高速公路下伏煤矿采空塌陷区的处治.pdf

第 2 9卷第 3期 V o1 ． 2 9 NO ． 3 建筑施T B UI L D I N G C O N S T R U C T I O N 高速公路下伏煤矿采空塌陷区的处治 Di s pos a l o f M i ne d-ou t Re gi on i n Coa l M i n e bel ow Ex pr e s s wa y F ou n da t i on 。 口 李仁民 方 磊 东南大学岩土工程研究所 南京 2 1 0 0 9 6 【 摘 要】 高速公路下伏煤矿采空塌陷区是一特殊的岩土工程问题，应充分考虑高速公路工程自身特点与要求，结合具体的 煤 田地质条件 来确定采 空塌 陷区的处治方法及技术标准。工程 实践证明 ，注浆 充填法 治理公路下伏煤矿采 空塌 陷区是 一可行 的 方法 ，介绍 了注浆法治理高速公路下伏煤矿采空塌 陷区的设计 、施工 以及检测方法和标准 。 【 关键词 】 高速公路煤矿采空区 注浆充填法 质量检测 【 中图分类号】 U 4 4 5 ．5 5 ， 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 2 0 0 7 0 3 0 2 1 3 0 3 0概述 采空塌陷区是指地下矿产被采出后留下的空洞区。 矿体 被采出后 ， 自顶板岩层向上形成“ 三带” 一 垮落带、 导水裂隙 带和弯曲带。 地表沉陷， 产生连续或非连续变形， 由此带来一 系列环境岩土工程问题， 如平地积水、 道路裂缝、 房屋倒塌、 耕地减少、 农田减产等， 给矿区工程建设留下很大隐患_ 1 ] 。 本文首先介绍了目前采空塌陷区治理的主要方法， 然后 【 作者简介】 李仁民 1 9 7 6 一 ， 博士。 联 系地址 南京市四牌楼 2 号 东南大学土工程研究所 2 0 1 8 0 4 ， 电话 0 2 5 8 3 7 9 5 6 8 0 。 【 收稿 日 期】 2 0 0 7 0 2 1 5 详细论述了某高速公路下伏采空塌陷区注浆工程的注浆设 计、 注浆工艺、 效果检测等基本内容， 希望对今后类似工程地 质条件下的治理工程具有一定借鉴意义。 1 采空塌陷区的治理方法 根据研究对象， 采空塌陷区治理方法分两种 构筑物抗 变形措施和地下采空塌陷区治理措施。 在抗变形建筑设计方 面 ， 英国 C L A S P 地方专用方案协会 曾提出了一套柔性结构 建筑物系统 ， 效果较好 ] ； 刚性建筑 的基础通常由厚板或由 厚抗剪切墙强的混凝土排基组成， 但采用刚性设计保护建筑 3 ． 8 ． 3 初灌量的控 制 经计算初灌量应不小于 9 ． O m s ，一般先倒满灌注料斗 ， 再将另一车混凝土 8 m s 的出料槽对准灌注斗， 加足油门倾 倒成品混凝土， 拔盖开灌， 这样保证了足够的初灌量。 3 ． 8 ． 4 灌 注 到达现场的成品混凝土， 均检查其质量， 不合格的混凝 土一律不采用 导管埋深一般控制在 5 ． 0 - 7 ． 0 IT I 范围内。 3 ． 8 ． 5 桩项混凝土灌注标 高的控 制 一 般超灌 O ． 5 - 1 ． 0 IT I ，因桩顶离护筒口高差超过 1 O m， 为有效地控制好桩项超灌量， 当混凝土面将接近设计桩顶标 高时， 用专门的混凝土取样器 图 4 下入孔内进行取样， 若 取上符合要求的混凝土， 则灌注工作终止 ； 否则继续灌注。 