铁路复杂采空区处理措施优化方法的研究.pdf

铁 道 建 筑 Railway EngineeringJuly ,2008 文章编号10032199520080720082204 铁 路 复 杂 采 空 区 处 理 措 施 优 化 方 法 的 研 究 李 娅 1 ,赵 文 2 11西华大学 土木工程学院,成都 610039 ; 21西南交通大学 土木工程学院,成都 610031 摘要国电河北龙山电厂铁路专用线经过一大型复杂磁铁矿采空区,介绍利用各种检测方法对采空区阶 段性注浆处理后充填效果的检测,在充分了解采空区充填情况的基础上,对后序注浆孔位、 密度等进行 优化,优化后的处理措施不但满足采空区处理要求,还产生了巨大的经济效益。 关键词采空区 处理措施 充填 注浆 中图分类号TD8531391 文献标识码A 收稿日期2 23 ;修回日期2 23 资助项目 西华大学引进人才基金项目编号R 56 6 作者简介 李娅6 ,女,河南唐河人,讲师,硕士。 由于矿产资源的开发,我国大多数矿山均不同程 度存在着未处理的采空区,特别是无规划乱采的小矿 场。虽然经过长时间的自然压实,但开采引起的地下 空洞、 离层、 裂缝和冒落区的欠压密、 空隙中饱水等现 象仍将长期存在。矿场下伏采空区极为复杂,造成地 表沉降、 水平位移对上方建筑物稳定有极大影响。故 采空区的处理,成为工程施工中的重点和难点,特别是 对路基沉降要求较高的铁路工程。对于地下采空区, 处理方法通常有封闭、 崩落、 加固和充填等 [1 ,2 ] 。对于 道路路基工程采空区,多采用回填、 灌浆等方法进行处 理。 如肖永贵等采用注浆法处理耒宜路煤层采空 区 [3 ] 。 汪衡岳等利用灌砂注浆的方法处理胶新铁路 DK 30段重晶石矿采空区 [4 ] 。本文针对河北龙山发电 厂铁路专用线路基采空区处理问题,对复杂地下采空 区处理措施进行研究,在处理过程中优化设计,不但圆 满完成采空区处理任务,还节约大量投资。通过该工 程的实践验证,丰富了采空区处理的理论和施工技术。 1 工程概况 国电河北龙山发电厂铁路专用线工程位于河北省 邯郸市涉县井店镇台村附近。该工程CK 0 200～CK 0 800段通过一个开采磁铁矿形成的大型采空区,采 空区范围约600 m1 200 m ,分布较为复杂,目前铁路 上处理该类复杂工程尚不多见。该采空区与一般煤层 采空区不同,煤层由于其成层性较好,采空区范围及相 对位置易于查明。而对于由热液侵入接触形成磁铁矿 采空区而言,矿床分布无规律,因此采空坑 道分布规律 极不明显,采矿坑 道纵横交错,深度不等。该采空区的 勘察和处理都十分困难,处理前采空区已多处塌陷,特 别是黄土层较厚一段,已形成了较大的塌陷盆地,而且 空洞塌陷仍在继续。采空区处理方案咨询会中专家指 出,铁路专用线约600 m的采空区经过处理后,应保证 铁路专用线的正常使用,采空区的处理标准按照工企 Ⅰ 级软土路基标准掌握,应保证不发生路基突然坍塌 事故,铁路路基沉陷量控制在1 m以内。 2 采空区勘察 采空区地表大部分被第四系黄土覆盖,仅在采空 区南部有较小的中奥陶统马家沟组灰岩露头,区内地 表已多辟为耕地。采空区勘探深度内揭露的地层主要 为第四系全新统Q ml 4人工堆积碎石土、 第四系更新统 冲洪积Q al pl 3 2黄土、 奥陶系O2灰岩及燕山期侵入闪 长岩。磁铁矿即赋存于灰岩与闪长岩的接触带及接触 带顶底板灰岩薄弱带中。采空区厚度一般累计厚为 510～1010 m ,采矿坑 道埋深多在40～70 m范围,已经 形成冒落带,移动角60,在冒落带的松散堆积碎石土 层中存在大量可充填的空隙。 