采空区地面塌陷勘察与设计

地质塌陷勘察与设计湖南省地勘局三、采空区塌陷勘察主要依据：高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册；岩土工程勘察规范；铁路工程不良地质勘察规程；采空区分类：按采煤方法与顶板管理方法分类：1、长壁陷落法采空区：由长壁大冒顶采煤法形成的采空区2、短壁陷落法采空区：由短壁自由冒顶采煤法形成的采空区3、巷柱或房柱式采空区：由巷柱或房柱式采煤法形成的采空区4、条带法或填充法采空区：由条带或填充采煤法形成的采空区按采煤深厚比可分为以下几类：1.浅层采煤区：开采深、厚比小于40的采空区；2.中深层采空区：开采深、厚比大于40，但小于200的采空区；3.深层采空区：开采深、厚比等于或大于200的采空区。按煤矿采空区形成和停采的时间分类:可以分为新采空区和老采空区两种。新采空区是指现采空的采空区，其地表移动、变形尚未发生或正在发生过程中，或位于正在采煤的采区、采煤工作面近旁的采空区已放顶，地表移动、变形和移动盆地正在发生、发展中。老采空区是指已停采闭矿的矿区或已停采的采空区，其地表移动、变形和移动盆地等已形成并趋于稳定的采空区。采空区地面变形灾害包括地面塌陷、地面沉降、地面开裂（地裂缝）等。勘察范围应大于地面变形范围。1998年5月发生的临澧县衫板乡石膏矿塌陷，直径达47米。1993年发生的邵东县城石膏矿塌陷，直径达110米。(一)主要任务查明老采空区上覆岩层的稳定性,预测现采空区和未来采空区的地表移动和变形特征，对工程场地的适宜性进行评价。在此基础上，提出预防、整治的对策和方案。可行性研究勘察阶段该阶段应以收集资料、工程地质调查、采矿情况调查为主，辅之以大比例尺航卫片解译，必要时可布置少量勘探工作。其工作内容是：(1)收集矿区地质图、综合地质柱状图、剖面图、采掘工程平面图及井上下对照图、地质勘探报告、沉降观测等有关资料；(2)调查勘察范围内的气象、水文、地形地貌、地震、地层岩性、地质构造特征；(3)调查勘察区内采空区(空洞)的分布及开采时间、范围、深度、采厚、开采方法、采取率、顶板岩性和厚度、顶板管理方法及远景开采规划；(4)调查或收集供水井的抽排水状况及其对采空区稳定性的影响；(5)在有条件的地方宜进行井下调查、测量、测绘出采掘工程平面图，查明采空区的顶板塌陷及积水情况；(6)调查采空区覆岩破坏、地表陷落、建筑物破坏特征及其与采空区开采边界的关系，划分出中间区和边缘区；(7)调查由于地表塌陷而引起的其他不良地质现象类型、分布位置和规模；(8)定性或半定量地初步评价采空区的稳定性。初步设计勘察阶段本阶段勘察应以现场地质和采矿调查、测绘和物探工作方法为主，辅之以钻探工作及简易水文地质观测试验，必要时进行地表变形观测。本阶段应进一步收集地质、采矿资料，并通过地质调查、物探、钻探、沉降观测、简易抽水试验等综合勘察手段，初步查明采空区的工程地质条件、水文地质条件，采空区的范围、埋深、形状、充填、垮落情况，开采层数及剩余沉降量、“三带”界限、地表塌陷等情况，为确定采空区治理方案提供依据。施工图设计勘察阶段本阶段采空区(空洞)勘察应以钻探工作为主，辅之以必需的补充物探及调查测绘工作。工作内容：(1)查明初勘阶段尚未查明的工程地质问题；(2)确定采空区地表变形范围、变形量大小及其变化规律，分析采空区沉降变形发展趋势，研究地表变形与采空区、区域地质构造、开采边界、采煤工作面推进方向的关系，确定其危害程度；(3)查明采空区近旁的矿井或供水井的抽排水的时间、水量、水质、地下水位变幅和影响半径及其对采空区的稳定性、治理工程的影响；(4)修正、完善采空区及其覆岩的三维地质构造模型、覆岩破坏的“三带界限，核实采空区的剩余空隙体积；(5)查清地表塌陷范围、破坏形式、发展趋势；(6)评价采空区的稳定性，确定采空区的治理方案；(7)测绘影响范围内采空区工程地质平面图(比例尺1：1000—1：2000)及工程地质纵、横断面(剖面)图等。