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【摘 要】由于地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，因此，如何对地下采空区的分布范围、空间形态特征和采空区的冒落状况等进行量化评判，一直是困扰工程技术人员进行采空区潜在危害性评价及合理确定采空区处治对策的关键技术难题。合理的有序的进行采空区工程地质勘察是相当必要的，直接影响后期方案比选、工程安全与质量。
【关键词】工程地质勘察；采空区；稳定性
一、前言
采空区问题作为铁路工程勘察设计建设中不良地质问题就愈发显得突出。
对于地下采空区的分布范围、空间形态特征和采空区的冒落状况等进行量化评判问题就会影响到线路的选线、优化方案和工程投资的估算。近年来，高速铁路迅猛发展，在很多时候都面临无法绕避采空区的问题，加强地质勘察质量以及铁路采空区的稳定性评价就显得尤为重要。
二、场地因素分析
1、煤矿采空区覆岩的石岩组类型
覆岩力学性质是对采空区下沉影响程度较大的因素，我国的煤矿开采实践也表明：岩体越坚硬，地表下沉系数的值就越小。
由于破碎的岩体具有分形的几何特性，因此，可以用小尺寸的破碎岩体（数十毫米级）模拟大尺寸的破碎岩体（数十米级）。为了模拟近似实际的矿山压力，采用伺服机，可以达到实验要求。而只要满足了几何相似和应力应变相似，即可进行相似模拟实验。软硬岩石高压固结模拟实验结果表明：
①覆岩的力学性质和结构特征对沉陷变形的影响很大，软岩比硬岩更易被压缩变形，故在软岩厚度大的采空区，地面沉降量会相对较大；
②地下水的浸泡可使软岩产生更大的附加沉降，故煤层顶板中较厚的软岩会导致固结沉陷速度加快，沉降量增大，采空区稳定性变差；
③覆岩主要为硬岩的条件下，沉陷稳定的时间较长，若覆岩主要为软岩，则沉陷稳定的时间较短。
2、煤矿采空区的面积及开采倾角
采空区范围的大小可以决定地表移动过程中发展的程度以及地表移动盆地的形状和大小。采空区的面积对移动角有一定影响，一般来说岩层移动角随着采空区面积的增大而减小，但当采空区面积很大时，对移动角的影响不大，在一定开采深度条件下，随着采空区面积的增大，地表移动影响范围变得越来越大。
3、煤矿采空区采厚及采深
研究资料表明：随着采厚的增加，冒落带和裂隙带的高度按线性比例增加，即在相同条件下，采厚越大，破坏波及的范围就越大，岩石的破坏也就越严重。通常以深厚比作为衡量开采条件对地表移动和变形影响的粗略估计指标。一般说，随开采深度的增加，下沉速度减小，地表移动范围增大，扩展到地表所需时间延长，但移动和变形值变化不大，因而地表移动和变形比较慢，同时下沉盆地变得平缓。
4、终采时间指标
终采时间即自终采延续到现今的时间，单位可以是年、月或日。按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的规定：连续6个月下沉值不超过30mm时，可认为地表移动期结束。按此规定一般工作面终采1～2年地面变形即可满足地表移动期结束的条件，但实际上工作面终采5～10年甚至更长时间，地面仍存在残余变形。总体而言，采空区随着终采时间的延续而逐渐趋于稳定，因此，终采时间是评价采空区稳定性的直接指标。
三、工程地质勘察
1、煤矿采空区勘探特点
要求对顶板围岩及煤层稳定程度进行研究，对岩石稳定程度研究目前已由定性描述转变为定量计算，但对煤层稳定程度的研究，目前仍然主要是定性的描述，定量的研究虽有所发展，但还没有形成统一的数量标准作为煤层稳定程度的依据，采空区问题更加复杂，难以定量分析。在我国近年来由于煤矿采空区引起的问题日益严重，大多数矿山不同程度地存在着一些未处理的采空区，采空区是工程建设的一大隐患，但通过资料调查和钻探无法察明采空区确切的形态和位置。
近年来众多物探工作者对采空区勘探进行了研究，取得了很多实用性的成果。如运用瞬变电磁、浅层地震、高密度电法相结合的综合物探方法在煤矿采空区的勘探研究。
也有部分专家学者对其它物探方法，如地质雷达、CT法等方法对采空区中的勘探效果进行了研究。
煤矿采空区的探测，目前，国内外主要是以资料收集、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。
2、煤矿采空区工程地质勘察
