地面塌陷

所属分类:

  地面塌陷指地表岩、土体在自然或人为因素作用下,向下陷落,并在地面形成塌陷坑(洞)的一种地质现象

  一、地面塌陷分布特征

  地面塌陷在我国的分布发育具有一定的时间和空间规律性。

  岩溶塌陷主要分布于岩溶强烈及中等发育的覆盖型碳酸盐岩地区,长江以北,现代岩溶主要以溶蚀裂隙为主,岩溶地面塌陷大多集中在山区与平原的过渡地带,也分布有古代岩溶塌陷的痕迹——陷落柱;长江以南,地质构造多为紧密的褶皱和密集的断块,现代岩溶十分发育;

  采空塌陷广泛分布于我国各地的矿山及其周围地区,其中又以煤矿塌陷最为突出;

  黄土湿陷则主要分布于湿陷性黄土发育的地区。

  在时间上,近10-20年发育增多,尤其是近年来随着经济发展,地面塌陷也愈来愈多,危害也愈来愈大。

  ①岩溶强烈发育的可溶岩分布地带或沿其与非可溶岩的接触地带。

  ②沿可溶岩中的断裂带或主要裂隙交汇破碎带,岩层剧烈转折、破碎的地带

  ③松散盖层较薄且以砂土为主,其底部粘性土层缺失或甚薄的“天窗”地段;

  ④地下水的主通流带或岩溶管道上及排泄区

  ⑤地下水位在基岩面上下频繁波动的地带,或受排水影响强烈的降落漏斗中心及近侧地段;

  ⑥地下水位埋藏较浅的低洼地带

  ⑦临近河、湖、塘地表水体的近岸地带

  ⑧岩溶地下水位埋藏较浅的低洼地带。

  ⑨具有潜水和岩溶水含水层分布地带

  二、地面塌陷的形成条件

  1.岩土体内部条件

  ①地下存在空洞:地下存在空洞是地面塌陷发生的先决条件,地下空洞可分为天然洞穴和人工洞室两类。天然洞穴是由自然地质作用形成的,包括岩溶洞穴、土洞(黄土洞穴、红土洞穴、冻胀丘融化形成的土洞)。人工洞室是人工采掘活动所形成的,包括人防工程、地铁、隧道、蚀洞和采矿形成的地下巷道系统。

  ②洞穴围岩情况:地下洞穴的受力状况如同梁的受力,洞的顶板相当于承载上覆岩土体自重的梁,洞的两侧如同位于梁端的两个支点。是否发生塌陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱。

  一般而论,当洞穴埋藏深度与洞穴高度之比大于25:1时,洞顶上部就会形成三个变形特点不同的带,即冒落带、裂隙带和弯曲带。

  2.岩土体外部条件

  ①大气降水:降雨造成的渗水可以使洞顶覆岩的含水层增大,自重加大;下渗水流会湿润裂隙面,降低岩石块体间的抗滑阻力,从而引起洞顶和洞壁的进一步变形而失稳。

  ②水体侧向倒灌:河、湖近岸地带普遍分布着孔隙潜水与岩溶水组成的双层含水介质。汛期洪水位急剧上升的情况下,河、湖水将向地下水产生侧向倒灌,地下水位随之上升。这时岩溶地下水对洞隙上覆盖层土体产生正压力或使浮托力增大。在洪水位迅速回落时,岩溶地下水位回落快于潜水位,对洞隙上覆盖层的浮托力很快消减,通过洞隙开口处从潜水含水层向岩溶洞隙产生垂向的渗透潜蚀作用,在盖层中形成土洞进而扩展形成塌陷。