(二)勘察范围及深度在整个采空区勘察过程中，勘察宽度可视勘察阶段、采空区埋深等具体情况而定。如工程可行性研究阶段勘察宽度要大，初步设计勘察阶段宽度适当减小，施工图设计勘察阶段宽度再减小。但各阶段勘察工作宽度不能小于公式计算宽度，且应考虑到上山、下山方向的差别，因为公式计算的宽度是采空区影响的最小宽度。一般外延100—500m。勘探深度，对于单层采空区，各阶段的勘探深度不得小于采空区底板以下3m；对于多层采空区，各阶段勘探深度不得小于最下层采空区底板以下3m。（三）勘查方法的选择勘察前，应收集研究地质资料，全面调查人类活动的历史、方式、范围与强度，以及已产生塌陷的发育特征，在综合分析的基础上合理布置勘察评价工作。勘察方法采取工程地质测绘、工程物探、工程钻探、室内试验及原位测试、高精度形变观测。条件许可时应开展井下工程地质调查。工程地质测绘工程地质调查与测绘的目的是研究采空区及其附近的区域地质构造、地层岩性、水文地质条件、地下采空区的分布位置、采矿状况、地面塌陷程度等。调查所采矿层顶底板的岩性、厚度及矿层上覆岩性的组合类型，条件许可时应进行井下测量工作，绘制采空区地质剖面图。初步确定工作区的三维工程地质结构和物探探测范围。比例尺一般以1：1000—1：2000为宜。采矿调查内容一览表开采方法顶板管理方式开采时间及其他a．巷道式：巷道分布、主巷道位置、走向巷道切面形状、尺寸、有无支护b．长壁式：平面分布、采高、工作面长度、开采掘进方向c．房柱式：开采顺序、平面分布、采高a．垮落法：垮落后顶板破坏情况b．矿柱支撑法：矿柱截面尺寸、分布垮落区分布c．填充法：充填区分布充填效果a．开采起始时间b．开采结束时间c．各时间区段采取率d．开采规模e．采空区(空洞)面积f．采空区(空洞)位置g．地表变形特征h．未来开采计划i．开采中发现的断层、裂隙等地质构造情况j．有无采掘工程图调查方法：收集资料和走访踏勘采空区(空洞)现场勘察内容一览表采空区(空洞)成因采空区(空洞)分布采空区(空洞)稳定性a．地质作用成因：碳酸盐岩溶洞b．人类活动成因：采矿地下防空设施隧道c．其他原因：有人类采掘的地下空洞a．采空区(空洞)埋深、高度、宽度、空间形态b．采空区(空洞)的平面分布a．对采空区(空洞)，注意顶板支护情况、顶板垮落情况、规模、平面分布、采空区(空洞)内垮落物质充填情况、有无近期垮落痕迹、采空区(空洞)内可见断层等构造形迹、采空区内(空洞)地下水滴漏情况b．对于溶洞，注意洞体有无近期崩塌痕迹，洞底有无近期崩塌物、洞壁是否胶结完整调查方法：①现场踏勘；②走访；③工程测绘；④绘制采空区(空洞)平面图采空区(空洞)地表变形调查内容一览表地表变形特征值(观测或收集观测资料)地表变形特征及分布规律地表移动盆地特征(仅对大面积采空区)a．最大下沉值b．最大倾斜值c．最大曲率值d．最大水平移动值e．最大水平变形值a．地表陷坑、台阶和裂缝的形状、宽度、深度、分布规律b．地表变形分布与地质结构(岩层产状、主要节理、断层、软弱层)的关系c．地表变形分布与采矿方式(开采边界、工作面推进方向、巷道分布)的关系a．均匀下沉区b．移动区c．轻微变形区调查方法：①收集资料；②现场踏勘、走访；③测绘；④变形观测；工程物探用于采空区(空洞)探测的工程物探方法主要有电法勘探（高密度电法和电测深法）、电磁勘探、地震勘探、重力勘探和氡气勘探。电法勘探常采用高密度电法和电测深法。高密度电法最适宜的采空区探测深度范围是100m以内，最大深度不超过150m，采空区埋深与其直径的比h／D≤40。影响探测深度的因素：测距的长短；目标地质体的直径与深度的比；目标体与围岩电性差异；地电断层如有高(低)阻屏蔽层；干扰水平大小。地震勘探主要用来确定基岩埋深、顶界起伏程度、风化程度及厚度；断层破碎带的宽度及平面位置，岩体工程地质分类、地基改造效果检查，采空区和自然溶洞的埋深和形态等。常采用的方法有折射波法和面波法。折射法探测地下采空区(空洞)时，一般可探测表层10～100m深度。