采空区规模巨大,由于无规划乱采及多次转让,采 空区内采矿竖井、 坑 道纵横交错,坑 道多层分布,按常 规手段很难完全探明地下采空区分布情况。该工程采 用多种方法对采空区进行勘察,主要有地质调查、 勘探 钻孔、 电测深法等。通过对该磁铁矿开采历史的走访 和调查,对能进入的巷道进行了实地勘察,了解地下坑 道的大致分布特征及连通状况、 坑 道的规模及塌陷现 状。通过对采空区段地层电性的电测深法勘探,结合 现场多个钻孔勘探结果,基本掌握了采空区地层分层、 28 2007 1202008 04 0 0 20 1 197 图1 采空区分布平面图 采空区分布位置及规模,为采空区的处理提供了科学 的依据。采空区平面图见图1。 3 采空区处理措施 采空区处理对象为维护带宽度范围内的空洞和冒 落带松散体的空隙、 裂隙。路堤部分以坡脚外1 m为 界;路堑部分以两侧堑顶边缘为界,两侧界线以内的范 围为受保护对象,以此界线外一定范围宽度作为维护 带宽度。 铁路工程地质手册 规定铁路建筑物维护带 宽度一般 ≥15 m。根据本工点实际情况,维护带宽度 定为15 m。 采空区处理采用下部压力注浆加固加部分回填综 合治理的方案,采用探、 灌结合,先探后灌的施工方案。 用充填法和注浆法对采空区进行治理是一种动态的过 程,在此过程中,可根据钻孔所揭示采空区的情况,适 当调整钻孔深度和浆液的类型和配比,以达到最佳充 填效果。采用探灌结合,先探后灌的原则,根据地表变 形和巷道分布情况,选择具有代表性的位置进行补充 勘察和钻探验证。补充勘察和验证孔为控制性钻孔, 施工孔为一般性钻孔。钻孔间距20 m ,正三角形布 置。线路中心、 空洞分布区和维护带边缘可适当加密 钻孔间距。对已经充填的竖井或斜井及半径30 m范 围,如果验证确已达到充填效果,可以不再进行钻孔、 充填和灌浆。施工时,视采空区和冒落带分布情况,调 整钻孔数和钻孔位。首先对路基左右两侧采用水泥砂 浆进行压力注浆,形成注浆围幕;然后采用粉煤灰水泥 浆对路基范围及采空区影响范围进行自流充填注浆。 每进行下一道工序前,应对前一道工序的注浆效果进 行检查。但在施工过程中,根据钻孔所揭示采空区的 情况,仍可适当调整钻孔深度和浆液的类型和配比,以 达到最佳充填效果。 施工孔序按 Ⅲ 序进行。第 Ⅰ 序为线路中心附近的 竖井或斜井充填;第 Ⅱ 序为线路左右侧816 m、2610 m 充填孔和处理边界的帷幕孔,充填孔间距20 m ,正三 角形布置钻孔,帷幕孔间距10 m ,线形布置。第 Ⅲ 序 为已形成正三角形的中心根据 Ⅱ序孔所揭示采空区、 冒落带及充填情况决定是否需要布置钻孔,为注浆补 强孔,施工完成后形成新的钻孔,间距1115 m ,正三角 形布置。 4 采空区处理效果检测 Ⅰ、 Ⅱ 序孔施工结束后,对采空区处理效果进行检 测,并为 Ⅲ 序孔施工提供科学依据。主要采用检测钻 孔取芯及补注浆量、 电测深法、 电磁波层析成像、 地表 监测等方法。 411 检测孔检测 在采空区段布置18个检测孔,18个检测孔位置 分别为 K 0 34014右2217 m、 33616左1814 m、 36015左315 m、 41415右916 m、 41517左1019 m、 44416左113 m、 51217右11 m、 51214左1314 m、 52515右314 m、 554左1 m、 58615左411 m、 60117右1217 m、 60218左817 m、 61517右117 m、 64917左1 m、65815右1213 m、 66212左1815 m、 67918左117 m。