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1、采空区的勘察设计与治理技术,煤炭科学研究总院西安研究院刘天林,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
2、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
3、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（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
4、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
5、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：基于实测资料的经验公式法，在我国广为使用的有负指数函数法、典型曲线法等。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,采空区勘察技术,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。,（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、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
7、、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
8、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
9、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，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
10、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。,
11、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
12、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。,（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
13、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
14、，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
15、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
16、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。V为截止目前已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。,采空区处理一般工程措施建议,（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
17、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
18、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）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,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)地面构筑物抗变形结构设计措施，采用柔性设计原则、刚性设计原则或综合措施，以吸收和抵抗变形。,(2)采空区地基处理措施，预防和控制地表残余沉陷的发生。此类方法可细分为4 种：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，
19、其中，以注浆法应用最广泛、效果最好；局部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；注浆加固和强化采空区围岩结构，充填采动覆岩断裂带和弯曲带岩土体离层、裂缝，使之形成一个刚度大、整体性好的岩板结构，有效抵抗老采空区塌陷的向上发展，使地表只产生相对均衡的沉陷，以保证地表构筑物的安全；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，采取强制措施加速老采空区活化和覆岩沉陷过程，消除对地表安全有较大威胁的地下空洞，在沉陷基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
20、，也可采取绕避方案或修筑过渡路段或营运后的维修方案。结合高速公路工程自身特点与要求，如公路工程为线性工程；路堤属于柔性基础承受路面结构；不均匀沉降量容易造成路基、路面结构开裂等，其下伏采空区的治理，理论上可以采取上述各种方法，但基于技术及经济原因，某些方法应用较少或缺少试验，国内目前已处理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，注浆材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。,具体治理措施的选择方法,1、采空区埋深较小时的处理对于埋深很小的采空区，可采用从地表开挖，一直挖至采空区，然后分层回
21、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。高能量强夯法处理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理松散破碎岩体，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理充填注浆法。注浆技术是一项实用性强、应用广泛的工程技术。它的实质是在地面钻孔至老采空区，采用液压、气压或电化学方法，将采空区所有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状态，彻底消除采动破碎岩体的移动变形空间
22、。为了避免浆液流至地基控制边界以外，需要在地基以外的控制边界处钻孔至采空区，再灌粗骨料填充，注浆固结，以封堵住采空区两端。,覆岩结构加固补强法。采用注浆加固技术对上覆岩层结构进行结构补强，增强覆岩结构的长期稳定性。其具体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形成一强度高、刚度大，类似于“大板结构”的完整岩体，达到类似于跨越的目的和避免地表塌陷的发生。这种方法具有工程量小、工程费用低、岩体结构稳定、效果好等显著特点，实践表明效果良好。,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，在岩层中形成灌注柱，承受上方建筑荷载。4
23、）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，可考虑采用高架桥跨越采空区，或者采用处理与高架桥结合的方法处理采空区。5）综合治理方法。根据实际工程情况，结合以上两种或两种以上的方法处理采空区。,三、注浆处治技术,1、注浆材料选择,注浆材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，价格低廉，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。化学浆材料呈溶液状态
24、，可注性好，只要能注水的细小裂隙或孔隙，化学浆材一般都可注入，浆材主要用于防渗、堵漏加固工程，其价格昂贵，施工困难。,理想注浆材料,浆液粘度低、流动性好、可注性强，能进入细小裂隙。浆液凝胶时间在一定范围内可随意调节，并能准确地控制。浆液的稳定性好，在常温常压下长期存放不改变性质、不发生其他化学反应。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。浆液对注浆设备，管路，混凝土结构物及橡胶制品等无腐蚀性，并且容易清洗。浆液固化时无收缩现象，固化后与岩石、砂子等有一定粘结性。浆液结石体有一定抗压抗拉强度，不龟裂，抗渗性能好，防冲刷性能好。结石体耐老化性能好，能长期耐酸、碱，盐、生物细菌等
25、腐蚀，并且不受温度，湿度。材料来源丰富，价格低廉。浆液配制方便，容易掌握。,工程实例-徐州西绕城采空区治理工程注浆材料选择,对于空巷和采空区为渗透充填注浆；对于采空区中的煤柱和裂隙带为劈裂注浆。注浆可以单独类型发生，也可能两种、三种类型同时发生。一般都是以渗透注浆和劈裂注浆为主，彼此相辅相成，从而构渗透劈裂固结的作用。基于上述采空区注浆工程的特征，限于施工现场的实际情况，所选择的注浆材料必须是经济上合理、性能良好的材料。纯水泥浆其可灌性较好，初、终凝时间短，结石体抗压强度高，主要以加固为目的；而水泥粉煤灰浆其可灌性较好，初、终凝时间较长，结石体抗压强度低，主要以充填为目的。通常，在构筑物下或沉
26、降量较大的路段下采用纯水泥浆注浆；在沉降量较小的路段下采用水泥粉煤灰浆注浆。,采空区治理工程位于徐州地区，该地区火力发电场较多，其排放的粉煤灰数量较大，价格便宜，且具有一定的活化作用；而徐州地区粘土较少，无法大规模使用。因此，依据现场实际情况，采用粉煤灰作为注浆浆液的主要注浆材料。为保证注浆浆液在地下会产生一定的流动性，且很好地起到充填与固结作用，在注浆材料中需要考虑一定量的水泥。综合徐州当地实际情况，对于该煤矿采空区注浆治理工程选择水泥、粉煤灰和水为注浆材料。,2、注浆浆液配比,在现场注浆施工前，应采用不同的注浆浆液配合比，对注浆浆液的配合比进行详细的研究。,3、注浆工艺,为了保证采空区注浆工程的质量，达到设计的目的，施工顺序采用的原则是：先施工路线两侧帷幕孔，再施工中间的注浆孔，注浆孔中先施工巷道两侧的注浆孔。注浆孔分二序间隔进行施工。,4、注浆工艺流程,(骨料),5、制浆工艺流程,
