煤矿采空区勘察与治理技术

构造与地震、水文地质条件、人类工程活动） 4 采空区工程地质勘察（工程地质测绘、物探、钻探、测试） 5 采空区稳定性评价（剩余空隙体积和残余变形量估算、
稳定性计算） 6 采空区稳定性分区及评价 7 采空区对拟建工程的危害程度评价 8 采空区治理措施建议 9 结论及存在问题
2 采空区勘察技术
主要图件：
☆
地震波 弹性波层析
√
面波
√
声波 声波谐振法
√
重力 微重力法
√
射气 α 卡钋 218
√
注：☆先进，√较好。
2 采空区勘察技术
日本
俄罗斯
欧洲
√
√
√
√
√
√
√
☆
√
√
√
☆
√
☆
√
√
√
√
√
√
√
☆
√
√
√
√
√
√
√
3 物探成果的综合分析
2 采空区勘察技术
• 在物探资料解释时应考虑多解性，区分有用信号与干扰
多解性
• 应采用多种方法进行综合探测，并有一定数量的钻孔验证
第四系松散物 θ（45°）
θ
H1
覆岩 H2
δ（70°）
采空区
δ
采空区影响宽度
采空区影响范围示意图
2 采空区勘察技术
2 残余空洞估算
剩余采空区的体积（V）：V=Va－ΔV 式中：Va—采空区总体积，其值为：Va=S×M×K ΔV—当前冒落岩石所充填体积 S—采空塌陷区面积 M—煤层厚度 K—煤层回采率。
0.15 及规则冒落带
散体岩体 结构
岩体被多组结构面切割，呈碎块、颗粒 状，非均质各向异性
<0.15
不规则冒落带
2 采空区勘察技术
剩余变形量预计及剩余空洞估算
1 剩余变形量预计
剩余变形量
基本沉降未结束 的沉降量
残余沉降量
据《三下采煤规程》，连续6个月 地表下沉量<10mm，被视为地表下
沉基本结束。
采空区失稳与破坏模式分析 地表残余变形量预计 残余空洞估算 稳定性评价
危害性评价及防治措施建议
工程地质调查与测绘 1 采矿情况调查
2 采空区勘察技术
（1）调查采空 区的范围、形状 大小、埋深情况 等几何特征
（2）调查煤矿 历史沿革、开采 时间、采煤方法、 顶板管理方法、 煤柱留设情况
（3）调查工作 面布设方向、尺 寸与推进速度， 采后岩移与地表 变形时空关系
岩芯完整程度
2 采空区勘察技术
采空区及其“三带” 识别特征
2 采空区勘察技术
采动岩体的工程地质分类及强度预测
1 采动岩体结构定义
采动岩体结构：采动岩体结构是指岩体中采动次生结构 面与结构体的排列组合特征，也就是说不同的采动次生 结构面与采动结构体之间，以不同方式排列组合形成了 不同的采动岩体结构。
空
结构力学法
区
三维关键层模型
3 稳定性分区
2 采空区勘察技术
（1）采空 区自身稳
定性
（2）采矿 地质条件
等
（3）特殊 构筑物的
要求
（4）地表 剩余变形 量计算成
果
地表移动变形观测
2 采空区勘察技术
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，应布设观测网，进行定期观测，直接查明地表变 化特征，变化规律和发展趋势。有条件的可进行井下复测。
综合性
• 地质、岩土工程、物探工程师密切配合，制定分析方案
地质先导
钻孔探查与验证
1 钻孔探查的目的
2 采空区勘察技术
查明采空 区覆岩结 构特征
采集岩样 进行物理 力学性能
测试
查明采空 区范围、 几何形态
探查“三 带”高度 及压实程
度
2 采空区勘察技术
2 布置原则
（1）根据工程 地质测绘资料确
1）采空区勘查工程量平面布置图
1/1000～2000
2）采空区井上下对照图
1/1000～2000
3）建设工程场地平面布置图
1/1000～2000
4）采空区物探成果图
1/1000～2000
5）采空区钻孔柱状图
1/200～500
6）采空区平面、断面分布图
1/1000～2000
7）剩余变形量预测成果图
1/1000～2000
区规模、埋深、开采层数、开采时 间、塌陷情况、充水性等因素不同， 无法采用统一的探测模式。
（3）从物性上研 究采空区对上覆岩
层的影响
2 采空区勘察技术
2 常用物探方法及其适用性
国外部分国家采空区探测方法
技术方法
国家和地区
美国
自动电阻率法
☆
电法
电阻测井
√
瞬变电磁法
√
电磁法 地面雷达
跨孔雷达
√
高分辨率反射波法