当采空区(空洞)的尺寸与折射波的波长接近时，才能较清晰地反映在记录图上，即采空区(空洞)的尺度约接近10m才有反映，小于10m则效果不好，难以探测到。面波勘探深度与精度：面波勘探对波长的l／2深度内有效，对一般的土层有效深度约为40～50m。在基岩埋深较浅的地方可以更深，约100m。精度上，只要采空区(空洞)尺寸不小于其埋深的1／10，便可以探测出来，精度范围一般可控制在±5％之内。电磁勘探包括了瞬变电磁勘探、地质雷达和井间无线电透视(井间CT)等。其中以瞬变电磁法和地质雷达较为常用。瞬变电磁法相对于其他探测方法而言，对地层的分辨能力强，受地形小，在划分地层、确定电性参数、矿体及采空区空间位置和产状等方面有其独特的优越性。微重力勘探，用于探测埋藏浅、范围小的地质体或小构造。对地下100m以内洞穴的探测，可以较准确地确定其平面位置，而埋深可以用重力反演方法得到。由于受采空区(空洞)的几何尺寸、充填物及埋藏深度的制约，重力异常的量值一般在几十微伽以内，因此，只能用高精度的微重力勘探方法探测。一般在勘察区内以5m×5m的间距布点。氡射气探测可指示断裂构造、地裂缝、巷道的展示方向，以及地下隐伏采空区(空洞)分布范围。优点：不受电、磁、声干扰；受地形结构、地貌障碍影响小；施工简便，灵敏度高，成本低；仪器轻便，工作灵活，工效高。不足：氡运移受断裂、裂隙控制，随断裂及裂隙的变化而变化，因此，其异常不能准确反映地下空洞的平面位置，只能够概略地反映轮廓，属于定性测量。另外，测氡作业还受降水、季节等因素的影响。在进行物探工作时要注意以下几点：(1)工程物探成果判释时应考虑其多解性，区分有用信号与干扰信号。(2)应采用多种物探方法探测，进行综合判释。在物探工作前，应在条件类似的已知采空区地表进行物探方法有效性现场试验，确定该地区的物探方法及其最佳组合。(3)要有已知的物探参数或一定数量的钻孔(4)工程地质、岩土工程和工程物探技术人员要密切配合，共同选择物探方法，制定探测方案，分析解释物探成果。工程钻探目的是对地质测绘、采矿区调查资料及采空区地球物理探测成果进行验证和控制。以查明工作区地层结构；地下采空区的埋深、厚度、顶、底板岩性；查明采空区引起的垮落带、裂隙带和弯曲带的埋深、具体高度和发育状况；查明地下水的埋深及其对混凝土的侵蚀性；采集岩、土样品，测试岩土物理力学性质，特别是采空区顶板及上覆岩层的岩性及其物理力学性质，进行空洞、采空区发展演化分析；进行必要的原位测试及压水注浆试验，测试基岩物理力学性质、裂隙发育及风化程度；利用钻孔进行井中物探，如弹性波CT等探测工作。钻探位置的确定方法：根据工程地质测绘资料、物探异常、形变观测资料确定。如形变沉降中心可能是空洞及采空区的位置，可布钻孔验证。在确定钻孔位置时，必须对地质、物探等各种资料进行综合分析，以提高验证钻孔的命中率，减少钻孔数量。各勘察阶段钻孔布置可行性研究阶段：一般不进行钻探，应尽可能收集已有的钻孔资料，加以鉴别利用。若无现成资料，可布置1～2个钻孔。初勘阶段：为了初步判明下伏采空区(空洞)及其三带，同时查明采空区(空洞)控制性地层单元及岩土性质，钻孔原则上布置在地貌、地质构造、地层变化大且有代表性的地段。初勘阶段钻孔间距表场地复杂程度简单一般复杂钻孔间距(m)120-20080～12050～80详勘阶段钻孔间距表场地复杂程度简单一般复杂钻孔间距（m）40-7030-5020-40详勘阶段：详细查明采空区(空洞)及其三带分布情况，以及由于采空区的影响，造成的地层结构破坏及岩土工程性质变化，为施工图设计及防护工程施工图设计提供地质依据。钻探地质描述除满足一般工程地质地层描述的要求外，还应重点注意采空区及其三带的描述。将钻孔资料与物探资料进行对比分析，以确定采空区的范围、埋藏深度，划分“三带”界面。采空区钻探现场描述要点与三带识别标志采空区垮落带判据裂隙带判据无采空区判据a．突然掉钻b．埋钻、卡钻c．孔口水位突然消失d．孔口吸风e．进尺特别快f．岩芯破碎混杂，有岩粉、煤灰g．打钻时有响声h．可见淤泥、粉