（一）、煤矿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，采矿资料的收集、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。
煤矿采空区勘察前期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，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，圈定采空区范围、形态，经济准确地查清采空区分布及赋存状况。
（二）、采空区塌陷、沉降
采空区的塌陷是由于地面到采空区顶板的厚度较薄，强度较底。由于上覆荷载过高及采空区煤柱形成的自由面，原来的应力平衡被破坏就会产生地面裂缝沉降然后塌陷等现象，严重危害人类活动。所以在铁路工程设计时应尽量避开采空区。
由于采空区的存在，使得地表产生移动和变形，当煤层为倾斜煤层时，地表呈现严重的非连续性破坏产生松脱地压，往往出现漏斗状塌陷坑，当开采倾斜和急倾斜矿层时，存在以下几种移动形式：
（1）垮落岩石下滑矿层采出后，為采空区上覆岩块所充填。如果矿层倾角较大，上部垮落的岩石下滑充填下部采空区。垮落岩石下滑后，其上部岩石失去支撑而垮落，造成垮落和裂隙向上发展。 （2）岩石沿层理方向滑移，在岩层倾斜的情况下，由于自重方向不与岩层层面垂直，在自重作用下，岩体除发生垂直于层理面方向的弯曲外，还产生沿层理面方向的顺层滑移。
（3）底板岩石隆起，当地表岩石软弱且倾角较大时，在矿体采出后，周围岩体应力平衡条件发生了变化，采空区多以残留杂物和空洞构成，地下水作用十分强烈，使其力学性能降低。所以对其进行高效、准确勘察是很重要的工作。
四、采空区工程地质勘察及稳定性评价
1、现采空区稳定性评价
现采空区是目前正在开采或开采工作面其主沉降尚未结束的采空区（工作面）。
现采空区稳定性现状评价是基于现状开采条件下，从现有资料进行研究分析，从煤层赋存特征、采煤及顶板管理方法、地表移动所处阶段、剩余沉降量、采深采厚比、采空区“活跃期”变形特征、煤层开采及地震活动等方面对拟建场地的现状稳定性进行分析评价。
地表移动的持续时间是影响现采空区稳定性的主要因素。采空区地面变形稳定时间与其埋深有关，一般把地表移动盆地主断面出现下沉10mm时作为移动期开始时间，连续6个月下沉值不超过30mm时认为地表移动期结束，从地表移动期开始到结束的整个时间称为地表移动的持续时间。当无实测资料时，可采用经验公式（T—移动盆地内某一区域稳定所需的时间（天）；H0—平均开采深度（m）进行计算。若计算稳定所需时间超过计算时的时间点，应认为采空区处于起始期～活跃期，相应采空区应定为现采空区，否则则定为老采空区。根据现状评价结果，场地稳定性分为不稳定区和稳定性差区。
2、未来采空区稳定性评价
未来采空区对场地稳定性的影响与采煤方法、顶板管理方法、工作面推进速度及开采持续时间等因素有关。未来采空区的主沉降及变形的估算相关参数应依据开采规划中的相关开采情况进行。根据场地内的煤层赋存特征，未来采空区对场地稳定性影响较大。
场地内煤层的开采，采空区的规模及其对地面的影响具有动态变化特点，随着煤层的开采地面变形量及规模亦逐渐扩大，因此，场地的稳定性同样具有“动态稳定”的特征，且这种稳定直至采煤工作结束后一定时期内才能最终完成。根据现采空区和未来采空区的叠加，场地应划分为“不稳定区”。
3、采空区稳定性的综合评价
勘查区主要采用垮落法采煤，属浅层采空区，断层发育，覆岩（顶板）岩性以炭质泥质、炭质页岩和粉砂页岩等中硬覆岩为主，岩层的节理和裂隙较发育，开采煤层多为缓倾斜～倾斜矿层断裂带部位常沿断裂延伸方向采空，由于断裂带产状陡倾，由于采煤后顶板全部垮落，使覆岩沉陷破坏严重，使上覆岩层的冒落裂隙带高度得到充分发展，采空区往往沿断裂面滑动冒落，并在采空区上盘岩层以沉陷和水平移动变形模式，出现地表裂缝，目前已经出现多处塌陷、裂缝现象，现状稳定性较差，虽然采空区尚未完全塌落，但在后期不利因素作用下，采空区有进一步塌陷的可能，给地表建筑及人员生命财产造成危害。
今后的工程建设，需根据采空区的特点及建筑物的布局进行建筑地基稳定性评价，并根据评价结果，采取合适的防治措施，避免引发或遭受地面塌（沉）陷的危害。
五、结束语
铁路采空区工程地质勘察及稳定性评价是一项全面系统复杂的工程，尤其要加强地质勘察中相关问题的探讨，提高勘察技术的水平，结合实际情况进行评价，加强铁路采空区工程的稳定性。
参考文献
