深度解析：采空区地面塌陷勘察与设计！
本文从采空区塌陷勘察、采空区塌陷治理设计两方面展开：
一采空区塌陷勘察
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；
一） 采空区分类：
1、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
2、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。
3、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。
(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
1、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。
2、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。
3、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。
1、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
采空区(空洞)现场勘察内容一览表
采空区(空洞)地表变形调查内容一览表
2、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。
1）电法勘探
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。
2）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。
3）电磁勘探
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。
4）微重力勘探
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。
5）氡气勘探
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。
3、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。
（1）以查明工作区地层结构；
（2）地下采空区的埋深、厚度、顶、底板岩性； （3）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；
（4）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；
（5）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
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。
详勘阶段钻孔间距表
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
4、室内试验
室内试验，无论埋深多少，都必须对采空区的顶板取样，确定其物理力学性质。当采空区(空洞)埋深小于50m时，对每个孔内岩石力