对于采空区覆岩来讲，与原生沉积或构造结构面相比， 采动岩体次生结构及次生结构面对工程岩体稳定性的控 制作用更为显著
2 采空区勘察技术
2 采动岩体工程地质分类
采动岩体 结构类型
描述
完整性 “三带”发育情
指数
况
连续岩体 结构
主要结构面为层面，岩体呈层状结构特 点，坚硬岩层和软弱岩层往往交互沉积 ，变形破坏时硬岩起关键控制作用，软
瞬
变
电
磁
法
工
作
原
理
2
a
0 4
20
Ar
nr
As
ns
I
0
5t 52V t, r
3
瞬 变 电 磁 法 的 物 理 基 础
孔中瞬变电磁法原理——地井（巷）、同井和井井
瞬变电磁一次磁场磁力线图
Primary Field from Surface Loop
异常体二次感应磁场磁力线图
同一异常体不同孔位瞬变电磁响应特征
和微小开裂。
1 煤炭开采与沉陷
弯曲带破坏特征
1)垂直弯曲、水平受压、隔水性增强 岩层在自上而下沿层面法向弯曲，在水平处于双 向受压，当岩性较软时，隔水性能增强。 2)岩层比较完整 岩层移动连续有规律，保持整体性和层状结构， 不存在或极少存在离层裂隙。
1 煤炭开采与沉陷
地表形成下沉盆地
盆地边缘出现长裂隙，深度3-5m，一般小于10m。裂 隙宽度向下变窄，至一定深度后闭合消失。
2 采空区勘察技术
（1）观测线布置：宜平行和垂直矿层走向或开采工作面布设不少于
两条直线的观测线，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。
（2）观测点布置
2 采空区勘察技术
（3）观测周期 观测周期可根据地表变形速度和开采深度公式计算：
垮落带破坏特征
1) 不规则性 垮落带内岩块不能传递水平力，呈不规则状。
2) 膨胀性 岩石碎胀性使垮落带岩石的体积增大，使垮落
带与未垮落顶板岩层下方的自由空间逐渐变小。
1 煤炭开采与沉陷
裂隙带破坏特征
1)岩层破坏有规则： 无论是垂直岩层面或平行岩层面的裂缝均使岩层
保持原有的层状； 2)破坏程度分带明显： 裂隙带在垂直剖面上分为：严重断裂、一般开裂
2D
地面和孔间电阻率法
电 阻 率 成 像 法
适用于浅、中部勘探，勘探深度不宜超过300m
3D电阻率成像法
数据信息完备 、 分 辨 率 高 ，适用于 地 下 水 环 境 高精度探测与动 态监测
孔间电阻率成像法
曾用于京福高速公路采空区探测与注浆效果评价
孔间电阻率成像远程监测
可安排在水文 常观孔中开展 工作，用于监 测主要含水层 水位变化或评 价注浆效果
（4）调查该矿 开采规划与地表 拟建工程的空间 关系
2 地表变形情况调查
2 采空区勘察技术
收集地表移动变形观 测数据及分析报告
研究地表塌陷、陷落 特征及分布规律
估算已发生地表变形 量，预计残余变形量
2 采空区勘察技术
3 采空区覆岩结构的初步认识
收集矿区地质勘 探报告及图件
收集矿区“三带” 发育资料
公式中： t—观测周期（月） k—系数（一般为2～3） n—水准测量平均误差（mm） S—地表变形的月下沉量（mm/月）
2 采空区勘察技术
（4）观测方法 常用的观测方法：全站仪与经纬仪配合监测，可满足测量
精度要求。 （5）资料整理
① 绘制下沉曲线图，下沉等值线图，水平变形分布图。 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。 ③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。
水平煤层采空区地表移动盆地形态曲线 急倾斜煤层采空区地表移动盆地形态曲线
倾斜煤层采空区地表移动盆地形态曲线
影响地表变形的主要因素
1 煤炭开采与沉陷
煤炭开采与沉陷 采空区勘察技术 工程与环境物探 勘察及治理实例
2 采空区勘察技术
煤矿采空区工程地质勘察报告编写提纲
1 前言（项目由来、目的、任务、规范规程、勘察工作综述） 2 建设工程概况 3 勘查区的工程地质条件（气象水文、地形地貌、地层岩性、
防治措施建议
2 采空区勘察技术
建筑结构措施（增设抗变形构件） 经
济
、
技
根据采空区的稳定性、 采用筏板基础、桩基础等 危害性确定防治措施
术 、 效
益
对
采空区治理（全充填、部分充填等） 比
