铁三院地路处
二零零四年十月天津
前言
随着国家经济建设事业的发展，我们在铁路、公路勘察设计工作过程中，经常碰到很多有关采空区的工程地质问题。为了提高采空区工程地质勘察质量，做好选线及勘察设计工作，搜集、总结院内外采空区工作的实践经验并参考了铁路、公路等有关规范、规程、手册等的有关内容，编写了“采空区工程地质勘察设计实用手册”，便于广大技术人员进行采空区工程地质勘察设计时参考使用。
编写李守礼陈则连 付新平 陈明星 鲍晓东审核荆志东仇祥凯
目录
前言 (1)
1.采空区的定义与分类 (1)
1.1定义 (1)
1.2分类及其特征 (1)
1.2. 1小型采空区分类及特征 (1)
2.勘察方法及程序 (3)
2.1小型采空区 (3)
2.1.1搜集资料 (3)
2.1.2地质调绘 (3)
2.1.3勘探 (5)
2.1.4小型采空区的稳定性评价 (6)
2.1.5小型采空区的工程处理措施 (7)
2.2大型采空区 (7)
2.2.1搜集资料 (7)
2.2.2调查访问 (8)
2.2.3地质调绘 (8)
2.2.4勘察与测试 (9)
2.2.6资源评估及压矿量的计算 (11)
2.2.8稳定性评价 (14)
2.2.9工程处理措施 (15)
3应交的成果报告 (17)
4附表、算例 (18)
附表-1：典型工作面观测站地表移动实测参数表 (19)
附表-2：部分矿区地表移动实测参数表 (99)
算例 (120)
1采空区的定义与分类及其特征
1.1定义
人们在地下大面积采矿或为了各类目的在地下挖掘后遗留下来的矿坑或洞穴，称为采空区。
1.2分类及其特征
根据采空程度分为小型采空区和大面积采空区。
1.2.1小型采空的分类及特征
（1）小型采空的分类见表-1.2.1
小型采空分类表表-1.2.1 名称涵义分布及特征
掏煤洞
是指小型手工开挖的
煤洞，一般有古窑和
现代小窑两类
多分布于埋藏浅、易于开采的含煤地层
中，以平洞及斜井为多。煤洞长，有岔
洞，洞口多有弃渣堆的痕迹
掏砂洞
在含卵石的地层中开
采卵石、砾石，用以
覆盖耕地表面，以减
少水分蒸发，用来保
墒。卵石、砾石被掏
后遗留的空洞俗称掏
砂洞
在甘肃、青海一带，黄河及其支流的各
级阶地上分布较多，洞口及其采空形
态，因卵石层埋藏深度不同而异。横断
面一般宽1~2m，高1~2m。在有掏砂洞
地区，地表常有塌陷碟地，陷落漏斗及
洞口等，但由于掏砂洞历史较久，有
反应容器
的洞口堵塞，地表状态变迁，至今已毫
无痕迹。
掏金洞掏取砂金而遗留下来
的洞穴
主要分布在接触变质岩和有大量侵入
岩脉（石英脉）地区河流两岸，含有金
砂的沉积阶地的卵石层底部。掏金洞埋
深大，断面小，延伸长，支洞多，洞口
多分布于阶地边缘斜坡上。
坎儿井
为利用山前洪积平原
的潜水而开挖的地下
引水渠道
分布在新疆天山南北的山前洪积平原
上，哈密至托克逊一带较多，其长度和
深度取决于山前洪积平原地下水的埋
藏条件和水量大小。在平面上，每隔一钢骨柱
定距离即有一个开挖的竖井，竖井口周
围有环形弃土堆。
其他如古墓穴，大型地窖、大型窑洞等，有时对铁路建设有一定影响。
（2）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。
1.2.2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。
（1）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：
①均匀下沉区：（中间区）即移动盆地的中心平底部分。 ②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。
③ 轻微变形区：外边缘区，地表变形值较小，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。
（2）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：
①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3～4倍。
h=
α
cos )1(−k m 其中K=1.3
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，其厚度一般取采矿厚度的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在。
其中： 缓倾层 （α<25°） 倾层 （25°≤α≤45°） 急倾层 （α>45°）
（3）非充分采动：当采空区面积的长度和宽度均小于开采深度时，地表移动盆地呈碗状、地表不出现应有的最大下沉值。
（4）充分采动：当采空区面积的长度和宽度分别等于或大于开采深度时，地表移动盆地呈盘状，地表出现应有的最大下沉值。
（5）超充分采动：当采空区面积的长度和宽度继续增大使最大下沉值和其它最大移动、变形不再增大。
开采的主要影响：在采空区正上方及其周围的地表发生移动和变形。也就是说，出现在采空区正上方及其周围地表的开采影响为开采主要影响；离采空区较远的地表的开采影响称开采次要影响。
重复开采时，下沉速度将增加10～30%，移动平稳后，实际仍有少量残余下沉量，在老采空区建筑时，要充分考虑。