采 取该取样的办法， 避免了超灌或少灌现象的发生 ， 保证了桩 顶混凝土的质量。单桩水下混凝土灌注时间一般可控制在 峨 蝴 麟 0 “ “ 。 。 1 3 h以内。 4 结语 2 I 、直径 2 0 m m钢筋2 、直径 2 0 0 ram钢管 3 、阀板 图 4 取样器示意 图 在施工过程中采取了较为合理的工艺措施， 解决了在施 工过程中遇到的一系列难题， 如利用锯末和水泥堵漏、 用筒 状钻头打捞漂石、 尝试在深水域卵砾石层采用泵吸反循环工 艺在较低比重和粘度泥浆护壁条件下钻进成孔， 取得了较好 的效果。 2 1 3 维普资讯 第3期 李仁民、 方磊 高速公路下伏煤矿采空塌陷区的处治 物可能使它的造价大大增加。 对老采空塌陷区采取的处理措施， 主要包括全部充填采 空塌陷区支承覆岩、采用注浆法或深桩基局部支承覆岩、 水 诱导沉陷法、 开挖回填法、 跨越法、 片石 干或浆砌 回填法 等， 其中以注浆法为主， 处理后地面主要用于开发建设居民 区等， 积累了一定的经验 ， 但是仍缺乏相应的技术规程与规 范。 高速公路为线形条带状工程， 路堤属于柔性基础承受荷 载， 不均匀沉降量容易造成路基、 路面结构开裂等。 高速公路 穿越采空塌陷区是近几年来在国内遇到的新问题， 采空塌陷 区的处治应借鉴构筑物下伏空洞的处理方法 ， 同时， 充分考 虑公路工程特点与要求， 结合具体的工程条件 ， 研究适合不 同采空塌陷区条件的处治技术， 为高速公路设计及施工提供 科学技术方法，这对穿越矿区的高速公路建设是十分重要 的[ 3 ] 。目前高速公路下伏采空塌陷区治理可采取四类方法 1 采用综合措施提高路堤抗变形能力。 2 桥跨或板跨法通过采空塌陷区， 该方法对下伏采空 塌陷区有一定要求， 造价较高， 工程中较少采用。 3 释放采空塌陷区沉降潜力，可以采用井下复采、 爆 破法、 堆载预压、 高能级强夯法、 水诱导沉降法等 ， 使采空塌 陷区的后期沉降大幅度减小 ， 该方法对浅部采空塌陷区的处 治是十分有效的。 4对采空塌陷区进行加固处理， 可细分为全充填注浆 加固法、 注浆加固采空塌陷区围岩结构法和局部支撑加固法 等， 因其安全性较高， 工程造价相对较低 ， 故国内外常采用此 法来处理地下采空塌陷区。 2 某高速公路下伏采空塌陷区治理嗍 某高速公路建设中遇到的煤矿采空区， 路线设计时经反 复选线比较， 仍要跨越 2 6 6 IT I 的采空塌陷区。该地段采空区 地质条件复杂， 为小煤矿多层开采， 采空区地下水丰富， 为多 层、 富水采空区， 采空区处理有较大难度。 2 ． 1采空区塌陷特征 该高速公路从北向南斜穿大庙四矿区，该矿区从 1 9 5 8 年开采至今， 形成大面积的采空区， 其上覆的岩层塌陷冒落， 导致部分地表发生变形、 产生裂缝、 裂隙及地面沉陷， 采空区 影响高速公路的里程主要在 K 3 0 8 2 0 ～K 3 1 1 7 0 主线 ， 其 采空区的形成主要是大庙四矿开采及修建抽水巷道和水仓。 采空区的主要特征详见表 1 。 表 1采空区特征一览表 畸毛 里 程／ m 影 响 长 度 ／埘 牲 { 煤犀／ m 采 厚 ／ m 埋漾／ m 磺 扳 岩 性 开采方式 开采时间 大庙四 4 6 I 6 ／ 1 7 n 3 6 2 3 3 “ 5 7 页 岩 长 壁全陷 1 9 9 8 K 3 0 8 卜 4 0 1 8 0 ．2 9 1 3 3．