京福高速公路复杂煤矿采空区治理技术试验.pdf

西北大学学报自然科学网络版 2005 年 2 月，第 3 卷，第 2 期 Science Journal of Northwest University Online Feb. 2005, Vol.3. No.2 收稿日期2004-05-11 审 稿 人王家鼎，男，西北大学地质学系教授。 京福高速公路复杂煤矿采空区治理技术试验 张敏静 1，夏文俊2，张志沛3 （1．中交第一公路勘察设计研究院，陕西 西安，710075；2.江苏省高速公路建设指挥部，江苏 南京，210004； 3.西安科技大学 地质与环境工程系，陕西 西安，710054） 摘要通过分析京福高速公路徐州绕城西段采空区的工程地质特征及开采特征，针对采空区在各路段 的不同影响，分别进行不同治理方案的工程试验研究，以期为今后类似工程提供经济上合理、技术可 行的治理技术。 关键词高速公路；复杂煤矿采空区；治理技术试验 中图分类号U416 ＋6 文献标识码A 文章编号 1000-274X20040131-05 京福高速公路徐州绕城西段起点位于徐州东北的京福国道主干线徐州绕城公路东段王可乐附近，经徐 州西北梁庄、拾屯，终止于徐州西南连霍线上的罗岗收费站。全长 51.087 km。 线路区是徐州矿务局、江苏天能集团公司的主采区，大煤矿多，采空面积大，既有老采区，也有新采 区，且大多系多层重复采动，加上几十年采煤中大量排水，在采空区地表已形成了大面积塌陷区并在部分 地段形成积水。由于采空区覆岩厚度大，塌陷后碎胀的岩石压实需要一个较长的过程，加上新采区的继续 采动（包括一些小煤矿开采大矿剩余的煤柱） ，使采空区的沉陷将在一个较长时期内仍会继续进行，对高 速公路的危害极大。因此，对西段采空区必须进行治理。 1 工程概况 路线所涉及到的煤矿均处在徐州煤田西部矿区，主要涉及柳新矿、大刘矿及新河矿。采空区为多层开 采，主要开采 2、7、9 煤层，其次开采 1、8、10 煤层，局部开采 3、20、21 煤，其中1 、2 、 3 煤层产于下石盒子组；7、8、9、10 煤层产于山西组；20、21 煤产于太原组。各煤层的顶板岩性分 别为1 煤层顶板为砂岩（局部有 1～2 m 的泥岩伪顶） ；2 煤层顶板为砂岩或粉砂岩、泥岩；3 煤层顶 板为砂岩、泥岩；7 煤层顶板为中粗砂岩或砂泥岩；8 煤层顶板为泥岩；9 煤层顶板为中粒砂岩；20、 21 煤层顶板皆为灰岩。这些煤矿开采方式大多为走向长壁式，只在局部地段采用条带式，煤层采取率多 在 80％左右。各煤层平均厚度 0.43～2.49 m，采空区埋深 70～570 m。这些煤矿采空区大部分已冒落塌陷， 自下而上形成了冒落带、裂隙带和整体弯曲带，导致采空区上部地表发生变形、产生裂隙及地面塌陷，破 坏地面建筑物。 本路线涉及的采空区与已往高速公路建设中遇到的采空区相比，具有以下特征 1）拟建公路下方的煤层多为急倾斜煤层； 2）煤层重复采动，属多层采空区； - 2 - 3）采空区埋深大，采空区埋深在 125～620m 之间； 4）采空区内发育有多条小断层，虽然，这类断层无活动性，但如附近有开采活动、或注浆施工时可 能引起局部的塌陷或错动； 5）采空区地面沉陷已形成多处水塘，对这些水塘需进行经济、合理的地基处理，使路基不会产生大 的沉降，确保公路工程的安全。 2 各采空区的稳定性分区 2.1 采空区稳定性的评价标准与原则 参照公路下（上）采空区勘察设计规范 （报批稿） ，公路工程的采空区地表容许变形值规定①高 速公路路基倾斜 T≤3 mm／m，竖曲率 K≤0.2 1／m，水平变形ε≤2 mm／m；②公路桥涵，对 于简支梁桥， 桥位预计采空区地表下沉量与墩台完工后基础计算下沉量基础最终下沉量与墩台施工期间下 沉量之差之和不得大于容许量， 墩台均匀沉降量为 20 Lmm， 相邻墩台均匀沉降量之差为 10Lmm。 其中L 为相邻桥跨中较短跨的跨度m，当 L＜25 m 时，按 25 m 计算。对于外静不定桥梁结构，其相邻 墩台均匀沉降量之差的容许值应根据沉降对结构产生的附加应力的影响而定。 2.2 采空区稳定性评价的原则 本着宏观分析与稳定性验算相结合的原则，依据矿山开采沉陷学基本理论和计算公式，结合煤层 倾斜程度、采矿厚度、采矿方式、采取率、采矿时间及钻孔掉钻情况等，通过估算采空区的最大剩余变形 量进行评价。 