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地质灾害详查数据采集技术要求(院)
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地质灾害(地面塌陷调查)评价方法讲解.ppt 35页
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地面塌陷调查评价 制作：水工0801班 李国倩 周莉丽 李洁 地面塌陷是指在外动力或认为因素作用下产生的突发性地下洞室拱顶失稳导致地面垂向上的变形破坏，其结果多形成圆锥形塌陷坑和陷沟。
地面塌陷一方面使塌陷区的工程设施（工业与民用建筑、城镇设施、道路路基、矿山及水利水电设施等）遭到破坏；另一方面造成严重的水土流失，使自然环境恶化，影响资源的开发利用。
1、天然地下洞穴：岩溶洞穴、土洞（黄土洞穴、红土洞穴、冻胀丘冰核融化形成的土洞等）和熔岩（主要为新生代玄武岩）洞穴。 2、人为地下洞穴：人防工程、地铁、地下商场、地下车库、停车场、隧洞、下水道、涵洞及窑洞等。 第一节
地面塌陷形成的机制
潜蚀机制 真空吸蚀机制 其他地面塌陷形成机制
潜蚀机制 在地下水流作用下，岩溶洞穴和含盐土洞中的物质和上覆层沉积物产生潜蚀、冲刷和掏空作用，岩溶洞穴或溶蚀裂隙中的充填物被水流搬运带走，在上覆盖层底部的洞穴或裂隙开口处产生空洞。若地下水下降，则渗透水压力在覆盖层中产生垂向的渗透潜蚀作用，土洞不断向上扩展最终导致地面塌陷。
岩溶洞穴或溶蚀裂隙的存在、上覆盖层的不稳定是塌陷产生的物质基础，地下水对土层的侵蚀搬运作用是引起塌陷的动力条件。 自然条件下，地下水对岩溶洞穴或裂隙充填物质和上覆盖土层的潜蚀作用很缓慢，规模一般不大； 人为抽取地下水，使地下水的侵蚀搬运作用大大加强，促进了地面塌陷的发生和发展。此类塌陷的形成过程大体可分为四个阶段： 塌陷的形成过程大体的四个阶段
⑴、在抽水、排水过程中，地下水位降低，对上覆盖土层的浮托力减小，水力坡度增大，水流速度加快，潜蚀作用加强。溶洞充填物爱地下水的潜蚀、搬运作用下被带走，松散层部土体下落、流失而实现拱形崩落，形成隐伏土洞。 ⑵、隐伏土洞在地下水持续的动水压力及上覆土体的自重作用下，崩落、迁移、洞体不断向上扩展，引起地面沉降。 ⑶、地下水不断侵蚀、搬运崩落体，隐伏土洞继续向上扩展。当上覆土体的自重压力逐渐接近洞体的极限抗剪强度时，地面沉降加剧，在张性压力作用下，地面开裂。 ⑷、当上覆土体自重压力超过洞体的极限强度时，地面产生塌陷。同时，在其周围伴生有开裂现象。这是因为土体在塌陷过程中，不但在垂直方向产生剪切应力，还在水平方向产生张力所致。 真空吸蚀机制 根据气体体积与压力关系的玻意而-马略特定律，在密封条件下，当温度恒定时，随着气体的体积增大，气体压力不断减小。在相对密封的承压岩溶网络系统中，由于采矿排水、矿井突水或大流量开采地下水，地下水水位大幅度下降。当水位降至较大洞穴覆盖层的底面以下时，空洞内的地下水面与上覆洞穴顶板脱开，出现无水充填的洞穴空腔。随着水位持续下降，空洞体积不断增大，空洞中 的气体压力不断降低，从而导致空洞内形成负压。洞穴顶板覆盖层在自身重力及溶洞内真空负压的影响下向下剥削或塌落，在地表形成塌陷坑或陷沟。 其他地面塌陷形成机制
地面塌陷的形成条件
地质条件 新构造运动条件 气候条件 人为条件
岩性条件 岩溶发育条件 盖层条件
地貌条件 新构造运动条件
地面塌陷主要发生在新构造运动上升区，由于地壳上升，地下水相对下降，包气带加厚，地下洞穴空洞扩大或处于潜水面以上，有利于地面塌陷发生。我国云贵高原、黄土高原多发生地面塌陷地址灾害。 气候条件
久旱无雨会造成地下水下降，从而引起地面塌陷。长时间暴雨，会造成伏流与暗河的下游产生冲爆致塌岩溶塌陷以及土洞和窑洞地面塌陷。 人为条件
矿坑突水，造成地下水下降，引起地面塌陷 开采地下水引发岩溶塌陷；大量开采地下水而形成降落漏斗的地区，地下水运动强烈，促进了岩溶作用，加强了岩溶洞隙的发展，降低了地下水的浮托力，从而引发岩溶塌陷；愈接近降落漏斗中心，地下水运动愈强烈，岩溶塌陷愈发育
