晋城某住宅小区煤矿采空区地基注浆处治及其效果评价.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 娄梦梦 指导教师 顿志林 任连伟 学位类别 工学硕士 专业名称 土木工程 研究方向 岩土工程 河南理工大学土木工程学院河南理工大学土木工程学院 二○一八二○一八年年六六月月 晋城某住宅小区煤矿采空区地基晋城某住宅小区煤矿采空区地基注浆处治注浆处治 及其效果评价及其效果评价 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TU472.6 密密 级公开级公开 UDC 624 单位代码单位代码 10460 晋城某住宅小区煤矿采空区地基注浆 处治及其效果评价 uation on Ground Grouting Treatment in one Jincheng Coal Mine Goaf 申请人姓名申请人姓名 娄梦梦娄梦梦 学 位 类 别学 位 类 别 工学硕士工学硕士 专 业 名 称专 业 名 称 土木工程土木工程 研 究 方 向研 究 方 向 岩土工程岩土工程 导师导师 顿志林顿志林 职职称称 教教 授授 任连伟任连伟 副副 教教 授授 提 交 日 期提 交 日 期 2018.03 答 辩 日 期答 辩 日 期 2018.06 河南理工大学 万方数据 致谢致谢 光阴似箭，日月如梭，三年的研究生涯如白驹过隙般匆匆走过，毕业的气息 伴随着论文的终结也逐渐变得浓厚起来。回首过往的点点滴滴，求学路上所发生 的一切使我至今难忘，同时也倍感珍惜。难以忘怀老师对我的谆谆教诲，倍感珍 惜师兄、师弟、师姐、师妹等同门间的不舍情谊，以及爸爸妈妈和室友们对我细 致入微的照顾。一路走来，向所有给予我帮助的人道一声谢谢 首先，感谢我的导师顿志林教授。从 2015 年 9 月份入学至今，顿老师严谨、 认真的治学态度，执着、不懈的科研精神深深影响着我。在三年的研究生涯中给 了我莫大的启迪与无私的帮助，使我在平时的学习生活中收获良多。在大小论文 的反复修改过程中， 认真把关， 不遗余力的帮助我， 最终得以顺利的毕业。 在此， 向顿老师表示感谢，祝老师身体健康，生活幸福，桃李满天下 其次，感谢任连伟老师和何停印老师。在论文的撰写过程中，两位老师积极 的帮助我寻找相关资料来完善、充实我的论文。从研二上学期的开题、下学期的 中期到研三的最终答辩， 两位老师都对我的论文进行了耐心的指导， 并对此提出 合理的建议。在此，向任老师、何老师表示衷心的感谢，祝两位老师工作顺利， 幸福美满，万事胜意 感谢我的同门师兄王星宇、宋超强，感谢师妹王伟、沈雪萍，谢谢你们对我 三年来情同手足的帮助，我会永远记住你们的。感谢周桂林、张以龙同学，谢谢 你们对我的论文所提供的建议与思路。 感谢朱威权同学不辞辛苦帮我完成论文试 验部分。感谢我的室友们及所有帮助过我的同学，谢谢你们 特别感谢我的爸爸妈妈，在我漫长的求学道路上， 你们始终是我身后无言的 支持，是你们给了我一个良好的学习环境，让我全身心的投入到学习研究中，在 我孤独、沮丧、徘徊时，给我方向，为我排忧解难。在这里，感谢为我辛苦付出 的爸爸妈妈，祝福你们健康长寿，子孙满堂，生活幸福 最后， 衷心的感谢审阅我论文的诸位专家学者， 是你们在百忙之中抽出时间 研读我的论文并对此提出宝贵的意见，谢谢你们 万方数据 I 摘摘 要要 随着中国城镇化进程的快速推进，建设用地日益紧张，煤矿采空区场地越来 越多的被应用于工程建设，煤矿采空区地基注浆加固处治成为重要课题。本文以 晋城某住宅小区煤矿采空区场地为工程背景，研究了煤矿采空区地基注浆处治及 其效果评价。主要研究内容和结论如下 （1）对晋城某住宅小区地基稳定性进行评价，为进一步设计注浆处治工程方 案提供理论依据。通过稳定性评价分析，得到了 1楼、2楼和 5楼需考虑 3煤层 采空区对地基稳定性的影响。 （2）总结了采空区建筑地基沉降变形 S 与采空区建筑地基地层压缩沉降变形 S1、采空区场地剩余沉降变形 S2和采空区地基“活化”沉降变形 S3间的关系，即 SS1S2S3。设计了该住宅小区注浆处治方案，计算了注浆范围、注浆深度和注浆 工作量；确定了钻孔布设数量和位置，选择了合适的成孔工艺、制浆工艺和注浆 工艺。 （3）通过室内配比试验得到，该住宅小区地基下伏 3煤层采空区的垮落断裂 区域采用水泥粉煤灰浆液进行注浆处治，其注浆孔选取水固比 11.1、固相比 37； 帷幕孔选取水固比 11.21.3、固相比 37，添加 2水玻璃效果更好。3煤层采空 区的空化区域采用水泥粉煤灰砂细石浆液进行注浆处治，其水胶比 0.5、砂率 0.4。 （4）利用综合物探、钻探和地表变形监测等方法对注浆效果进行评价，得出 了 3煤层采空区的垮落断裂区域和富水区域浆材充填效果好， 浆液充填率为 98， 结石率为 89，结石体抗压强度为 4.02 MPa，注浆效果满足设计要求。注浆处治 后地表累积沉降量明显降低，变化趋势随时间增长而趋于稳定。 关键词关键词采空区地基；稳定性评价；注浆处治；室内试验；质量检测 万方数据 II 万方数据 III Abstract With the rapid progress of Chinas urbanization process, the construction land is increasingly tense, and more and more coal mine goaf sites are applied to engineering construction. The treatment of ground grouting and reinforcement in coal mine goaf has become an important issue. This paper takes the site of the coal mine goaf in a residential district of Jincheng as the engineering background, studies the uation on ground grouting treatment in coal mine goaf. The main contents and conclusions are as follows 1 uate the foundation stability of a residential quarter in Jincheng, so as to provide a theoretical basis for further design of grouting treatment project. Through stability uation and analysis, it is concluded that the influence of 3 coal mine goaf on foundation stability should be considered in 1 building, 2 building and 5 building. 2 The law of the subsidence deation of the basement of the goaf is S and the compression settlement of the basement of the goaf is S1, the residual settlement deation of the goaf is S2 and the “activated“ settlement deation of the goaf foundation is S3, so SS1S2S3. Designed the grouting treatment scheme, calculated the grouting range, depth and works, determined the number and position of the drill hole layout, selected the suitable hole ing process, pulping process and grouting process. 3 Through the indoor ratio test, it is found that cement fly ash slurry is used for grouting treatment in the collapse area of the 3 coal mine goaf in the subsoil of the residential district. The grouting hole is selected as water solid ratio 11.1 and solid ratio 37, the curtain hole is selected as water solid ratio 11.21.3 and solid ratio 37, adding 2 water glass is better. The cavitation area of 3 coal mine goaf is treated by grouting with cement fly ash and fine aggregate slurry, the water binder ratio is 0.5 and sand rate is 0.4. 4 Using comprehensive geophysical prospecting, drilling and surface deation monitoring s to uate the grouting, it is concluded that the filling is good, the filling rate of slurry is 98, the stone rate is 89, the compressive strength of the stone body is 4.02 MPa, and the grouting meets the design requirements of the 3 万方数据 IV coal seam goaf. The cumulative settlement of ground surface decreased obviously after grouting, and the trend of change increased with time. Keywords goaf foundation; stability uation; grouting treatment; indoor test; quality inspection 万方数据 V 目目 录录 摘要摘要 ................................................................................................................................................ ⅠⅠ 目录目录 ................................................................................................................................................ ⅤⅤ 1 绪论绪论 .............................................................................................................................................. 