  ③地震:地震力可使洞顶覆岩以及洞壁的裂隙进一步扩大,引起岩层破裂、位移加剧;洞隙上覆松散饱水细粒物质发生“液化”,而形成地面塌陷。

  ④人为活动:人为激发活动主要表现在地面施加荷载、人为爆破、车辆振动、水库蓄放水的人工调节等。

  三、地面塌陷的危害

  1.对居民地的危害:地面塌陷会对房屋带来严重危害甚至毁灭性灾害。

  2.对基础设施的危害:引起路基不均匀沉降,严重会损毁铁路、公路和水利设施。

  3.破坏农田

  四、地面塌陷防治技术

  1.地面塌陷防治理念

  防治的关键是在掌握矿区和区域塌陷规律的前提下,对塌陷做出科学的评价和预测,即采取以早期预测、预防为主,治理为辅、防治相结合的办法。

  例如,对于采空区,在塌陷区形成之前,就采取超前治理防止措施,即在制定开采设计时,就考虑防治措施。

  2.地面塌陷的前兆

  ①地面形变:地面产生地鼓、小型垮塌、环形开裂等情况;

  ②建筑物:作响、形变、开裂等情况;

  ③井、泉:突然干枯或浑浊翻沙、水量突变等;

  ④植物变态(颜色、生命状况),动物惊恐等。

  地面塌陷指地表岩、土体在自然或人为因素作用下,向下陷落,并在地面形成塌陷坑(洞)的一种地质现象

  一、地面塌陷分类

  二、地面塌陷分布特征

  地面塌陷在我国的分布发育具有一定的时间和空间规律性。

  岩溶塌陷主要分布于岩溶强烈及中等发育的覆盖型碳酸盐岩地区,长江以北,现代岩溶主要以溶蚀裂隙为主,岩溶地面塌陷大多集中在山区与平原的过渡地带,也分布有古代岩溶塌陷的痕迹——陷落柱;长江以南,地质构造多为紧密的褶皱和密集的断块,现代岩溶十分发育;

  采空塌陷广泛分布于我国各地的矿山及其周围地区,其中又以煤矿塌陷最为突出;

  黄土湿陷则主要分布于湿陷性黄土发育的地区。

  在时间上,近10-20年发育增多,尤其是近年来随着经济发展,地面塌陷也愈来愈多,危害也愈来愈大。

  中国岩溶地面塌陷分区图

  ①岩溶强烈发育的可溶岩分布地带或沿其与非可溶岩的接触地带。

  ②沿可溶岩中的断裂带或主要裂隙交汇破碎带,岩层剧烈转折、破碎的地带

  ③松散盖层较薄且以砂土为主,其底部粘性土层缺失或甚薄的“天窗”地段;

  ④地下水的主通流带或岩溶管道上及排泄区

  ⑤地下水位在基岩面上下频繁波动的地带,或受排水影响强烈的降落漏斗中心及近侧地段;

  ⑥地下水位埋藏较浅的低洼地带

  ⑦临近河、湖、塘地表水体的近岸地带

  ⑧岩溶地下水位埋藏较浅的低洼地带。

  ⑨具有潜水和岩溶水含水层分布地带

  采空区塌陷

  湿陷性黄土塌陷

  三、地面塌陷的形成条件

  1.岩土体内部条件

  ①地下存在空洞:地下存在空洞是地面塌陷发生的先决条件,地下空洞可分为天然洞穴和人工洞室两类。天然洞穴是由自然地质作用形成的,包括岩溶洞穴、土洞(黄土洞穴、红土洞穴、冻胀丘融化形成的土洞)。人工洞室是人工采掘活动所形成的,包括人防工程、地铁、隧道、蚀洞和采矿形成的地下巷道系统。

  天然洞穴

  采矿巷道

  ②洞穴围岩情况:地下洞穴的受力状况如同梁的受力,洞的顶板相当于承载上覆岩土体自重的梁,洞的两侧如同位于梁端的两个支点。是否发生塌陷取决于顶板能够形成稳定的支撑拱。