5 7 页 岩 1 9 9 8 l 【 3 I 0 0 0 4 0 1 9 0 3 5 1 3 3．5 7 页 岩 1 9 9 8 1 8 o ∞ 0 ．6 5 1 2 0 炭岩 1 9 T r 1 9 9 “／ 抽水巷道 I 3 1 0 8 4 “ 8 6 7 1 - 8 9 页岩 抽水巷道 1 9 9 1 9 9 “／ 及水仓 l 【 3 I 1 7 0 及水 仓 21 4 影响高速公路的采空区由2个部分组成， 一是由于采煤 形成的采空塌陷区， 二是抽水巷道。 由于采煤作用， 地表已出 现明显差异沉降变形， 最大沉降量达 8 0 c m 。抽水巷道与公 路斜交， 在公路影响范围内， 埋深 7 1 - 8 9 m 、 巷道底宽 2 ． 2 m 、 高度 2 ． 6 m， 依据抽水巷道特征、 岩溶发育情况、 钻探资料 及地面沉降特征分析， 抽水巷道和水仓是近几年修建 ， 目前 地面沉降不明显， 但其潜在危险不容忽视。 该采空区主要特征是 1 采空区上部的地层主要为第四系、二叠系及石炭纪 的海陆交互相沉积物组成，岩性主要为软岩与煤层的互层， 并伴有张性断层发育。 2 采空区分布极不规则，由于采空塌陷区位于一仰起 向斜的翼部， 采空塌陷区呈缓倾斜状， 开采深度不一。 在沉降 变形上表现为不均匀沉降。 3 该煤矿采空区为多年多层开采所形成， 中、 深部煤层 开采时间早， 浅层煤层开采时间晚， 因而沉降尚未完成。 4 采空区富水 ， 且岩溶、 岩层裂隙均较为发育。 2 ． 2 工程处治设计 从经济和技术两方面对采空区处治方法进行了综合比 选 ， 决定采用注浆充填法对该采空区进行治理。 2 , 2 1 注浆 处治 范围 该采空区的治理长度为沿公路轴线上采空区及采空区 覆岩上、 下方向移动角影响长度、 抽水巷道及水仓等的影响 长度之和。 采空区治理宽度是参照煤矿三下采煤的规范及铁 路工程的有关规程， 应用应力扩散角法计算得到。采空区治 理深度为煤层开采深度， 注浆段高度为空洞底板至裂隙带顶 部之间的高度。经计算， 采空塌陷区治理长度为 2 6 6 IT I ， 治理 宽度为 1 0 6 - 1 3 7 IT I。抽水巷道治理宽度为 4 5 - 7 0 IT I ， 1 6 - 1 9 煤治理深度为 3 3 - 5 7 IT I ， 2 0煤治理深度为 2 5 - 8 0 IT I ， 抽水巷 道治理深度为 7 1 - 8 9 IT I 。 2 2 2 注浆孔布置原 则 根据采空区治理的边界范围， 可把注浆孔分为中间注浆 孔和边缘注浆孔。 中间注浆孔主要是起到充填加固采空区的 作用， 边缘孔主要起帷幕作用， 以保证中间孔注浆效果， 防止 浆液流失。 中间孔采用梅花型均匀布孔法布置 ，孔距为 2 0 m ， 边缘孔孔距适当减小， 取 1 5 m， 施工时先进行边缘孔 施工， 后施工中间孔。 边缘孔采用二序次施工的方法， 中间孔 先施工沿岩层倾向的深部采空区也分二序次施工。 2 ． 2 ． 3 注浆管的设置 由于该采空塌陷区地下水丰富， 钻孔内静止水位在地表 下 4 ． 6 m左右， 如注浆管设置在浅部， 在浆液施工过程中， 由 于水的浮托等作用， 使浆液产生离析等现象， 同时， 浆液可能 沿塌落裂隙上窜， 过多流失到非注浆部位 ， 使采空区的处置 质量得不到保证， 因此， 将注浆管宜下到注浆孔底部， 采取类 似于水下混凝土的灌注方法，考虑到注浆管可能产生堵塞， 注浆管下到所注采空区以上 3 - 5 IT I ， 且封孔位置适当下移至 维普资讯 2 0 0 7 李仁民、 方磊高速公路下伏煤矿采空塌陷区的处治 第 3期 基岩 面以下 1 5 2 0 m左右。 