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）。
2勘察方法及程序
采空区的工程地质勘察工作，主要是搜集资料、调查访问、地质测绘，必要时辅以物探、钻探工作。勘察工作的全过程见图-2.1.1“采空区工程地质勘察设计流程图”。
2.1小型采空区 2.1.1搜集资料：小型采空一般没有专门勘察，开采也无规划，搜集资料十分困难，主要以调查访问当事者或当地居民和有关方面负责人，可以单独访问，也可已访，以访为好。其内容详见表-2.1.1
2.1.2地质调绘
（1）坑洞的分布、位置、断面大小、延伸方向及其相应的地
表位置。
（2）因采空而产生的陷坑、裂缝的位置、形状、大小、深度、延伸方向及其与采空区和地质构造的关系。
（3）了解采空区附近工农业抽水和水利工程建设情况及其对采空区的影响。
图-2.1.1 采空区工程地质勘察设计流程图
采空区调查表 表-2.1.1
填
填表：复核：地质组长：
2.1.3勘探
（1）简易勘探：螺钻、钎探、洞探等，适用于埋深浅，覆盖层为第四系沉积物。
（2）综合物探：采用电法、地震、地质雷达等综合物探方法。
（3）钻探：根据调查访问的资料、地质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访问对象
矿产权开矿日期
矿区名称
开采方式闭矿日期
矿井坐标位置
矿区平面
示意图
矿区边界（坐
标）
地层层序及岩性
矿层分布范围
矿层的采深、厚度、代号
产状、时代
矿层的开采方式、回采率
矿井形态及矿层开采情
况
巷道空间形态、大小、断
面尺寸、衬砌情况
回转顶尖采空范围
洞壁、洞顶情况（稳定、
支护、回填、塌落、充水）
地下水及有害气体
周围建筑物变形情况
工
程
地
质
及
水
文
地
质
对照物条
件
地表变形情况
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。
2.1.4小型采空区的稳定性评价
（1）地表产生裂缝和塌陷发育地段，属于不稳定地段，不适于建筑。在附近建筑时，需有一定的安全距离，安全距离的大小按建筑物的性质而定，一般应大于5～15m 。
（2）小型采空区顶板的稳定性：
Q=G-2f=γH[B-Htg φtg 2(45°-
2
ϕ
)]
当H 增大到某一深度，
使顶板岩层呈自然平衡（即Q=0），此时的H 称为临界深度H 0
H 0=ϕ
ϕtg tg B
)2
45(2−°
当：H ＜H 0时，顶板不稳定，H 0≤H ≤1.5 H 。时，顶板稳定性
差，H ＞1.5 H 0时，顶板稳定。
（3）当建筑物已建在影响范围内时，可按下式验算地基的稳定性： Q=G+B.P 0-2f=γH[B-Htg φtg 2(45°-
2
ϕ
超微电极
)]+BP 0
其中： Q —采空段顶板上的压力 （kN/m ）
P 。—建筑物基底单位压力（kN/m 2）
G —巷道单位长度顶板上岩层所受的总应力（kN/m ） B —巷道宽度（m ） φ—岩层的内摩擦角（º） f —巷道单位长度侧壁的摩阻力（kN/m ） γ—上覆岩层的重度（kN/m 3） H —巷道顶板的埋藏深度（m ） 当H 增大到某一深度，
使顶板岩层呈自然平衡（即Q=0）
，此时的H 称为临界深度H 0；当H ＜H 0时地基不稳定，H 0≤H ≤1.5 H 。时地基稳定性差，H ＞1.5 H 0时地基稳定。
（3）次要建筑物，在避开地表裂缝和塌陷地段，且H/m ＞30地表已经稳定时，可不进行稳定性评价。 （4）稳定性分区评价，见表-2.1.4
稳定性分区评价表 表-2.1.4
稳定性分区 顶板基岩厚度（m ）处理原则 Ⅰ—可能塌陷区 ＜30 所有工程均处理 Ⅱ—可能变形区 30～60 重点工程应予处理
Ⅲ—基本稳定区 ＞60
一般工程均不处理，重大工程结
合工程重要性，单独研究确定。
注：当采空区坑洞顶板为第四系覆盖层时，则按1/3换算为基岩厚度（上表摘自铁路工程不良地质勘察规程 TB10027—2001 P167页条文说明第9.5.5条）
2.1.5 对小型采空区的处理措施有：
①小型采空区隐患较大，易发生突然变形，对铁路、公路危害严重。因此线路一般应以绕避为宜。若必须通过，也必须尽可能查明情况，彻底处理，不留后患。
led驱动电路②地下水位的变化对小型采空区影响较大，因此对小型采空区附近的工农业抽水以及水库水位变化，要作为重要因素，慎重考虑。
③用洞探的方法查清线路基底的坑洞，进行回填处理，回填材料一般用毛石混凝土或粉煤灰。
④采用桥梁跨越小型采空区，使桥梁基础置于坑洞底板以下。 ⑤探灌结合的方法进行处理，但坑洞较大时，灌注数量难以估计，钻探量大，质量不好控制。
⑥以隧道通过小型采空区时，应慎重查明其下的小型采空情况。对有突然陷落可能的采空应进行回填处理，并留净空，增加沉降缝，加强衬砌和基底的结构强度。若情况难以查明时，线路应予绕避。
⑦加强建筑物基础及上部结构钢度 2.2大型采空区 2.2.1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。
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