采空区划分为三个区：〔1〕稳定区〔2〕根本稳定区〔3〕不稳定区根据工程性质的不同，分区参数亦不同，取值时应按详细工程性质的要求而定。稳定性评价〔以铁路工程为例〕〔1〕.以下地段不宜做为建筑场地①在开采过程中能够出现非延续变形地段〔地表产生台阶、裂痕、塌陷坑等〕。H/m＜25～30〔H/m为采深采厚比，以下同〕或H/m＞25～30，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，地表将出现大的裂痕或塌陷坑，易出现非延续的地表挪动和变形。②处于地表挪动活泼地段。③特厚矿层和倾角大于55º的厚矿层露头地段〔易呵斥矿层抽冒〕。④由于地表挪动和变形，能够引起边坡失稳和山崖崩塌的地段。⑤地下水位深度小于建筑物能够下沉量与根底埋深之和的地段。⑥地表倾斜大于10mm/m、地表程度变形大于6mm/m，或地表曲率大于0.6mm/m2的地段。〔2〕以下地段作为建筑场地时，其顺应性应专门研讨。①采空区采深采厚比H/m<30的地段。②采深小〔H小于50m地段〕，上覆岩层极巩固，并采用非正规开采方法的采空地段。③地表倾斜为3～10mm/m，地表曲率为0.2～0.6mm/m2或地表程度变形为2～6mm的地段。④老采空区能够活化或有较大剩余影响的地段〔3〕以下地段为相对稳定区，可以做为建筑场地①已达充分采动，无反复开采能够的地表挪动盆地的中间区。②估计的地表变形值小于以下数值的地段：地表倾斜<3mm/m地表曲率<0.2mm/m2地表程度变形<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确实定采空区对工程横向的影响宽度，是以工程两侧为起点，向两侧第四系松散堆积层按挪动角θ°思索，基岩走向方向挪动角按δ°思索。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，θ为第四系松散层挪动角，β为基岩上山方向挪动角，γ为基岩下山方向挪动角。采空区横向影响宽度计算表示图〔以公路工程为例〕采空区公路轴向影响长度计算表示图〔以公路工程为例〕剩余空洞体积计算煤层被采后构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=Va－ΔV式中：Va为采空区总体积，其值为：Va=S×M×K式中：S为采空塌陷区面积，M为煤层厚度，K为煤层采取率。ΔV为截止目前曾经沉降变形的冒落岩石碎胀所充填体积。〔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。采空区处置普通工程措施建议〔2〕在已有建筑物的地下开采，或建筑物要经过正开采的矿区时，常采取以下维护措施，防止地表和建筑物变形。留设维护矿柱改动开采工艺，减小地表下沉量。如：〔a〕采取充填法处置顶板，及时全部充填或两次充填，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，使地表变形值不超越建筑物的允许极限值。〔c〕增大采空区宽度，使地表挪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，合理进展协调开采。〔3〕加强建筑物根底刚度和上部构造强度。〔4〕加强维涵养护，在地表变形期，特别是变形活泼期，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，可不做其它处置。〔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置。〔8〕埋深较深,面积较大的采空区可用钻孔压力注浆处置。〔9〕根据洞穴变形的预测值，选择相应的和允许变形的建筑构造方式。采空区两阶段勘察成果报告编制二、采空区治理工程设计技术采空区治理技术构筑物下伏采空区处治方案主要有3类：(1)地面构筑物抗变形构造设计措施，采用柔性设计原那么、刚性设计原那么或综合措施，以吸收和抵抗变形。(2)采空区地基处置措施，预防和控制地表剩余沉陷的发生。