CN109029343B - 一种确定未知采空区范围和老采空区残余沉降的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高速铁路地质灾害技术领域，具体涉及一种确定未知采空区范围和老采空区残余沉降的方法，先收集采空区相关资料如周边煤层分布、采掘和压覆资源情况，再绘制沉降云图，并确定疑似采空区范围；对疑似采空区范围采用PSP‑InSAR形变测量技术进行处理，对于InSAR技术测量所圈定的疑似存在采空区区域，如果物探技术手段也测出了采空区异常，则可初步确定该区域下方存在采空区并进行钻探，并对钻探取出的试样，进行室内物理力学试验，获取采空区上覆各地层的力学参数，为后续建模做准备；最后进行精确建模，数值分析结果与InSAR的沉降结果进行相互验证，最终得出老采空区的影响范围及残余沉降，该方法设计科学，测量结果准确，应用环境友好，市场前景广阔。

Description

一种确定未知采空区范围和老采空区残余沉降的方法

技术领域：

本发明属于高速铁路地质灾害技术领域，具体涉及一种确定未知采空区范围和老采空区残余沉降的方法。

背景技术：

国外较早开始了采空区沉降的研究与观测工作，特别是比利时、前苏联、波兰、德国、澳大利亚、加拿大、美国等采矿业发达国家对开采沉陷理论和实践都进行了较深入研究。早在1867年德国工程师

A.Schulz就提出了破裂角和保护地表必要支柱尺寸的观点，此后各国逐步对开采沉陷进行系统测量、观测，英国自1930年开始了移动变形的观测并于1950年发现了观测和地表变形之间关系的重要性，建立了不同采动程度下的下沉系数修正体系。学者K.Wardell改进了沉陷观测的方法，并对开采沉陷的理论方面也做出了巨大贡献。

随着计算机技术发展及3S(地理信息系统、遥感和全球定位系统)技术的广泛应用，将新技术应用于开采沉陷观测与数据处理也成为国际上普遍研究的一个重要方面。B.N.Whittaker、D.J.Reddish和D.Fitzpatrick等采用计算机程序计算了长壁式工作面采煤沉陷的地表应力模式。S.Falcón，L.Gavete和A.Ruiz使用DHH程序模拟了开采沉陷问题，程序可处理所采集的数据并确定地表下沉和水平移动量，以此确定其对周围建筑物的影响。德国将数字摄影测量技术和遥感等技术手段应用到鲁尔矿区的开采沉陷数据采集和处理。“差分干涉测量在城市中应用”项目运用了欧洲航天局的数据，首次将合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术用于检测和评估开采所导致的地表变形。在国内，从20世纪50年代开始，中国矿业大学、科学技术研究院等所及企业，从理论和实践两方面开始深入的研究采空区引起的地面沉降规律，研究重点主要集中在残余沉降监测、残余沉降分析以及数值模拟预测采空区等这几个方面。紧接着之后的十年，我们国家开始进行相似材料模拟研究；同时，采空引起的地面沉降规律可以借助各种数学描述语言绘制出地表下沉曲线、地表水平位移曲线，这样能更形象的展示变化过程；在数值模拟方法的应用方面，有限元法、离散单元法、边界元法等计算方法应用非常广泛。

采空区沉降研究的在铁路建设方面应用广泛，铁路国家规范中对于采空区需规避，不允许通过。但随着国家高速铁路的建设飞速发展和城市用地日渐紧张，越来越多的高速铁路规划无法避免的需要穿越采空区。由于诸多采空区开采时间久远并已停采多年，开采资料和沉降监测数据缺失，并且存在较多的私人开采的小煤窑，无法确认采空区分布范围以及残余沉降。高速铁路穿越了煤矿老采空区、小煤窑挖采区等不良地质区，有发生地质灾害的潜在风险。高速铁路路基沉降控制标准高，为避免给拟建高速铁路带来安全隐患，因此必须根据采空区范围以及残余沉降对高速铁路下伏采空区的稳定性进行评价。