第二节 地面塌陷调查评价要点与技术方法
地面塌陷阶段包括 ①地面塌陷调查要点 ②工程地质测绘要点 ③勘探与测试要点 ④地面塌陷监测要点 &一&地面塌陷调查要点 1广泛收集资料
广泛收集摇杆资料、地形地貌资料、地质资料、气象水文资料及人类经济活动资料等
查明调查区所属的地貌单元，划分地貌类型，掌握新构造的地貌表现；
对岩溶地貌，要划分岩溶发育阶段，在岩溶水补给区要注重调查干谷、盲谷、漏斗、落水洞、陷落柱分布位置和排列方式等溶洞或地下河的存在标志；
在径流区岩溶水呈脉管状流，注重查明名流暗流交替、层状溶洞与河流阶地的对比、高角度大断裂与非可溶性岩石的的位置，分析深溶洞存在的可能性；
在排泄区，、岩溶水呈网流状态，具有统一水位，注重明岩溶泉、出水洞的位置和分布，追索入水洞。
3第四系地质情况
查明第四纪地层、岩性、厚度、
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地质灾害危险性评估要点
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(1中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，西安 710065)
(2甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所,甘肃 730000)
(3陕西师范大学旅游与环境学院，西安 710062)
摘要：地面塌陷是采空区最主要的地质灾害，具有突发性、多发性、隐蔽性等特点，危害大且难以治理。本文通过阐述某矿区地面塌陷的特征，探讨其形成机理，并对塌陷危险性做出评价，从而提出相应的防治措施。通过对地面塌陷危险性研究，在立足塌陷本质的基础上，采取科学合理的防治措施可保证人类工程活动和建筑物的安全。
关键词：采空区；地质灾害；地面塌陷；危险性评价
&&&&&&& 1& 引言
&&&&&&& 煤炭是我国的最主要能源之一，占一次消耗能源构成的70%以上[1]。随着煤炭生产的发展，开采规模不断扩大，地下采空区日渐增多，势必产生次生地质灾害。采空区主要发育地面沉降、地面塌陷、地裂缝等地质灾害，在诸多地质灾害中，地面塌陷因具有突发性、多发性、隐蔽性和渐变影响持久的特点而占有突出的地位[2]。从广义而言，地面塌陷是在人为或(和)自然地质因素作用下，地表岩、土体中洞穴顶部向下断错坍塌的一种地质现象[3]。据不完全统计，我国因开采煤炭造成的地面塌陷面积已达40.02万hm2[4]，且以每年667 hm2的速度递增，此外塌陷区影响范围内建筑物有较大的安全隐患。为此，查明采空区地面塌陷的发育特征、机理，正确评价其危险性，从而提出合理的防治措施，具有积极的社会效益和经济效益。
&&&&&&& 2&& 工程地质环境
&&&&&&& 某煤矿分布于华亭煤田西南部，为华亭向斜的西南部，矿井含煤地层为中下侏罗系延安组（J1-2y），岩层产状65&&45&，开采煤层平均厚度19.5m，煤层埋藏最大深度距地面约235m左右，倾角45&左右。拟建工程西侧分布有3条呈北西南东向展布的地下采煤巷道，巷道宽3.0m，高2.7m，最大埋深约235m，采煤厚度约19.5m，以民采为主，采矿工艺为高冒落法，开采范围较窄，回采率低。据调查，该煤矿井下开采后曾引发地面塌陷，造成城区建筑物破坏，为此，有必要阐明该地面塌陷的特征、机理并对其危险性做出正确评价。
&&&&&&& 3& 地面塌陷的特征及形成机理
&&&&&&& 3.1& 地面塌陷特征
&&&&&&& 表1& 地裂缝及塌陷特征
&&&&&&& 3.2& 地面塌陷的形成机理
&&&&&&& 由于历史上的无序开采，特别是计划经济时期一些特殊的历史阶段，片面追求煤炭产量高指标，忽视对地质环境保护，加之受煤矿开采条件、开采方式、生产工艺、技术装备等综合因素影响、限制，使该矿区地质环境遭受严重破坏。长期的大规模的开采形成采空区，随着采空区面积不断加大，煤层的顶板（覆岩）失去支撑，顶板岩层随之发生弯曲、断裂、垮落，产生倾斜变形和水平移动。垮落过程中引发采空区周围的岩体变形、松动、乃至破坏使采空区上覆岩层随之弯曲下沉，覆岩层的这种弯曲到达地面后，形成地表沉陷现象。随着采空塌陷、裂缝不断发展，最终形成地面塌陷灾害。