此类方法可细分为4种：①全部充填采空区支撑覆岩，以彻底消除地基沉陷隐患，采用注浆充填、水力充填和风力充填等，其中，以注浆法运用最广泛、效果最好；②部分支撑覆岩或地面构筑物，减小采空区空间跨度，防止顶板的垮落，常用的方法有注浆柱、井下砌墩柱和大直径钻孔桩柱或直接采用桩基法等；③注浆加固和强化采空区围岩构造，充填采动覆岩断裂带和弯曲带岩土体离层、裂痕，使之构成一个刚度大、整体性好的岩板构造，有效抵抗老采空区塌陷的向上开展，使地表只产生相对平衡的沉陷，以保证地表构筑物的平安；④采取措施释放老采空区的沉降潜力法，在采空区地表未利用前，采取强迫措施加速老采空区活化和覆岩沉陷过程，消除对地表平安有较大要挟的地下空洞，在沉陷根本稳定后再开发利用地表土地，常用方法有堆载预压法、高能级强夯法和水诱导沉降法等。(3)对公路，也可采取绕避方案或修筑过渡路段或营运后的维修方案。结合高速公路工程本身特点与要求，如公路工程为线性工程；路堤属于柔性根底接受路面构造；不均匀沉降量容易呵斥路基、路面构造开裂等，其下伏采空区的治理，实际上可以采取上述各种方法，但基于技术及经济缘由，某些方法运用较少或短少实验，国内目前已处置公路下伏采空区治理情况见下表国内公路下伏采空区治理情况一览表由此可见，目前国内公路下伏采空区的治理，主要以注浆全充填法为主，注浆资料以水泥粉煤灰为主，也有水泥粘土或水泥黄土浆材，因地而异。详细治理措施的选择方法1、采空区埋深较小时的处置对于埋深很小的采空区，可采用从地表开挖，不断挖至采空区，然后分层回填夯实。该方法工艺简单，操作简便，施工质量容易检查和控制。开挖后用浆切片〔或干切片〕分层砌筑、填塞，上面加盖钢筋混凝土盖板。开挖后，用碎石充填后灌注水泥砂浆。高能量强夯法处置采空区上方松散地基。当采空区埋深较浅，而上方为松散地基且厚度较大时，可采用高能量强夯处置松散破碎岩体，提高松散破碎岩体的地基承载力。2、采空区埋深较大时的处置充填注浆法。注浆技术是一项适用性强、运用广泛的工程技术。它的本质是在地面钻孔至老采空区，采用液压、气压或电化学方法，将采空区一切空洞和覆岩裂隙用由水泥、粉煤灰、砂子等混合而成的浆液全部充填和加固，使整个采空区恢复为接近原始岩体形状，彻底消除采动破碎岩体的挪动变形空间。为了防止浆液流至地基控制边境以外，需求在地基以外的控制边境处钻孔至采空区，再灌粗骨料填充，注浆固结，以封堵住采空区两端。覆岩构造加固补强法。采用注浆加固技术对上覆岩层构造进展构造补强，加强覆岩构造的长期稳定性。其详细做法是从地面打钻孔，然后压力灌浆，使浆液渗入岩层裂隙，并胶结而使破碎岩体构成一强度高、刚度大，类似于“大板构造〞的完好岩体，到达类似于跨越的目的和防止地表塌陷的发生。这种方法具有工程量小、工程费用低、岩体构造稳定、效果好等显著特点，实际阐明效果良好。3〕灌注桩法。在采空区上方地表布置大直径钻孔，注入填料和浆液，用浆液固结填料和破碎岩体，在岩层中构成灌注柱，接受上方建筑荷载。4〕设计高架桥跨越采空区。当采空区分布面积过大，充填注浆法造价过高时，可思索采用高架桥跨越采空区，或者采用途置与高架桥结合的方法处置采空区。5〕综合治理方法。根据实践工程情况，结合以上两种或两种以上的方法处置采空区。三、注浆处治技术1、注浆资料选择注浆资料大体分为无机系和有机系两大类，其中：无机系包括单液水泥类、水泥—水玻璃类、粘土类、水玻璃类、水泥粘土类、水泥粉煤灰类等；有机系包括丙烯酰胺类、木质素类、脲醛树脂类等。粒状浆材主要以硅酸水泥、粘土、粉煤灰等构成，来源丰富，价钱低廉，操作工艺简单，广泛用于地基加固注浆中。但因其粒径大，可注性差，不宜用于防渗，堵水注浆工程中。化学浆资料呈溶液形状，可注性好，只需能注水的细小裂隙或孔隙，化学浆材普通都可注入，浆材主要用于防渗、堵漏加固工程，其价钱昂贵，施工困难。理想注浆资料①浆液粘度低、流动性好、可注性强，能进入细小裂隙。②浆液凝胶时间在一定范围内可随意调理，并能准确地控制。③浆液的稳定性好，在常温常压下长期存放不改动性质、不发生其他化学反响。④浆液无毒、无嗅，不污染环境，对人体无害，属非易燃易爆之物品。⑤浆液对注浆