1 1.1 研究背景 ................................................................................................................................... 1 1.2 煤矿采空区地基处治研究现状 .............................................................................................. 2 1.2.1 采空区地基稳定性研究现状 ...................................................................................................................... 2 1.2.2 注浆技术研究现状 ...................................................................................................................................... 3 1.2.3 注浆检测研究现状 ...................................................................................................................................... 4 1.3 研究目的 ................................................................................................................................... 6 1.4 研究内容 ................................................................................................................................... 6 1.5 技术路线 ................................................................................................................................... 6 2 工程背景工程背景 ...................................................................................................................................... 9 2.1 工程概况 ................................................................................................................................... 9 2.2 气象水文特征 ......................................................................................................................... 10 2.3 工程地质特征 ......................................................................................................................... 11 2.3.1 地形地貌 ..................................................................................................................................................... 11 2.3.2 地层岩性 ..................................................................................................................................................... 11 2.3.3 地质构造 ..................................................................................................................................................... 12 2.3.4 水文地质 ..................................................................................................................................................... 13 2.4 采空区分布特征 ..................................................................................................................... 14 3 采空区采空区地基稳地基稳定性分析定性分析 ........................................................................................................... 15 3.1 地基稳定性计算 ..................................................................................................................... 15 3.2 采空区地基稳定性评价 ........................................................................................................ 18 3.3 本章小结 ................................................................................................................................. 19 4 采空区采空区地基地基注浆处治方案注浆处治方案 ....................................................................................................... 21 万方数据 VI 4.1 采空区地基注浆设计 ............................................................................................................ 21 4.1.1 注浆处治目的 ............................................................................................................................................ 21 4.1.2 注浆方案 .................................................................................................................................................... 22 4.2 注浆材料室内配比试验 ........................................................................................................ 22 4.2.1 试验目的 .................................................................................................................................................... 22 4.2.2 试验设备 .................................................................................................................................................... 22 4.2.3 试验材料 .................................................................................................................................................... 23 4.2.4 试验步骤 .................................................................................................................................................... 27 4.2.5 试验结果分析 ............................................................................................................................................ 30 4.3 注浆范围和深度计算 ............................................................................................................ 