现有技术中对采空区范围和残余沉降的评价通常仅仅通过钻孔和物探进行采空区判断，因此其仅适合确定小范围的采空区，而且钻孔和物探对象较为盲目没有针对性。因此，设计一种确定未知采空区的范围和老采空区的残余沉降的方法，该方法能够提供一种多手段、全方位、经济可行的高速铁路沿线采空区勘察及残余沉降的计算方法，为采空区的稳定性评价提供依据。

发明内容：

本发明解决的问题针对的是高速铁路沿线大范围的区域内的采空区范围以及残余沉降的计算，设计一种确定未知采空区范围和老采空区残余沉降的方法，结合多种技术手段，由大到小、由浅入深的分层次逐步确定采空区范围，并依据钻探和室内物理力学试验结果，对采空区所在的地区进行精细化数值模拟，获得沉降规律及残余沉降云图，高速铁路线路规划应规避残余沉降较大的区域或对采空区采取加固治理。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种确定未知采空区范围和老采空区残余沉降的方法的具体操作步骤按照如下方式进行：

S1、收集采空区相关资料如周边煤层分布、采掘和压覆资源情况，收集与调查采空区已有建筑的勘察、设计、施工资料，对其危害程度和发展趋势进行判断，初步划定采空区存在的大体范围；对于正规煤矿其相关资料比较齐全，而对于私人开采，偷采的煤矿其资料比较有限，而往往这种私采煤矿其支护方式以及开采方式比较简陋和粗暴，因此其产生的采空区残余沉降比较大，其施工风险较大，本方法特别适用于开采资料不全和私人煤矿较多的区域；

S2、采用InSAR技术对高速铁路沿线区域进行沉降监测，得出沉降云图，圈定年沉降量大于10mm的区域，对这些区域进行踏勘，排除地面建筑施工和人为因素造成较大沉降的区域，其余区域为疑似采空区范围；

对疑似采空区范围采用PSP-InSAR形变测量技术进行处理，由于PS点之间存在共同的相位特性，PSP方法通过连接相位特性相同的像素点对，建立PS网格，并对网格进行不断扩建，在SAR图像中最终选出PS点集合，由于PSP算法是通过比较PS点对之间的相位特性来选择PS点，它对预估形变模型的依赖程度降低，在非城市区域也能选出更多的PS点，该方法在实际应用过程中有更强的实用性；

S3、针对InSAR技术所测得高速铁路沿线的疑似采空区范围，并根据各岩土层物性参数(如介电常数、电导率、波阻抗等)存在的明显差异，综合运用浅层地震和高密度电法勘探结果对地下岩土体进行解译分析,对于InSAR技术测量所圈定的疑似存在采空区区域，如果物探技术手段也测出了采空区异常，则可初步确定该区域下方存在采空区；

由于地质条件的复杂性以及物探方法的多解性，采用单一的物探方法难以完成采空区的精确探测，通过对高铁沿线采空区的初步勘探，得出该区域岩土体的成份、厚度以及采空区可能出现充水、充泥的程度，会使岩、土体的物理性质参数(如波阻抗、介电常数、电导率等)存在明显差异，从而会形成明显的波阻抗界面及电性界面，用以作为进行震映像法和高密度电阻率法勘探的物理前提；

S4、对于S3中初步圈定的高速铁路沿线的采空区范围，进行钻探，根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044—2014)采用追索和穿越法布置勘探线，布线与拟选线路、矿区范围正交或斜交，同时选取部分物探异常点布置钻孔，钻探钻到采空区底部，并测出现在的采空区存在的剩余厚度；然后再对初步圈定的采空区范围做包括标准贯入试验、重型动力触探试验在内的测试方法综合取值，并对钻探取出的试样，进行室内物理力学试验，获取采空区上覆各地层的力学参数，为后续建模做准备；

S5、根据S4中钻探、室内试验确定的土层参数及现有采空区厚度，并结合InSAR技术和物探确定的采空区存在范围，精确建模，数值分析结果与InSAR的沉降结果进行相互验证，最终得出老采空区的影响范围及残余沉降。

进一步的，为确保S3中采集的数据的准确性，在数据处理时要注意剔除由于车流的震动、测线长度的限制在内的因素影响对异常的判定及中心位置的定位产生的的影响而产生的错误数据。