[1]潘瑞林；采空区物探方法新探[J]；铁道勘察；2010年06期
[2]李国和；李桂芳；采空区铁路工程地质选线研究[J]；铁道工程学报；2012年10期
[3]劉熙；张昆；李晓凡；铁路穿越小型采空区稳定性的评价方法研究[J]；铁道工程学报；2012
【关键词】工程地质勘察；采空区；稳定性
一、前言
采空区问题作为铁路工程勘察设计建设中不良地质问题就愈发显得突出。
对于地下采空区的分布范围、空间形态特征和采空区的冒落状况等进行量化评判问题就会影响到线路的选线、优化方案和工程投资的估算。近年来，高速铁路迅猛发展，在很多时候都面临无法绕避采空区的问题，加强地质勘察质量以及铁路采空区的稳定性评价就显得尤为重要。
二、场地因素分析
1、煤矿采空区覆岩的石岩组类型
覆岩力学性质是对采空区下沉影响程度较大的因素，我国的煤矿开采实践也表明：岩体越坚硬，地表下沉系数的值就越小。
由于破碎的岩体具有分形的几何特性，因此，可以用小尺寸的破碎岩体（数十毫米级）模拟大尺寸的破碎岩体（数十米级）。为了模拟近似实际的矿山压力，采用伺服机，可以达到实验要求。而只要满足了几何相似和应力应变相似，即可进行相似模拟实验。软硬岩石高压固结模拟实验结果表明：
①覆岩的力学性质和结构特征对沉陷变形的影响很大，软岩比硬岩更易被压缩变形，故在软岩厚度大的采空区，地面沉降量会相对较大；
②地下水的浸泡可使软岩产生更大的附加沉降，故煤层顶板中较厚的软岩会导致固结沉陷速度加快，沉降量增大，采空区稳定性变差；
③覆岩主要为硬岩的条件下，沉陷稳定的时间较长，若覆岩主要为软岩，则沉陷稳定的时间较短。
2、煤矿采空区的面积及开采倾角
采空区范围的大小可以决定地表移动过程中发展的程度以及地表移动盆地的形状和大小。采空区的面积对移动角有一定影响，一般来说岩层移动角随着采空区面积的增大而减小，但当采空区面积很大时，对移动角的影响不大，在一定开采深度条件下，随着采空区面积的增大，地表移动影响范围变得越来越大。
3、煤矿采空区采厚及采深
研究资料表明：随着采厚的增加，冒落带和裂隙带的高度按线性比例增加，即在相同条件下，采厚越大，破坏波及的范围就越大，岩石的破坏也就越严重。通常以深厚比作为衡量开采条件对地表移动和变形影响的粗略估计指标。一般说，随开采深度的增加，下沉速度减小，地表移动范围增大，扩展到地表所需时间延长，但移动和变形值变化不大，因而地表移动和变形比较慢，同时下沉盆地变得平缓。
4、终采时间指标
终采时间即自终采延续到现今的时间，单位可以是年、月或日。按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的规定：连续6个月下沉值不超过30mm时，可认为地表移动期结束。按此规定一般工作面终采1～2年地面变形即可满足地表移动期结束的条件，但实际上工作面终采5～10年甚至更长时间，地面仍存在残余变形。总体而言，采空区随着终采时间的延续而逐渐趋于稳定，因此，终采时间是评价采空区稳定性的直接指标。
三、工程地质勘察
1、煤矿采空区勘探特点
要求对顶板围岩及煤层稳定程度进行研究，对岩石稳定程度研究目前已由定性描述转变为定量计算，但对煤层稳定程度的研究，目前仍然主要是定性的描述，定量的研究虽有所发展，但还没有形成统一的数量标准作为煤层稳定程度的依据，采空区问题更加复杂，难以定量分析。在我国近年来由于煤矿采空区引起的问题日益严重，大多数矿山不同程度地存在着一些未处理的采空区，采空区是工程建设的一大隐患，但通过资料调查和钻探无法察明采空区确切的形态和位置。
近年来众多物探工作者对采空区勘探进行了研究，取得了很多实用性的成果。如运用瞬变电磁、浅层地震、高密度电法相结合的综合物探方法在煤矿采空区的勘探研究。
也有部分专家学者对其它物探方法，如地质雷达、CT法等方法对采空区中的勘探效果进行了研究。
煤矿采空区的探测，目前，国内外主要是以资料收集、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。
2、煤矿采空区工程地质勘察
（一）、煤矿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，采矿资料的收集、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。