&&&&&&& 4& 危险性评价
&&&&&&& (1) 地面塌陷范围预测
&&&&&&& 塌陷影响区的平面范围不仅受采空区范围控制，同时受煤层倾角影响：倾斜煤层采空区塌陷范围与采空区范围不完全对称，偏向采空区下山方向，即偏向煤层倾向方向一定距离，偏离的幅度受移动角&控制。
&&&&&&& 根据该煤矿地层结构和煤层分布特点，西关煤矿地层产状245&&45，煤层倾角为45?，故地面塌陷范围偏向采空区上山方向，即偏向煤层埋深浅的一侧(图2)。当煤层开采后，形成冒落带，造成顶板一定范围内的岩石沿岩层倾向方向下滑移动，在地表出现塌陷区。由于地层倾角大，致使地表塌陷区一般会偏于采空区的正上方，往往会向岩层倾向方向偏移，即偏向华亭体育场。经过分析计算，该煤矿塌陷影响范围见图1。
&&&&&&& 图1& 某煤矿地面塌陷影响范围图&&&&
&&&&&&& 根据《某煤矿井上下对照图》计算地表移动盆地的范围，地表移动盆地的边界角、移动角和裂隙角数值见表2。
&&&&&&& 表2 移动盆地边界角、移动角和裂隙角
&&&&&&& (2) 地表沉陷变形测算
&&&&&&& 地表沉陷变形与开采煤层及覆岩的物理力学性质、地层结构、煤层倾角、采出厚度、开采尺寸大小、开采深度、开采方法及顶板管理等密切相关。现根据华亭矿区已有资料，按以下公式进行测算：
&&&&&&& 表3& 煤矿地表沉陷变形测算取值及计算结果
&&&&&&& 经计算煤矿采空的最大影响半径为106.8m，最大下沉值9.35m，最大倾斜变形值为87.5mm/m，最大曲率值为1.25 mm/m2,最大水平移动值2.6m,最大水平变形值37mm/m。
&&&&&&& (3) 沉降稳定性分析
&&&&&&& 该煤矿区发生地表沉降后，当地政府极为重视，并安排对影响区内主要建筑物进行非均匀沉降观测(图2)。观测初期，某建筑物日均沉降相对较小，沉降速度约0.24mm/d。296天后沉降量增大，最大达1.5mm/d，175天累计沉降量257mm。此后沉降量逐渐降低，并趋于稳定，沉降量约0.054mm/d，表明该塌陷影响区地面沉降基本趋于稳定。
&&&&&&& 图2 某大厦沉降曲线图
&&&&&&& 5& 地面塌陷的防治对策
&&&&&&& 采空区诱发地面塌陷产生的因素众多，但不科学合理的人类工程活动是其产生的最主要诱因。由于目前的技术水平和经济条件，不能从根本上对塌陷影响区进行完全治理。为保证地面塌陷影响范围内建筑物和人类工程活动的安全，有必要提出正确合理的防治措施。
&&&&&&& (1) 该煤矿位于Ⅷ度地震裂度区，需提高建筑物的抗震设防等级。
&&&&&&& (2) 采用合理的采矿方式，设置滑动层、挖缓冲沟，减小水平变形对建筑物的影响。
&&&&&&& (3) 采用新技术、新手段提高建筑物刚度和整体性，提高砌体的抗弯、抗剪和抗拉强度，增强其本身的抗变形能力。对已有建筑物通过设置钢拉杆、钢筋混凝土圈梁等措施进行加固处理。
&&&&&&& (4) 采取措施，减小浅埋降水对周围建筑物的影响。
&&&&&&& (5) 设立监测标志，观测地表及建筑变形迹象，为灾害防治提供依据。
&&&&&&& (6) 建立城区地表变形监测网络，进行地面塌陷范围分析，为城市发展规划提供科学决策。强化地质环境保护，防止人为促进地质灾害发生与发展。
[1] 赵德深，范学理. 矿区地面塌陷控制技术研究现状与发展方向[J]. 中国地质灾害与防治学报，-89
[2] 张瑛.辽宁地面塌陷现状、成因及防治对策[J].中国地质灾害与防治学报，-98.
[3] 肖和平，潘芳喜.地质灾害与防御[M].北京：地震出版社，2000.
[4] 董兆祥.矿区环境地质问题的预测与防治[M].北京:地质出版社, 1997. 5
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