  一般而论,当洞穴埋藏深度与洞穴高度之比大于25:1时,洞顶上部就会形成三个变形特点不同的带,即冒落带、裂隙带和弯曲带。

  2.岩土体外部条件

  ①大气降水:降雨造成的渗水可以使洞顶覆岩的含水层增大,自重加大;下渗水流会湿润裂隙面,降低岩石块体间的抗滑阻力,从而引起洞顶和洞壁的进一步变形而失稳。

  ②水体侧向倒灌:河、湖近岸地带普遍分布着孔隙潜水与岩溶水组成的双层含水介质。汛期洪水位急剧上升的情况下,河、湖水将向地下水产生侧向倒灌,地下水位随之上升。这时岩溶地下水对洞隙上覆盖层土体产生正压力或使浮托力增大。在洪水位迅速回落时,岩溶地下水位回落快于潜水位,对洞隙上覆盖层的浮托力很快消减,通过洞隙开口处从潜水含水层向岩溶洞隙产生垂向的渗透潜蚀作用,在盖层中形成土洞进而扩展形成塌陷。

  ③地震:地震力可使洞顶覆岩以及洞壁的裂隙进一步扩大,引起岩层破裂、位移加剧;洞隙上覆松散饱水细粒物质发生“液化”,而形成地面塌陷。

  ④人为活动:人为激发活动主要表现在地面施加荷载、人为爆破、车辆振动、水库蓄放水的人工调节等。

  四、地面塌陷的危害

  1.对居民地的危害:地面塌陷会对房屋带来严重危害甚至毁灭性灾害。

  居住地塌陷

  2.对基础设施的危害:引起路基不均匀沉降,严重会损毁铁路、公路和水利设施。

  地面塌陷引发的道路损毁

  3.破坏农田

  地面塌陷引发的农田损毁

  五、地面塌陷防治技术

  1.地面塌陷防治理念

  防治的关键是在掌握矿区和区域塌陷规律的前提下,对塌陷做出科学的评价和预测,即采取以早期预测、预防为主,治理为辅、防治相结合的办法。

  例如,对于采空区,在塌陷区形成之前,就采取超前治理防止措施,即在制定开采设计时,就考虑防治措施。

  2.地面塌陷的前兆

  ①地面形变:地面产生地鼓、小型垮塌、环形开裂等情况;

  ②建筑物:作响、形变、开裂等情况;

  ③井、泉:突然干枯或浑浊翻沙、水量突变等;

  ④植物变态(颜色、生命状况),动物惊恐等。

  六、岩溶塌陷的治理技术

  1.塌陷前预防措施

  ①查明洞穴分布,调查工作应在查明区域地质、水文地质背景的基础上,运用钻探和物探手段确定浅表洞穴的分布情况,并从危险性的角度进行分区。

  ②对已出现地面变形,但尚未塌陷的地点,要圈围出警戒区,及时撤离人员。

  ③拟建的以岩溶水为开采对象的供水源地布设地点,场地选择时,应事先进行致塌危险性的充分论证,并尽可能远离村镇和人口密集区。

  ④对分散开采的农村井机,应强调小流量小降深逐渐过渡到预定开采量的操作方法,以避免洞穴负压的形成。

  ⑤在可能出现塌陷的地段,要防止地表水的进入,对严重漏水的河溪、库塘进行铺底防漏或人工改道。

  ⑥加强对岩溶水位,尤其是地面变形的监测,要注意宣传,加强群测群报的工作。

  2.塌陷后治理措施

  ①地表水防水措施:防止地表水进入塌陷区,清理疏通河道,加速泄流,减少渗漏;对漏水的河、库、塘铺底防漏或人工改道;