根据18个检测孔钻孔柱状图、 岩芯和灌浆资料综合分析可知,1～4、6、8、15号检测孔 仅零散部位未完全充填;5、7、9号检测孔局部层位未 完全充填;10～14号检测孔部分破碎带未完全充填;16 ～18号检测孔部分破碎带顶部未完全充填。仅12号 孔中存在较大空隙,补注浆量为46 m 3 ,其余孔位补注 浆量为 ～ 3 。检测孔综合分析结果表明采空区大 部分区段充填效果良好,但局部仍存在充填不良情况。 1 电测法检测 382008年第7期铁路复杂采空区处理措施优化方法的研究 24 m 4 2 采空区处理前后分别对线路左右侧各15 m范围 进行纵向电测法勘探,综合线路左右两侧电测深分析 结果表明,K0 200～K0 450段,地下采空区充填效 果良好,且线路右侧方向充填效果优于左侧; K0 450 ～K0 560段,地下采空区充填效果不明显; K 0 560 ～K 0 800段,地下采空区充填效果整体较好,但仍存 在局部充填效果不明显的情况。通过后序少量钻孔的 补注浆,充填效果不明显地段可得以较好的改善。 413 电磁波层析成像检测 利用18个检测孔进行电磁波层析成像检测,结果 表明,采空区在 Ⅰ、 Ⅱ 序注浆充填处理后,还主要存在 两处异常一个是位于JCK 21、JCK 22和JCK 23钻孔附 近,埋深较大,约在468～485 m高程之间;另一个异常 区在JCK 29到JCK 214之间,约500～508 m高程之间, 并有一定的延伸。总体看来,Ⅰ、 Ⅱ 序注浆充填后,采 空区绝大部分区段处理效果明显。 414 地表监测 采空区处理过程中,在采空区施工区布置沉降观 测点30个,组成沉降观测网。施工过程中共进行了8 次变形监测。根据各沉降观测点高程变化及地表观察 分析,采空区地表在施工期整体基本稳定,未发生大面 积沉降或塌陷。K0 200～K0 510段地表基本未发 生沉降变形; K0 510～K0 800段地表有沉降,最大 沉降01235 m ,其中K 0 510～K0 680段局部地段发 生数起小型塌陷,但距离线路中线均在10 m以上,对 路基的影响很小。 5 采空区处理措施优化方法 在施工过程中,根据勘探结果及 Ⅰ、 Ⅱ 序注浆充填 后采空区充填效果的检测情况,对采空区处理措施进 行优化处理。 511 采空区处理宽度的优化 根据勘探钻孔所揭示地层情况,采空区底部灰岩 层完整性较好,层位较高,初步认为采空区处理宽度可 适当缩小,为此进行了理论分析和数值计算。采空区 处理设计主要分两段,CK 0 200～CK0 490原设计处 理宽度60 m简称小里程段,代表断面里程CK 0 340 ;CK 0 490～CK0 800原设计处理宽度110 m简 称大里程段 ,代表断面里程CK0 730。利用数值方 法对不同处理宽度情况下路基沉降进行分析,按路基 设计要求的沉降量1 m设防,两个代表断面路基中心 及维护带为安全计,数值分析时取维护带宽度 为处安全系数与充填宽度的关系见图。从图 中可以看出,小里程原设计充填6情况下,维护带 20 m处沉降0182 m,安全系数1122 ,线路中心位置安 全系数1153 ,加固宽度基本满足要求。大里程原设计 充填110 m情况下,维护带20 m处沉降0112 m ,安全 系数8133 ;充填90 m的情况下,维护带20 m处沉降为 0129 m ,安全系数为3139 ;充填80 m的情况下,维护带 20 m处沉降为0146 m ,安全系数为2118。 