煤炭开采与沉陷 采空区勘察技术 工程与环境物探 勘察与治理实例
Transmitted current
Measured voltage
报告人：岳建华
2016年3月2日
煤炭开采与沉陷 采空区勘察技术 工程与环境物探 勘察及治理实例
1 煤炭开采与沉陷 采空区定义
地下固体矿产开采后的空间及其围岩失稳而产生 位移、开裂、破碎垮落，直到上覆岩层整体下沉、弯 曲所引起的地表变形和破坏的地区或范围。
复杂性、隐蔽性和不规则性是采空区勘察与治理的难点
认识采空区覆岩 结构
2 采空区勘察技术
（1）形成对采 空区的总体认识
（2）明确主要 工程地质问题
（3）初步建立 起采空区的工程 地质结构模型
地球物理勘探 1 探测目标
2 采空区勘察技术
（1）大尺度、宏 观上圈定采空区边
界及影响范围
（2）为钻孔布设
和钻探成果的内插、
外推提供依据
注意：由于地层岩性、构造、采空
地表下沉基本结束后，破碎 岩块经过漫长的时间进一步
压实后地表的下沉量
剩余变形量：地表预计最大下沉量与前期已经发生的下沉量之间的差值
2 采空区勘察技术
2 剩余空洞估算—采空区治理工程设计的重要依据
• 开采所形成的老采空区，塌陷冒落充分，剩余空洞甚少，主要 表现为冒落带岩块欠密实、存在离层裂隙等。
长壁式开采
部分开采
• 房柱式、条带式或巷柱式开采所形成的老采空区，由于残留煤 柱的支撑力依然存在，大多存在很大的空洞，对地表建构筑物 具有潜在危害性。剩余空洞体积估算主要指部分开采。
2 采空区勘察技术
采空区覆岩 保护带
移动影响 宽度
宽度
10m
路基底宽 40m
保护带 采空区覆岩
宽度 移动影响
10m
宽度
公路路堤
1 煤炭开采与沉陷
长壁工作面煤层采出采用全部垮落法处理采 空区，从煤层直接顶板开始，由下向上依次垮落 、开裂、离层、弯曲,经过一定时间终止移动。
移动期间和移动稳定后的上覆岩层，按其破 坏程度的不同，大致可分为：
垮落带、裂隙带、弯曲带。
覆岩采动破坏的垂直分带
1 煤炭开采与沉陷
弯曲带
裂隙带
跨落带
1 煤炭开采与沉陷
定
一般来讲，地质调查、采矿情况调查、物探 异常与形变沉降中心重合的位置一定是采空 区，只需布少量钻孔，而将多数钻孔布置在 需要进一步验证和精细划分边缘带的位置。
（3）根据地表 变形观测资料确
定
（2）根据物探 异常确定
3 钻孔施工
掉钻、卡钻、埋 钻情况
进尺快慢、孔口 吸风、有无瓦斯
气体
冲洗液消耗与漏 失情况
同一异常体不同孔位瞬变电磁响应特征
单一钻孔多个发射线圈孔地瞬变电磁测量
地面和孔—地瞬变电磁法
Baidu Nhomakorabea 大回线固定源法
适用于地形复杂地区， 野外工作效率高，初主 要应用于矿脉追踪
短偏移距电性源瞬变电磁法（TCSEM）
综合运用磁性源和电性源的复合源瞬变电磁法有 利于多层非饱和采空积水区探测
孔—地瞬变电磁法动态监测地下流体运移 可用于积水采空区排放水效果监测
岩随硬岩运动
>0.75
弯曲下沉带；采 场外侧采动影响 范围以外的地层
中等连续 岩体结构
坚硬岩层被有规律的几组结构面、裂隙 切割成较大的结构体，块体间相互咬合
、挤压
0.75～ 0.35
老顶、导水裂隙 带中上部
不连续岩 岩层被节理、劈理、裂隙等不规则结构 0.35～ 导水裂隙带底部
体结构
面分隔，非均质各向异性
2 采空区勘察技术
采空区稳定性评价及危害程度分析
采空区 自身的 稳定性
自然状态下的稳定性 施加工程荷载后的稳定性
稳定性评价内容
采
空
区
活
化
建（构）筑地基的稳定性
2 采空区勘察技术
稳定性评价方法
概率积分法
预计方法
典型曲线法
长 壁
式
剖面函数法 开
采
有限元
老 采
空
数值计算法
离散元
区
部
分
边界元
开 采
老
采
二维梁（板）柱模型
8）采空区稳定性分区图
1/1000～2000
9）采空区治理范围图
1/1000～2000
附表：1）钻探成果表；2）岩土试验成果表；3）采矿情况调查表。
2 采空区勘察技术
现场踏勘、编制勘察技术大纲
测工 绘程
地 质
调 查 与
地 球 物 理
勘 探
钻 孔
测 试
岩 土
监地 测表
探
体
移
查
物
动
验 证
理
变
力
形
学
采空区三维工程地质建模