煤矿采空区勘察前期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，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，圈定采空区范围、形态，经济准确地查清采空区分布及赋存状况。
（二）、采空区塌陷、沉降
采空区的塌陷是由于地面到采空区顶板的厚度较薄，强度较底。由于上覆荷载过高及采空区煤柱形成的自由面，原来的应力平衡被破坏就会产生地面裂缝沉降然后塌陷等现象，严重危害人类活动。所以在铁路工程设计时应尽量避开采空区。
由于采空区的存在，使得地表产生移动和变形，当煤层为倾斜煤层时，地表呈现严重的非连续性破坏产生松脱地压，往往出现漏斗状塌陷坑，当开采倾斜和急倾斜矿层时，存在以下几种移动形式：
（1）垮落岩石下滑矿层采出后，為采空区上覆岩块所充填。如果矿层倾角较大，上部垮落的岩石下滑充填下部采空区。垮落岩石下滑后，其上部岩石失去支撑而垮落，造成垮落和裂隙向上发展。 （2）岩石沿层理方向滑移，在岩层倾斜的情况下，由于自重方向不与岩层层面垂直，在自重作用下，岩体除发生垂直于层理面方向的弯曲外，还产生沿层理面方向的顺层滑移。
（3）底板岩石隆起，当地表岩石软弱且倾角较大时，在矿体采出后，周围岩体应力平衡条件发生了变化，采空区多以残留杂物和空洞构成，地下水作用十分强烈，使其力学性能降低。所以对其进行高效、准确勘察是很重要的工作。
四、采空区工程地质勘察及稳定性评价
1、现采空区稳定性评价
现采空区是目前正在开采或开采工作面其主沉降尚未结束的采空区（工作面）。
现采空区稳定性现状评价是基于现状开采条件下，从现有资料进行研究分析，从煤层赋存特征、采煤及顶板管理方法、地表移动所处阶段、剩余沉降量、采深采厚比、采空区“活跃期”变形特征、煤层开采及地震活动等方面对拟建场地的现状稳定性进行分析评价。
地表移动的持续时间是影响现采空区稳定性的主要因素。采空区地面变形稳定时间与其埋深有关，一般把地表移动盆地主断面出现下沉10mm时作为移动期开始时间，连续6个月下沉值不超过30mm时认为地表移动期结束，从地表移动期开始到结束的整个时间称为地表移动的持续时间。当无实测资料时，可采用经验公式（T—移动盆地内某一区域稳定所需的时间（天）；H0—平均开采深度（m）进行计算。若计算稳定所需时间超过计算时的时间点，应认为采空区处于起始期～活跃期，相应采空区应定为现采空区，否则则定为老采空区。根据现状评价结果，场地稳定性分为不稳定区和稳定性差区。
2、未来采空区稳定性评价
未来采空区对场地稳定性的影响与采煤方法、顶板管理方法、工作面推进速度及开采持续时间等因素有关。未来采空区的主沉降及变形的估算相关参数应依据开采规划中的相关开采情况进行。根据场地内的煤层赋存特征，未来采空区对场地稳定性影响较大。
场地内煤层的开采，采空区的规模及其对地面的影响具有动态变化特点，随着煤层的开采地面变形量及规模亦逐渐扩大，因此，场地的稳定性同样具有“动态稳定”的特征，且这种稳定直至采煤工作结束后一定时期内才能最终完成。根据现采空区和未来采空区的叠加，场地应划分为“不稳定区”。
3、采空区稳定性的综合评价
勘查区主要采用垮落法采煤，属浅层采空区，断层发育，覆岩（顶板）岩性以炭质泥质、炭质页岩和粉砂页岩等中硬覆岩为主，岩层的节理和裂隙较发育，开采煤层多为缓倾斜～倾斜矿层断裂带部位常沿断裂延伸方向采空，由于断裂带产状陡倾，由于采煤后顶板全部垮落，使覆岩沉陷破坏严重，使上覆岩层的冒落裂隙带高度得到充分发展，采空区往往沿断裂面滑动冒落，并在采空区上盘岩层以沉陷和水平移动变形模式，出现地表裂缝，目前已经出现多处塌陷、裂缝现象，现状稳定性较差，虽然采空区尚未完全塌落，但在后期不利因素作用下，采空区有进一步塌陷的可能，给地表建筑及人员生命财产造成危害。
今后的工程建设，需根据采空区的特点及建筑物的布局进行建筑地基稳定性评价，并根据评价结果，采取合适的防治措施，避免引发或遭受地面塌（沉）陷的危害。
五、结束语
铁路采空区工程地质勘察及稳定性评价是一项全面系统复杂的工程，尤其要加强地质勘察中相关问题的探讨，提高勘察技术的水平，结合实际情况进行评价，加强铁路采空区工程的稳定性。
参考文献
[1]潘瑞林；采空区物探方法新探[J]；铁道勘察；2010年06期
[2]李国和；李桂芳；采空区铁路工程地质选线研究[J]；铁道工程学报；2012年10期
[3]劉熙；张昆；李晓凡；铁路穿越小型采空区稳定性的评价方法研究[J]；铁道工程学报；2012