根据数值分析结果,小里程段充填宽度不变,仍为 60 m。大里程段由于黄土层较厚,黄土因具有湿陷性, 可能会产生较大变形,虽然充填80 m时安全系数仍较 高,但为安全计,只将充填宽度优化到90 m ,即大里程 处理宽度由原设计的110 m优化为90 m。数值分析考 虑理想充填情况,假定空洞被砂浆完全充填,考虑到水 泥粉煤灰浆的结石率较低,灰浆凝固后产生的空隙较 大,会引起地表的额外沉降,为此必须进行补注浆,补 注浆必须达到设计要求,使充填区空洞填满。 图2 沉降安全系数与充填宽度的关系 512 注浆孔位的优化 Ⅰ、 Ⅱ 序孔注浆结束后,对处理区段进行电测深法 及电磁波层析成像勘探,检测注浆充填效果,为下一序 注浆孔位调整提供科学的依据。以部分区段的电测深 结果和电磁波层析成像结果为例进行分析,如图3和 图4所示。图3表示K0 440～K 0 560段线路右侧 15 m处采空区处理前后地层视电阻率等值线图。从 图中可以看出,K0 470埋深50 m附近区域在加固处 理前存在局部视电阻率集中减小的现象,根据钻孔资 料,该段下伏地层为灰岩,灰岩视电阻率一般在200 Ω m以上,疑该处有横向巷道存在,且巷道集水。K0 530埋深50 m附近区域在加固处理前存在局部视电阻 率集中升高现象,疑该处有横向巷道。在注浆处理后, 该段地层视电阻率变化不明显,表明 Ⅰ、 Ⅱ 序孔注浆对 该段效果不明显。 图表示 ～ 号孔间电磁波层析成像结果,图中 深色区域表示未充填或充填不实的范围。从图中可以 48 铁 道 建 筑July ,2008 20 m 20 m22 0 m 479 图3 K0 440～K0 560段地层电阻率等值线 看出,7号孔和8号孔间高程495 m附近存在明显异 常,7号孔和9号孔间也存在同样现象。表明在7、8号 孔和7、9号孔高程495 m段存在充填不饱满的情况。 根据电测深和电磁波层析成像结果,查明 Ⅰ、 Ⅱ 序 注浆后采空区存在的未完全充填的区段,为 Ⅲ 序孔孔 位设计提供依据。Ⅲ 序孔孔位做适当调整,特别注意 加密对 Ⅰ、 Ⅱ序孔注浆效果不明显区段,如在K0 470、K 0 530、JCK 27与JCK 28间加密注浆。而注浆效 果明显区段,则可不再进行后序注浆。 513 施工孔序的优化 原设计在 Ⅱ 序进行处理边界的帷幕注浆,但在 Ⅰ 序注浆过程中,发现部分区段采空巷道与外界连通,浆 液流失严重,为防止浆液流失,在 Ⅰ 序注浆过程中,进 行了部分区段的帷幕注浆。 6 结语 铁路路基采空区处理是一个非常复杂的问题,在 勘察阶段通过多种勘察手段查明采空区分布特征,在 进行处理措施设计时对采空区加固措施进行理论分 析,提供最优的设计方案。在处理到一定阶段后,采用 多种检测方法对采空区处理效果进行检测,为下一步 处理措施提供科学依据。 采空区处理结束后对采空区 图4 7～9号孔间电磁波层析成像图像 进行地表变形监测,即使存在零星部位有充填不实的 情况,也可以视地表变形监测结果确定下一步处理措 施。国电河北龙山电厂采空区处理计划投资3 000万 元,处理措施按本文方法进行优化后,实际处治费用约 2 780万元,节约投资220万元,产生了较大的经济效 益。本文方法可为类似工程提供指导和参考。 参考文献 [ ]刘敦文 地下矿山采空区处理方法的评价与优选[ ]中国 矿业,2004 ,13852255. 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