进一步的，本发明中S5中进行精确建模的方式按照如下步骤进行：

(1)详细分析大盘井采空区工程地质勘察资料，划定大盘井采空区开采地层变形分析的建模范围；

(2)运用MIDAS/GTS﹣FLAC3D^5.0耦合建模技术，建立采空区三维数值模型；

(3)对三维数值模型进行校验后，对地层变形及地表沉降规律进行数值计算分析；

(4)从煤矿开挖完后，进行数值模拟计算，当其采空区剩余高度等于钻探所获取的现有采空区高度，且其计算所得沉降值和沉降范围与InSAR技术所监测的沉降结果相似时，则认为数值模拟计算至现在的采空区状态，因此，继续计算所得的沉降大小及范围则为该采空区的现有残余沉降。

本发明与现有技术相比取得的有益效果如下：充分利用实际监测的沉降资料得到沉降实测曲线，并与沉降计算曲线进行拟合，通过拟合结果采用反分析法来计算岩体参数，而不直接使用勘察实测得到的初始岩体参数，使得发分析所得到的岩体参数更接近真实的岩体参数，能够更准确的反映岩体的真实特性，充分利用实际监测的沉降资料得到沉降实测曲线，并与沉降计算曲线进行拟合，通过拟合结果采用反分析法来计算岩体参数，而不直接使用勘察实测得到的初始岩体参数，使得发分析所得到的岩体参数更接近真实的岩体参数，能够更准确的反映岩体的真实特性；能够提供一种多手段、全方位、经济可行的高速铁路沿线采空区勘察及残余沉降的计算方法，为采空区的稳定性评价提供切实准确的依据，能够准确反映岩体的实际特性与变化规律，并能够对老采空区沉降以及地面塌陷的发展、演化过程进行准确预测。

附图说明:

图1为本发明涉及的确定未知采空区的范围和老采空区的残余沉降的方法的工艺流程图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

为了更好地阐述本发明，本实施例以某条高速铁路穿越采空区前的选线及可行性研究为例来对本发明所述的方法做进一步说明，本实施例涉及的确定未知采空区的范围和老采空区的残余沉降的方法具体按照如下步骤进行：

S1、收集采空区相关资料

收集煤矿有关矿产地质勘查、煤矿资源开采利用及采空区、采空区地表岩层移动、沉陷监测历史资料，具体收集资料如下：

①地质采矿情况：开采边界，开采深度，煤层赋存情况及厚度，开采方法，顶板管理方法，顶底板及上覆岩层岩性情况和资料；

②开采沉陷相关情况：岩层与地表移动观测和参数、开采过程中地表沉陷情况和资料；

③图件与报告资料：(大盘井采区)采掘工程平面图、地质采矿报告、地质钻孔综合柱状图或代表性钻孔柱状图、采区初始开采时上报的开采报告或批件；

根据上述资料对踩空区的危害程度和发展趋势作出判断，初步划定采空区存在的范围；

S2、采用InSAR技术对高速铁路沿线区域进行沉降监测，得出沉降云图，选择意大利高分辨率雷达卫星COSMO-SkyMedX波段高分雷达遥感卫星采用降轨右视的数据轨道方式进行沉降监测，保证处理的数据至少每月度更新一次，采用PS-InSAR数据处理算法对采空区及周边长时间间隔SAR干涉图上保持有高相干特性的地面目标点，即PS点，散射特性比较稳定的点，通常分布在植被稀少区，对应着包括建筑、公路、水利在内的设施，相位变化进行数据处理，分析沉降区沉降情况；

对疑似采空区范围采用PSP-InSAR(永久散射体合成孔径雷达干涉测量)形变测量技术进行处理，由于PS点之间存在共同的相位特性，PSP算法通过连接相位特性相同的像素点对，建立PS网格，并对网格进行不断扩建，在SAR图像中最终选出PS点集合，由于PSP算法是通过比较PS点对之间的相位特性来选择PS点，对预估形变模型的依赖程度降低，在非城市区域也能选出更多的PS点；