2 ． 2 ． 4 浆液配合 比设 计 注浆材料采用 4 2 5 普通硅酸盐水泥和当地粉煤灰 ， 浆 液水 固比为 1 1 ． 0和 11 ． 3 ，固相 比为水泥 粉 煤灰 3 0 7 0 。施工时， 添加水泥量 2 名的速凝剂水玻璃。 2 ． 3 注浆施工工艺 2 ． 3 ． i注浆孔成 ； L Z - 艺 单层采空区和孔深小于等于 5 0 m的多层采空区中间注 浆孔采用孔口封闭一次全灌注施工工艺。对孔深大于 5 0 m 的多层采空区的中间注浆孔和所有多层采空区边缘注浆孔 采用上下两段注浆工艺。 采用回转式钻机成孔 ， 1 2 7 m m开孔钻具开钻 ，跟管钻 进， 清水循环。进入基岩 含全、 强风化层 8 m后 ， 对套管外侧 间隙用水灰比 1 1 ． 5 ～1 2的纯水泥浆进行封 闭处理 ， 然 后改用8 9 m m钻具进行钻进，钻探至煤层采空区底板后起 钻， 下注浆管 ， 套管顶部安装注浆封孔装置 ， 准备第 1段注 浆。 在第 1 段注浆结束 2 d 后 ， 待孔内浆液初凝完成， 在原孔 位用 8 9 m m钻具 自孔口开始重新进行钻探，钻至采空区煤 层底板下 1 m， 下入带法兰的 5 0 m m注浆管至采空区项板 上面 3 ～5 m处 ， 孔内放人少量粘土， 灌入水灰比为 1 1 ． 5 ～ 1 2的纯水泥浆 添加水泥量 2 ％的速凝剂 进行封 闭处理 ， 待水泥浆和注浆管、 孔壁凝结牢固后， 进行注浆。注浆结束 后， 拔出 或部分拔出 注浆管。 2 ． 3 ． 2 注 浆 工 艺 1 注浆开始前， 先向孔内压水 中孔。 2 注浆采用水固比 1 1 ． 0 和 1 1 ． 3 两种浆液配比。 3 当采用间歇式注浆时， 间歇时间应不少于 1 2 h 。间 歇前 ， 应进行适当的压水， 以保证注浆管畅通。 本工程根据室 内标准配合比试验， 浆液的初、 终凝时间， 上下段注浆之间的 间歇时间应不少于 3 6 h 。 4中间注浆孔的第 1 序次孔， 采用间歇式定量注浆方 式，其单孔设计注浆量按平均注浆量 2 2 5 m 。 的 1 ． 3～1 ． 5 倍 控制 ，并在注浆过程中注浆量分别为单孔设计量 I ／ 2 ， 3 ／ 4时 进行间歇， 当完成该了孔的设计注浆量后结束注浆。 5中间注浆孔的第 2序次孔，采取定压注浆方式， 即 只有满足注浆结束标准后， 才能结束注浆。 6 边缘注浆孔采取间歇式定量注浆方式 ， 平均注浆量 为 3 0 0 m 。 。第 1 序次边缘孔， 其单孔设计注浆量按平均注浆 量的 1 ． 3～1 ． 5倍控制 第 2序次边缘孔， 其单孔设计注浆量 按平均注浆量的 0 ． 7 - 1 ． 0 倍控制。 7 对于分段注浆的边缘孔， 其上段注浆量按单孔设计 注浆量的 l ／ 3控制。注浆时原则上 1 0 0 m 。 左右间歇一次。注 完单孔设计注浆量后结束注浆。 2 ．3 ． 3 注浆结束标准 出现下列现象时， 可作为注浆结束标准。 1 中间注浆孔 当注浆压力大于等于 0 ． 6 M P a ， 注浆量 瓣警 稳定在 5 O ～7 O { n 、稳定时间在 1 5 ra i n以上或周围有冒 浆现象时 ， 该注浆孔的注浆工作可结束。 2 边缘注浆孔 当注浆压力在 0 ． 