  ②地下水控水措施:根据水资源条件,规划地下水开采层位、强度、时间,合理开采地下水,加强动态监测,对危险地段岩溶通道进行局部注浆或帷幕注浆处理。

  恢复地下水位:坑道堵水、停用抽水井和人工回灌补偿地下水。

  3.工程加固措施

  ①填堵法:一般用于塌陷坑较浅小情况的处理。

  用袋装黏土、粉质黏土或块径大于20cm的块石回填,上部2米覆土进行夯实处理,防治积水入渗造成垂向潜蚀。

  浅小塌陷坑填堵

  ②跨越法:适用于较深大的塌坑、土洞。

  对于直径小且深的单个塌陷坑,上部需承载,两端有稳定可靠地基时,可用钢筋混凝土板跨过,一般就地浇筑,也可做成周边固定的混凝土板;

  对于直径较大且深的单个塌陷坑,或直径小、密集的群体塌陷坑,两端有稳定岩土体且上部有较大负荷时,可用钢筋混凝土梁或板跨过,两端置于稳定地基上;

  既有建筑物的基础下,用顶进法将框架梁或涵洞顶进,梁或涵洞两端置于稳定地基上;

  对于深度大、跨越结构无法处理的塌陷坑,采用深基加固建筑物基础的方法。

  ③强夯法:用于消除土体厚度小,地质平坦的土洞。

  夯实坍塌后的松软土层和回填土以提高土体强度,消除软弱带。

  强夯法处理软弱土层

  ④注浆法:用于埋深较深的岩溶洞穴、溶蚀裂隙、溶沟等情况。

  通过钻机打孔至对应溶洞、裂隙中,把水泥浆液或其他化学浆液,采用加压泵送的方式,使浆液进入需要处理的层位。

  注浆法对松散的空隙进行填充处理,增强岩溶地基的承载能力并阻断地下水运移通道。浆液还会想溶蚀裂隙、溶沟、溶槽内灌注充填,阻断地表水与地下孔隙水、岩溶水的水力联系通道,防治岩土体在地下水流动中发生潜蚀作用引起坍塌等情况。

  注浆法治理示意图

  七、采空区地面塌陷的治理

  1.预防措施

  ①矿山开采前应结合开采方式、开采进度,运用采动理论估算不同开采期,地面变形的范围和程度,做出风险评估,必要时修改原有开采方式和流程。

  ②要明确禁采区和限采区,对地表重要建筑物、水库和城镇所在地要结合采深采厚和地质条件分析,拿出危害后果最小的开采方案。

  ③开采过程中要对不同区块的地面变形进行监测预报,及时撤离人员。

  ④矿坑排水设计必须考虑地面塌陷的可能地点、规模,避免单纯追求疏干工期的做法。

  ⑤改进井巷顶板管理方法,在条件允许的情况下,尽可能采用充填法。在一般情况下,为减少地面变形造成的损失,应留有足够数量的矿柱,而且禁止对矿柱的回采。

  2.治理措施

  ①对塌陷区进行土地平整恢复种植,积水洼地采用挖深垫浅,充填煤矸石再覆盖种植层等;

  塌陷区平整恢复种植

  ②利用塌陷区建立水产区,发展养殖产业,是充分利用环境发展改善生态的综合治理措施;

  塌陷区水产养殖

  ③采矿过程中,使用“减塌技术和措施”,减少矿区的地面塌陷范围、深度,延缓塌陷时间进程,减轻塌陷危害程度。

  五、岩溶塌陷的治理技术

  1.塌陷前预防措施

  ①查明洞穴分布,调查工作应在查明区域地质、水文地质背景的基础上,运用钻探和物探手段确定浅表洞穴的分布情况,并从危险性的角度进行分区。

  ②对已出现地面变形,但尚未塌陷的地点,要圈围出警戒区,及时撤离人员。

  ③拟建的以岩溶水为开采对象的供水源地布设地点,场地选择时,应事先进行致塌危险性的充分论证,并尽可能远离村镇和人口密集区。

  ④对分散开采的农村井机,应强调小流量小降深逐渐过渡到预定开采量的操作方法,以避免洞穴负压的形成。

  ⑤在可能出现塌陷的地段,要防止地表水的进入,对严重漏水的河溪、库塘进行铺底防漏或人工改道。

  ⑥加强对岩溶水位,尤其是地面变形的监测,要注意宣传,加强群测群报的工作。

  2.塌陷后治理措施

  ①地表水防水措施:防止地表水进入塌陷区,清理疏通河道,加速泄流,减少渗漏;对漏水的河、库、塘铺底防漏或人工改道;