根据获得的沉降云图确定沉降云图中年沉降量大于10mm的区域，对这些区域进行踏勘，排除地面建筑施工和人为因素造成的较大沉降区域，其余区域为初步确定的疑似采空区范围；

S3、针对InSAR技术所测得疑似采空区范围，并根据各岩土层物性参数(如介电常数、电导率、波阻抗等)存在的明显差异，综合运用浅层地震和高密度电法勘探结果对地下岩土体进行解译分析，并根据得到的异常信号，确定该区域下方存在采空区，并把采空区范围圈定出来；综合采用地震映像法和高密度电阻率法，勘探工作执行中华人民共和国行业标准《城市工程地球物理探测规范》GJJ7-2007，涉及的工艺步骤如下：

(1)地震映象法试验针对高速铁路沿线疑似采空区范围，采用12～24道展开排列，道间距5m，用18磅锤和40kg铁球锤击激发，地震映象的最佳偏移距为5m；

(2)高密度电阻率法试验时一次布设60个电极，点距10m，选取对称四极测深(施仑贝谢尔)、温纳装置进行试验，试验内容包括最大供电极距、供电电压、供电时间、探测深度、探测数据的一致性；

(3)数据采集及处理：

地震映像法数据采集：针对疑似采空区范围，垂直于高速铁路线路每隔10m做一地震映像剖面，各剖面选择P波COD(共偏移距)反射波法进行观测，偏移距5m，点距5m，采样间隔0.5ms，采样点数2048；震源采用40kg铁球或18磅铁锤，敲击钢板激震；地震映像采集数据经连续剖面连接、滤波、增益均衡等处理后，绘制出COD波形剖面图(地震映像图)备用；

高密度电阻率法数据采集：针对疑似采空区范围，垂直于高速铁路线路每隔10m做一剖面，各剖面采用对称四极测深(施仑贝谢尔)、温纳装置采集两次数据；高密度电阻率法经过对数据的排序、剔除及滤波，然后绘制成视电阻率等值线图；

S4、对于初步圈定的采空区范围，根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044—2014)采用追索和穿越法布置勘探线，布线与拟选线路、矿区范围正交或斜交，同时选取部分物探异常点布置钻孔，钻探钻到采空区底部，并测出现在的采空区存在的剩余厚度，然后在采空区做包括标准贯入试验、重型动力触探试验在内的测试方法综合取值，并对钻探取出的试样，进行室内物理力学试验，获取采空区上覆各地层的力学参数，为后续建模做准备，具体钻探方式按照如下步骤进行：

野外钻探采用对钻取的土(岩)芯进行描述、分层，获取地下钻探深度范围内各地层的岩性、厚度、工程地质特征及地下水埋藏情况，在现场做标准贯入试验、重型动力触探试验，取岩、土样进行岩土物理力学性质测试试验，以综合获取各岩土层的物理、力学性质指标，取岩、土样的要求为土试样取样时用敞口取土器用重锤少击法取样，岩样用双动双管回转取土器回转法取样，扰动样从岩(土)芯中截取，水样从钻孔内用玻璃瓶采取；

S5、根据钻探、室内试验确定的土层参数及现有采空区厚度，并结合InSAR技术和物探确定的采空区存在范围，精确建模，数值分析结果与InSAR的沉降结果进行相互验证，最终得出老采空区的影响范围及残余沉降。

进一步的，为确保S3中采集的数据的准确性，在数据处理时要注意剔除由于车流的震动、测线长度的限制在内的因素影响对异常的判定及中心位置的定位产生的的影响而产生的错误数据。

进一步的，本实施例中S5中进行精确建模的方式按照如下步骤进行：

(1)详细分析大盘井采空区工程地质勘察资料，划定大盘井采空区开采地层变形分析的建模范围；

(2)运用MIDAS/GTS﹣FLAC3D^5.0耦合建模技术，建立采空区三维数值模型；

(3)对三维数值模型进行校验后，对地层变形及地表沉降规律进行数值计算分析；

(4)从煤矿开挖完后，进行数值模拟计算，当其采空区剩余高度等于钻探所获取的现有采空区高度，且其计算所得沉降值和沉降范围与InSAR技术所监测的沉降结果相似时，则认为数值模拟计算至现在的采空区状态，因此，继续计算所得的沉降大小及范围则为该采空区的现有残余沉降。