采空区的剩余变形参数按下列各式估算 最大沉降量Wmaxηm ； 最大剩余沉降量WαWmax ； 最大剩余倾斜量TW/r ； 最大剩余竖曲率K1.52W/r2 ； 最大剩余水平位移UbW ； 最大剩余水平变形ε1.52U/r 。 式中 η 为下沉系数， 与矿层倾角、 开采方法和顶板管理方式有关， 单层开采时全部垮落法一般为 0.6～0.8； 多层重复开采时最大可达 0.95； m 为采厚；r为地表主要影响半径， 与埋深 （H） 呈正比， 与煤层影响角 （β） 的正切值成正比，即 rH/tgβ；b为水平移动系数，取值范围 0.25～0.35；α为综合剩余沉降系数，根据 地面调查、采矿调查、钻探结果等因素综合确定。 根据各采空区的稳定性分析计算结果，把不能满足桥和路基对变形需要的采空区划分为不稳定区，而 把能满足桥和路基对变形需要的采空区及影响段划分为基本稳定区（见表 1） 。 - 3 - 表 1 各煤矿采空区稳定性分区一览表 Tab. 1 A schedule of the stable subarea about the gobs of the coal mines 采空区 不稳定区 长度/m 埋深/m 基本稳定区 长度/m K16317－K16565 柳新 K16565－K16772 207 290～470 K16772－K17284 760 K40080－K40140 新河 K40140－K40554 414 75～220 K40554－K40605 111 主线合计 621 871 3 采空区治理方法 3.1 拟定方案 由于本地区地质情况复杂，拟定了多种方案并分析其适用条件，主要有桥或板跨采空区方案、支撑法 治理方案、注浆治理方案[14]、路基抗变形方案及修建后维修的方案。 1桥或板跨采空区方案是将桩基放在采空区下部的稳定地层之上，采用桥式或板的方式通过采空区地 区，该方案主要是桩基深度大、施工困难、工程费用高。 2）支撑法治理方案是在采空区形成类似桥基的墩台，支撑采空区不再继续沉降塌陷。该方案已在 109 国道大同采空区治理工程取得成功，但该方法要求采空区必须具有一个极坚硬的顶板，类似的工程地质条 件仅分布在山西大同地区，其他地区尚不具备这种条件。 3）注浆法治理方案是在地面上打孔，通过注浆孔将水泥粉煤灰浆注入采空区，其结石体不仅充填到 采空区及上覆岩层的裂隙中，同时阻止上覆岩层进一步的塌陷冒落。 4）路基抗变形方案是在地表变形较小的采空区路段，当路堤通过时，可在路基底层加铺土工织物， 以提高路基整体的抗变形能力，保证公路的安全。 5）公路修建后维修方案是指在采空区路段可考虑先修建高速公路，然后在运营期间对该路段进行维 修。该方案一般适用于采空区治理工程投资占公路工程投资比例较大或一、二级公路的情况。 3.2 方案比较与推荐 1）不稳定区。采用桥跨或板跨方案，桩基应放在采空区底板上，采空区不稳定区范围影响路线长度 为 621 m，最大深度为 75～512 m，就国内现有的技术、施工力量，无法完成如此深的桩基施工，不能作 为采空区不稳定区的治理方案。路基抗变形方案对于采空区地表变形较大的路段，不能从根本上消除地表 的变形量，只适用于地表变形较小的采空区路段。建成后维修方案的优点是技术上可行、经济上合理，缺 点是维修工作困难、公路运营效益较差。注浆法方案工程量较大，工程费用较低，但建成后不需要维修， 能保证公路运营的连续性，虽然该方案在深层、富水、多层采空区条件下公路系统尚无工程实例，存在许 多技术难点，但在煤炭、冶金、水利系统都有相类似的工程实例，在技术上是可行的。 结合以往的采空区治理工程经验及上述各方案的比较，推荐注浆法为该线路不稳定区的治理方案。 2）基本稳定区。采空区基本稳定范围影响路线长度为 871 m，由于该路段地表变形较小，基本满足公 路工程的要求。若采用注浆方案，工程费用较大，经济效益较差。公路建成后，一般不会存在进行大面积 - 4 - 的开采活动或地下水的抽取活动，因而不会对公路产生较大影响，采用路基抗变形方案工程费用较低，技 术上可行、经济上合理。 结合公路系统以往的采空区治理工程经验及上述各方案的比较，可采用路基抗变形方案。 4 采空区治理技术工程试验研究 4.1 路基抗变形方案 对于基本稳定采空区，在路基底层处铺设一层土工格室。土工格室材料主要技术要求为片材的拉伸 屈服强度≥23 MPa；片材的高度≥10 cm；焊距 40 cm，高度不小于 10 cm；焊缝处抗拉强度≥100 N/cm； 格室组间联接处断裂抗拉强度≥100 N/cm。 