5 N2 ． 0 M P a ， 基岩区吸 浆量在 5 N 2 0 L ／ m i n ， 采空区吸浆量在 2 0 - 5 0 L ／ m i n ， 且稳定 时间在 1 5 m i n以上或注浆周围地面有冒浆现象时，边缘注 浆孔的注浆工作可结束。 2 ． 4 工程质量检验 外治质量标准见表 2 。 表 2 采空区处治质量检验项目、 方法及标准 项次 检验项 目 标准 检验方法 检测频率 本 工 程 处 治 情 况 1 采 空 区充 填率 不 小 于设 计 钻探 注浆孔 的 8 0 ％ 或结石体厚度 标准的 7 5 ％ 孔 内电视 2 ～ 3 ％ 弹性渡 C T 孔 内超 声成像 2 充填体单轴抗压 1 ． 3 MP a 孔 内波速测井 不少于 平均 强度 6 个月 岩心测试 2 3 组 0 ． 3 7 MP a 3 地表变形f 6 个 不出现 陷坑 沉降观测 每月观测 基岩沉降 月后 和裂缝 外观 鉴定 不少于1 次 已稳定 4 注浆范 围 实际 注浆 充 高密度 电法 处治前后应 实 际 注 浆 填 区域 应 大 瞬变电磁法 纵横剖面各 影 响 范 围 于设计 区域 浅层地震波 不少于3 条 大 于 设 计 瑞利 波法等 测线 处治 区域 3 结论 1 高速公路穿越煤矿采空塌陷区的处治， 应根据高速 公路工程自身特点与要求，紧密结合具体的煤田地质条件、 开采工艺等因素综合确定采空塌陷区的处治方法及技术标 准 ， 这对高速公路穿越矿区的建设十分重要。 2 注浆充填法治理富水多层采空塌陷区在技术上可 行 ， 经济上合理， 可以满足高速公路工程的需要 ， 该方法在煤 矿采空塌陷区的处治具有良好的应用前景。 但该方法在设计 理论及施工工艺等各方面都存在许多不确定因素， 尚有一些 问题值得深入探讨和研究。 3 只要建立科学、 切实可行、 合理可靠的施工质量控 制体系， 注浆法治理采空塌陷区的施工质量是有保障的。 参考文 献 [ 1 】 郭广礼， 老采空区上方建筑地基变形机理及其控制 ，徐州 中国 矿 业大 学出版社， 2 0 0 1 ， [ 2 】 B e l l ， F ， G， B u ll o c k ， S ． E ， T ． ， Ha l b i c h ， T ． F ．G， ， e t a 1 ． E n v i r o n me n ta l i mp a c t s a s s o c i a t e d wi t h a n a b a n d o n e d mi n e i n t h e W i c b a n k Co a l fi e l d ． I n m a t i o n a l J o u r n a l o f Co a l Ge o l o g y ． 2 0 0 1 ，4 5 1 9 5 2 1 6 ． p 】 中华人民共和国行业标准编写组， 公路路基设计Rff r j 0 3 1 9 5 【S 】 ． 北京人 民交通 出版社， 1 9 9 5 ， [ 4 】 刘松 玉、 方磊等． 高速公路 下伏 多层采空区注浆治理 质量监控技 术研究【M1 ． 东南大学交通学院， 2 0 0 2 ． [ 5 】 煤炭工业总局． 建筑物、 水体、 铁路 及主要 井巷 煤柱留设 与压煤 开采规程 【 M】 ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． 2 1 5 维普资讯