  ②地下水控水措施:根据水资源条件,规划地下水开采层位、强度、时间,合理开采地下水,加强动态监测,对危险地段岩溶通道进行局部注浆或帷幕注浆处理。

  恢复地下水位:坑道堵水、停用抽水井和人工回灌补偿地下水。

  3.工程加固措施

  ①填堵法:一般用于塌陷坑较浅小情况的处理。

  用袋装黏土、粉质黏土或块径大于20cm的块石回填,上部2米覆土进行夯实处理,防治积水入渗造成垂向潜蚀。

  浅小塌陷坑填堵

  ②跨越法:适用于较深大的塌坑、土洞。

  对于直径小且深的单个塌陷坑,上部需承载,两端有稳定可靠地基时,可用钢筋混凝土板跨过,一般就地浇筑,也可做成周边固定的混凝土板;

  对于直径较大且深的单个塌陷坑,或直径小、密集的群体塌陷坑,两端有稳定岩土体且上部有较大负荷时,可用钢筋混凝土梁或板跨过,两端置于稳定地基上;

  既有建筑物的基础下,用顶进法将框架梁或涵洞顶进,梁或涵洞两端置于稳定地基上;

  对于深度大、跨越结构无法处理的塌陷坑,采用深基加固建筑物基础的方法。

  ③强夯法:用于消除土体厚度小,地质平坦的土洞。

  夯实坍塌后的松软土层和回填土以提高土体强度,消除软弱带。

  强夯法处理软弱土层

  ④注浆法:用于埋深较深的岩溶洞穴、溶蚀裂隙、溶沟等情况。

  通过钻机打孔至对应溶洞、裂隙中,把水泥浆液或其他化学浆液,采用加压泵送的方式,使浆液进入需要处理的层位。

  注浆法对松散的空隙进行填充处理,增强岩溶地基的承载能力并阻断地下水运移通道。浆液还会想溶蚀裂隙、溶沟、溶槽内灌注充填,阻断地表水与地下孔隙水、岩溶水的水力联系通道,防治岩土体在地下水流动中发生潜蚀作用引起坍塌等情况。

  六、采空区地面塌陷的治理

  1.预防措施

  ①矿山开采前应结合开采方式、开采进度,运用采动理论估算不同开采期,地面变形的范围和程度,做出风险评估,必要时修改原有开采方式和流程。

  ②要明确禁采区和限采区,对地表重要建筑物、水库和城镇所在地要结合采深采厚和地质条件分析,拿出危害后果最小的开采方案。

  ③开采过程中要对不同区块的地面变形进行监测预报,及时撤离人员。

  ④矿坑排水设计必须考虑地面塌陷的可能地点、规模,避免单纯追求疏干工期的做法。

  ⑤改进井巷顶板管理方法,在条件允许的情况下,尽可能采用充填法。在一般情况下,为减少地面变形造成的损失,应留有足够数量的矿柱,而且禁止对矿柱的回采。

  2.治理措施

  ①对塌陷区进行土地平整恢复种植,积水洼地采用挖深垫浅,充填煤矸石再覆盖种植层等;

  塌陷区平整恢复种植

  ②利用塌陷区建立水产区,发展养殖产业,是充分利用环境发展改善生态的综合治理措施;

  塌陷区水产养殖

  ③采矿过程中,使用“减塌技术和措施”,减少矿区的地面塌陷范围、深度,延缓塌陷时间进程,减轻塌陷危害程度。


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