4.2 注浆方案 为保证采空区注浆施工的顺利实施，遵循先导施工的原则，从该采空区特征和便于试验工程实施两方 面考虑，试验治理工程宜选择柳新南线 K16690－K16800 段、大刘主线 K34000－K34075 段和新河 采空区的 K40460－K40570 段。各采空区试验治理工程设计主要如下 5.2.1 柳新南线 K16690－K16800 段 在轴向上长度为 110 m，横向上宽度为 140 m，以采空区开采 深度作为治理深度。 柳新南线 K16690－K16800 段采空区试验段剩余空洞体积约 11 939 m3。考虑到灌浆过程中浆液向 采空区下伏地层和断层及附近岩层裂隙的渗透损失、空洞因冒落坍塌形成的部分堆积的空隙而渗入的浆液 损失，以及试验过程中因注浆工艺与注浆参数的调整而造成注浆浆液的损失，在采空区剩余空洞体积的基 础上，考虑 50损失系数。水泥粉煤灰浆液的结石率为 80，浆液对采空区及上覆岩层中裂隙、裂缝的充 填率为 70，则估算出最终注浆体积。大刘采空区试验段影响路线长度 75 m，注浆体积约 1 193970 801.517 909 m3。 注浆孔注浆孔沿公路轴线安排布设，排距拟定为 20 m，沿公路横向上每排孔距拟为 2030 m，横向 上最边缘为一排边缘注浆孔，孔距约 20 m。在试验过程中，应根据试验结果对排距和孔距做适当的调整。 注浆孔设计的深度为地面至采空区冒落带，注浆孔的灌注长度为采空区最上部岩层至采空区底板，孔口管 长度为地面以下 25 m 处的深度，注浆孔的平面位置为近三角形。 检查孔检查孔数量为 2 个，检查孔长度为原地面至采空区底板的深度。 5.2.2 新河采空区 K40460－K40570 段 在轴向上长度为 110 m，橫向上宽度为 220 m，以采空区开采 深度作为治理深度。 新河采空区试验段剩余空洞体积约为 21 764 m3，按上述设计原则，考虑 30损失系数。水泥粉煤灰 浆液的结石率为 80， 浆液对采空区及上覆岩层中的裂隙、 裂缝的充填率为 70， 则估算出最终注浆体积。 新河采空区试验段影响路线长度 110 m，注浆体积约为 21 76470801.324 757 m3。 注浆孔注浆孔沿公路轴线安排布设，排距拟定为 20 m；沿公路横向上在路基范围内以中轴线为中心 向两侧布置 2～3 排孔，孔距拟为 20 m；路基外侧至治理边界，依据地质、采矿等工程地质条件，孔距拟 为 30～40 m，横向上两侧最边缘为一排边缘注浆孔，孔距约 20 m。在试验过程中，应根据试验结果，对 - 5 - 排距和孔距做适当的调整。注浆孔设计的深度为地面至采空区冒落带，注浆孔的灌注长度为采空区最上部 岩层至采空区底板，孔口管长度为地面以下 25 m 处的深度。注浆孔的平面位置为近三角形。 检查孔检查孔数量为 2 个，检查孔长度为原地面至采空区底板的深度。 5 采空区治理试验工程施工 路基抗变形方案目前已开始施工，煤矿采空区注浆试验工程已基本完成，在注浆试验工程中初步结论 如下。 1）煤矿采空区充填孔布设的方法如下①注浆孔首先应布置在距离工作面边缘内 20 m 范围以内，以 充填采空区边缘的空洞和欠压密区；②对于急倾斜煤层上山方向，应在采空区边缘设计注浆孔，以充填采 空区上边缘区的空洞；③对于断层发育区域应布置注浆孔，以加强该部分破裂岩体；④对采空区内部，宜 将注浆孔沿倾斜方向布设，注浆孔走向方向间距、充填带宽度和不注浆带宽度按相应公式计算。 2）应根据帷幕孔与注浆孔的性质和孔内空洞、裂隙发育情况确定不同的浆液配比。注浆浆液水灰比 控制在 0.81.2 之间。 注浆施工过程中， 应先注入少量稀浆 （30的设计量， 水灰比 21） ， 后注入稠浆 （70 的设计量，水灰比 0.80.9。 3）注浆钻孔施工顺序为先施工路线两侧帷幕孔，再施工中间的注浆孔，注浆孔中先施工巷道两侧 的注浆孔，注浆孔分二序间隔进行施工。对于倾斜-急倾斜煤层采空区注浆治理工程，其顺序为进行地下 水流向的下游排孔的注浆－在该区域路基范围以外的影响区进行注浆－在路基范围内上游进行注浆－在 该区域路基范围以外的影响区进行注浆。 4）试验表明，空巷、采空区和煤柱情况下注浆浆液具有不同的扩散特征。对于新河矿，空巷及附近 钻孔内的浆液扩散距离可达 10～30 m，采空区注浆浆液的扩散距离可达 1215 m。对于柳新矿，采空区的 浆液扩散距离为地层走向方向可达 10～30 m；地层倾向方向可达 10～50 m。 