忻保高速公路路基下伏煤礦采空區(qū)的處治

郝金杰

0 引言

隨著我省高速公路“九縱十一橫,十一環(huán)”戰(zhàn)略的實(shí)施,公路建設(shè)掀起了新一輪的高潮,很多地區(qū)的高速公路常常不可避免地布設(shè)于煤礦采空區(qū)的地表。由于煤礦采空區(qū)地表過去或現(xiàn)在所發(fā)生的變形、裂縫或塌陷,對通過高速公路路基、路面或構(gòu)造物的強(qiáng)度及穩(wěn)定性造成不同程度的影響和破壞。為此,必須對公路通過的非穩(wěn)定采空區(qū)進(jìn)行治理。

1 處治的必要性

忻保高速公路途經(jīng)忻州市保德縣保德煤礦,勘察期間,在K176+610～K176+977段地表發(fā)現(xiàn)大量裂縫近似龜裂,尤其在K176+550右200 m和K176+860～K176+977一帶裂縫走向220°～300°延伸最大長度 120 m,最大寬度60 cm。經(jīng)調(diào)查得知下伏煤礦采空區(qū),該采空區(qū)埋深132 m～176 m,開采8號煤層,采厚5.5 m,采深采厚比 24∶32,回采率 90%,煤層產(chǎn)狀 265°∠4°。煤層偽頂偽底均為泥巖,老頂為厚層狀砂巖,老底為砂質(zhì)泥巖。該8號煤層采空區(qū)冒落帶高度為22 m,冒落裂隙帶高度約為83 m,預(yù)計(jì)地表剩余下沉量W=1 980 mm,地表剩余傾斜變形值i=±41 mm/m＞±3 mm/m,地表剩余曲率變形值K=±1.3 mm/m2＞±0.2 mm/m2,地表剩余水平變形值 ε=±16 mm/m＞±2 mm/m。地表剩余變形參數(shù)均大于容許值,該采空區(qū)嚴(yán)重影響路基,必須進(jìn)行處治。

2 處治方案的選取

忻保高速公路路基下伏采空區(qū)處治方案的選取遵循了以下原則：1)技術(shù)上可行,經(jīng)濟(jì)上合理,又能滿足進(jìn)度要求。2)根據(jù)采空區(qū)的地基條件、道路條件及施工條件進(jìn)行。并結(jié)合我省大運(yùn)高速公路、長晉高速公路、太長高速公路、離軍高速公路等多條高速公路對煤礦采空區(qū)的工程處治經(jīng)驗(yàn),最終經(jīng)過篩選,選用全充填注漿法來處治。

全充填壓力注漿法是在地表施工鉆孔,鉆孔深度達(dá)到煤礦采空底板,將注漿管密封在煤礦采空區(qū)上覆巖層中,采用泥漿泵,將漿液注入煤礦采空塌陷區(qū)和其上覆的巖層裂隙帶中,漿液的結(jié)石體阻止上覆巖層及地表的進(jìn)一步變形,從而達(dá)到治理采空區(qū)的目的。

3 處治范圍的確定

采空區(qū)處治范圍包括采空區(qū)處治長度和采空區(qū)處治寬度。

處治長度是以采空塌陷區(qū)邊界為起點(diǎn)所確定的長度,處治寬度為圍護(hù)邊帶外側(cè)向兩側(cè)按巖體擴(kuò)散角考慮所確定的邊界寬度。

其中,L為處治寬度,m;D為路基寬度,取24.5 m;B為圍護(hù)帶,取10 m;H1為松散層厚度,m;H2為覆巖厚度,m;φ為松散層移動角,取值45°;β為采空區(qū)覆巖巖體擴(kuò)散角,取值70°。計(jì)算得出該采空區(qū)處治寬度為180 m。

4 灌漿孔布設(shè)

灌漿孔布設(shè)深度為地表至采空區(qū)底板下1 m,注漿管長度為地面之上1 m至完整基巖下6 m處的深度。帷幕孔是公路中心線兩側(cè)最邊緣的一排孔,孔距為25 m。注漿孔的布設(shè)是路基范圍沿縱向布置3排,排距和孔距都是25 m,路基兩側(cè)范圍沿縱向各布置1排,孔距為30 m,梅花形布設(shè)。

5 注漿配合比設(shè)計(jì)

注漿漿液為水泥粉煤灰漿,其水固比為 1∶1.5～1∶1.0,水泥占固相的15%,粉煤灰占固相的85%,帷幕孔需根據(jù)具體情況,采用較稠的漿液,使注入采空區(qū)的漿液盡快凝固,以形成帷幕,防止?jié){液流失。

6 注漿量的確定

該段采空區(qū)剩余空洞體積為149 153 m3。

注漿量按公式：

其中,A為漿液損耗系數(shù),取值1.1;ΔV為采空區(qū)剩余空隙體積,m3;η為漿液充填率,取值0.9;C為漿液結(jié)石率,取值0.85。

根據(jù)上式,計(jì)算注漿量為173 719 m3。

7 處治工藝流程

處治工藝流程見圖1。

8 質(zhì)量檢驗(yàn)

注漿施工結(jié)束6個月后運(yùn)用物探、鉆探取芯及室內(nèi)試驗(yàn)、鉆孔、壓水試驗(yàn)、地表變形觀測等多種技術(shù)和方法對煤礦采空區(qū)治理工程質(zhì)量進(jìn)行質(zhì)量檢測,結(jié)果結(jié)石體抗壓強(qiáng)度平均值為0.65 MPa,充填率 83%,單位壓水量為54 L/min,孔內(nèi)彈性橫波183 m/s,變形觀測的傾斜、豎曲率,水平變形都小于評價標(biāo)準(zhǔn)要求值。經(jīng)過綜合分析,工程質(zhì)量良好,注漿效果顯著,可以進(jìn)行下一工序即主體工程的施工。

[1]劉佑農(nóng).鐵路路基小煤窯采空處理方法初探[J].山西建筑,2008,34(17)：306-307.