Claims (4)

1.一种确定未知采空区范围和老采空区残余沉降的方法，其特征在于具体操作步骤按照如下方式进行：

S1、收集采空区相关资料如周边煤层分布、采掘和压覆资源情况，收集与调查采空区已有建筑的勘察、设计、施工资料，对其危害程度和发展趋势进行判断，初步划定采空区存在的大体范围；

S2、采用InSAR技术对高速铁路沿线区域进行沉降监测，得出沉降云图，圈定年沉降量大于10mm的区域，对这些区域进行踏勘，排除地面建筑施工和人为因素造成较大沉降的区域，其余区域为疑似采空区范围；

对疑似采空区范围采用PSP-InSAR形变测量技术进行处理，由于PS点之间存在共同的相位特性，PSP方法通过连接相位特性相同的像素点对，建立PS网格，并对网格进行不断扩建，在SAR图像中最终选出PS点集合，由于PSP算法是通过比较PS点对之间的相位特性来选择PS点，它对预估形变模型的依赖程度降低，在非城市区域也能选出更多的PS点，该方法在实际应用过程中有更强的实用性；

S3、针对InSAR技术所测得高速铁路沿线的疑似采空区范围，并根据各岩土层物性参数存在的明显差异，综合运用浅层地震和高密度电法勘探结果对地下岩土体进行解译分析,对于InSAR技术测量所圈定的疑似存在采空区区域，如果物探技术手段也测出了采空区异常，则可初步确定该区域下方存在采空区；

S4、对于S3中初步圈定的高速铁路沿线的采空区范围，进行钻探，根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044—2014)采用追索和穿越法布置勘探线，布线与拟选线路、矿区范围正交或斜交，同时选取部分物探异常点布置钻孔，钻探钻到采空区底部，并测出现在的采空区存在的剩余厚度；然后再对初步圈定的采空区范围做包括标准贯入试验、重型动力触探试验在内的测试方法综合取值，并对钻探取出的试样，进行室内物理力学试验，获取采空区上覆各地层的力学参数，为后续建模做准备；

S5、根据S4中钻探、室内试验确定的土层参数及现有采空区厚度，并结合InSAR技术和物探确定的采空区存在范围，精确建模，数值分析结果与InSAR的沉降结果进行相互验证，最终得出老采空区的影响范围及残余沉降。

2.根据权利要求1所述的一种确定未知采空区范围和老采空区残余沉降的方法，其特征在于为确保步骤S3中采集的数据的准确性，在数据处理时要注意剔除由于车流的震动、测线长度的限制在内的因素影响对异常的判定及中心位置的定位产生的的影响而产生的错误数据。

3.根据权利要求1所述的一种确定未知采空区范围和老采空区残余沉降的方法，其特征在于由于地质条件的复杂性以及物探方法的多解性，采用单一的物探方法难以完成采空区的精确探测，通过对高铁沿线采空区的初步勘探，得出该区域岩土体的成份、厚度以及采空区可能出现充水、充泥的程度，会使岩、土体的物理性质参数存在明显差异，从而会形成明显的波阻抗界面及电性界面，用以作为进行震映像法和高密度电阻率法勘探的物理前提。

4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的一种确定未知采空区范围和老采空区残余沉降的方法，其特征在于步骤S5中进行精确建模的方式按照如下步骤进行：

(1)详细分析大盘井采空区工程地质勘察资料，划定大盘井采空区开采地层变形分析的建模范围；

(2)运用MIDAS/GTS﹣FLAC3D^5.0耦合建模技术，建立采空区三维数值模型；

(3)对三维数值模型进行校验后，对地层变形及地表沉降规律进行数值计算分析；

(4)从煤矿开挖完后，进行数值模拟计算，当其采空区剩余高度等于钻探所获取的现有采空区高度，且其计算所得沉降值和沉降范围与InSAR技术所监测的沉降结果相似时，则认为数值模拟计算至现在的采空区状态，因此，继续计算所得的沉降大小及范围则为该采空区的现有残余沉降。

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