5）注浆试验表明多层采空区宜采用自上而下分段式注浆，单层采空区采用全孔一次注浆；注浆量 每孔控制在 1015 m3/h，每层采空区注浆间歇次数为 35 次、间歇的时间控制在 24 h 左右；注浆压力控制 在 1.5 MPa 以内；当注浆压力达到 1.5 MPa，泵量在 70～100 L/min 稳定 10～15 min 时，可作为注浆孔施 工结束的标准。 6）注浆充填形成带状充填，可以将充填区域看成是条带开采，将未充填区看成是开采区域，其开采 厚度等于未下沉的空间，即残余空间。以此为基础，提出了带状注浆设计理论和方法参数。 7）井-地电法可有效地检测注浆分布情况，进行注浆质量检测，实测注浆后视电阻率值普遍升高 3～5 倍以上。 参考文献 [1] 何国清，杨 伦，凌赓娣.矿山开采沉陷学[M].徐州中国矿业大学出版社，1991. 88-115;310-329. [2] 孙忠弟.高等级公路下伏空洞勘探、危害程度评价及处治研究报告集[M].北京科学出版社，2000. 55-107;232-269. [3]张志沛，王 红.注浆法在公路下伏煤矿采空区治理工程中的应用研究[J].西安煤田地质与勘察， - 6 - 2003，6 52-55. [3] 邢玉东 杨 昊. 锦州至阜新高速公路煤矿采空区处治设计[J]. 东北公路，2001，24（4） 11-14. （编 辑 张银玲） The testing and study on the treating technique of the complex gob of the coalmines under the freeway between Bejing to Fuzhou in Jiangsu Province ZHANG Min-jing1, XIA Wen-jun2, ZHANG Zhi-pei3 1．The First Highway Academe of the Exploration and Design of Ministry of Communications，Xi’an 710075，China；2 The Constructing Headquarters of the Freeway of Jiangshu Province，Nanjing 210004，China；3 Department of Geology and Environment Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China AbstractBased on the engineering geologic and mining characters of the gobs of coal mines near the west area of Xuzhou city under the freeway between Bejing to Fuzhou City， the engineering testing and studies of the different treating-gob ways are taken respectively. As a results，the treating technique of the economy in reason and the technology in feasibility is provided in the similar engineering for the future. Key words freeway; complex gobs of the coal mines; testing and studies on the treating technique 作 者 简 介 张敏静， 男， 陕西旬邑人， 生于 1960 年 3 月。 1982 年 7 月毕业于西北大学地质学系， 获学士学位。1982 年 7 月至今在中交第一公路勘察设计研究院工作，主要从事工程地质 勘察、公路地质灾害防治及岩土工程等方面的生产与研究工作，现为教授级高工。曾参 与京福高速公路江苏徐州绕城东段高速公路下伏富水多层采空区危害性评价与处理技 术研究 、京福高速公路江苏徐州绕城西段复杂煤矿采空区勘察设计、处治工程及质量 检测技术研究 、 多年冻土公路工程地质研究等项目。 本文引用格式为本文引用格式为 [] 张敏静，夏文俊，张志沛. 京福高速公路复杂煤矿采空区治理技术试验 [J]. 西北大学学报（自然科学网 络版） ，2005，3（2） 0131.