40 4.4 注浆工作量计算..................................................................................................................... 41 4.5 钻孔布设 ................................................................................................................................. 42 4.6 注浆结束标准 ......................................................................................................................... 43 4.7 采空区地基注浆施工工艺 .................................................................................................... 44 4.7.1 成孔工艺 .................................................................................................................................................... 44 4.7.2 制浆工艺 .................................................................................................................................................... 45 4.7.3 注浆工艺 .................................................................................................................................................... 46 4.8 本章小结 ................................................................................................................................. 47 5 采空区地基注浆处治工程检测采空区地基注浆处治工程检测 ............................................................................................... 49 5.1 注浆检测方法 ......................................................................................................................... 49 5.1.1 综合物探检测 ............................................................................................................................................ 50 5.1.2 钻探检测 .................................................................................................................................................... 57 5.1.3 地表变形监测 ............................................................................................................................................ 57 5.2 注浆检测结果分析 ................................................................................................................ 58 5.2.1 综合物探检测结果分析 ........................................................................................................................... 58 5.2.2 钻探检测结果分析.................................................................................................................................... 62 5.2.3 地表变形监测结果分析 ........................................................................................................................... 64 5.3 综合检测结果分析 ................................................................................................................ 66 5.4 本章小结 ................................................................................................................................. 67 6 结论与展望结论与展望 ................................................................................................................................ 69 万方数据 VII 6.1 结论 ......................................................................................................................................... 69 6.2 展望 ......................................................................................................................................... 69 参考文献参考文献 ........................................................................................................................................ 71 作者作者简历简历 ........................................................................................................................................ 77 学位学位论文数据集论文数据集 ........................................................................................................................... 79 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景 煤矿采空区是指地下煤层被开采后所遗留下来的空洞区域及其围岩由于应力 状态改变发生失稳变形进而产生位移、开裂、破碎、垮落，直至上覆岩层整体弯 曲、下沉所引起的地表变形与破坏的地区及范围[1]。 我国是产煤大国，煤炭储量丰富。随着煤矿开采数量的增多，土地塌陷面积 也在逐步增大[2-4]。我国每年由于煤矿开采所带来的土地塌陷面积可达 40 万余亩， 其中 30为农业耕地，这对于我国本就紧缺的土地资源无疑是雪上加霜。1978 年 改革开放以来，中国经济高速发展，城镇化进程不断加快，良好的建筑用地严重 不足， 许多地区不得不将部分居民住宅楼、 工业厂房、 道路等建立在采空区上方[5,6]。 因此，采用适用于采空区地基的加固处治技术增强地基的承载能力和抗变形能力 尤为重要。 目前，对于采空区地基加固，国内外常采用注浆充填法。主要原理是通过在 地表钻孔，使用压力泵等注浆设备将浆液注入到岩体裂隙，在内部形成浆液结石 体，充填岩体内部空隙，达到增强岩体承载能力和抗变形能力的目的。岩体不再 发生垮落、塌陷等破坏现象，从而有效减免由于采空区开采沉陷引起的地表沉降 变形对建筑物、道路、桥梁等设施产生破坏[7,8]。实践表明，对采空区地表拟建建 筑物地基进行稳定性评价，并对地基进行加固处治，可使部分采空区场地满足用 于一般建筑用地条件，有些可作为大型建筑用地[9,10]。焦作某一煤矿采空区在对地 基进行注浆加固后，在其地表上方建设了集办公、住宅、休闲娱乐等多功能为一 体的城市综合体。开滦煤矿在对已开采多年的采空区场地进行注浆加固处治后， 在其地表上方建设了大型工业厂房和一般民用住宅建筑。晋城、焦作、平顶山等 部分煤矿采空区采用注浆处治技术对采空区地基进行加固后，并在采煤塌陷区地 表上方兴建居民住宅、生产办公等民用设施。 晋城某地区存在大量煤矿采空区，为改善居民住宅条件，对该采空区场地进 行加固处治后，用于兴建居民住宅小区。本文结合采空区场地工程背景和煤层分 布特征，利用建筑物荷载影响深度计算方法对该采空区场地稳定性进行分析并作 出评价；依据该稳定性评价确定注浆处治方案，计算注浆范围、注浆深度、注浆 工作量，设计钻孔布设数量和位置；选取合适的注浆施工工艺，并对注浆处治后 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 的采空区场地注浆质量进行检测；通过注浆处治使该采空区场地满足拟建住宅小 区地基承载能力和累积沉降变形的要求。 1.2 煤矿采空区地基处治研究现状 1.2.1 采空区地基稳定性研究现状 众多学者对“三下”采煤进行了长时间深入的研究，在采空区地基的稳定性 评价方法和原理方面积累了丰富经验。通过地表剩余变形计算、建筑物荷载影响 深度计算和“活化”变形分析等方法分析采空区地基稳定性，并运用到工程实践 中。一般稳定性分析研究方法主要包括现场调查、理论分析和数值模拟等方法。 现场调查方法在工程实践中应用广泛。徐必根，王春来等（2008）[