道路穿越煤田采空區(qū)預留煤柱的技術(shù)措施研究

張 勝，夏炎早，侯文韜

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 前言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市的擴張，部分礦產(chǎn)被開采后留下的采空塌陷區(qū)已經(jīng)被城市建成區(qū)包圍。為了開發(fā)和利用廢棄礦區(qū)老采空區(qū)土地，提高礦區(qū)土地利用率，緩解礦區(qū)土地資源緊缺的矛盾，開展采空沉陷區(qū)土地資源的開發(fā)和利用工作已經(jīng)迫在眉睫。城市道路作為土地利用的先期基礎設施，如何確保其在采空區(qū)建設的安全和穩(wěn)定無疑就成為一項需要重點研究的課題。

1 研究現(xiàn)狀

采空區(qū)路基是一種特殊的路基，但目前國內(nèi)外并沒有關(guān)于公路采空區(qū)處理的專門的規(guī)范規(guī)程，相關(guān)規(guī)范中并未進行明確和詳細的規(guī)定，甚至很少有規(guī)范涉及該問題。

近年隨著高速公路的大量興建，我國在采空區(qū)路基方面的研究也陸續(xù)開始起步，對采空區(qū)問題進行了一定的研究和探索，但理論基礎和研究手段均不完善，以工程經(jīng)驗積累為主，以淺層采空區(qū)治理居多，國內(nèi)外也沒有形成專門針對高等級道路下伏采空區(qū)處治質(zhì)量和效果檢驗的技術(shù)標準，部分工程浪費現(xiàn)象嚴重，甚至留下工程隱患。

2 治理方案及適用情況

道路穿越采空區(qū)在不同情況下可采用的治理的方法如下：

（1）對于沉陷尚未穩(wěn)定的采空區(qū)、經(jīng)過經(jīng)濟技術(shù)評價和風險評估后認為穿越代價過大或風險過高的采空區(qū)，可采取路線繞避或暫緩修建的方式，待條件成熟后再建設。

（2）對于沉陷已經(jīng)穩(wěn)定的采空區(qū)，當屬于埋深小于30m的淺部采空區(qū)時，一般采取開挖回填、網(wǎng)格板墊層、注漿充填、灌注樁支撐、表部加固加深部注漿等方式；當屬于中深部采空區(qū)（30～100 m）時，一般采用全注漿充填法或覆巖結(jié)構(gòu)加固補強法；當屬于超深部采空區(qū)時則一般采用注漿充填法。

（3）為方便煤礦生產(chǎn)和運輸，部分煤礦在開采時預留了煤柱和巷道。道路穿越煤田采空區(qū)時在預留煤柱修筑道路技術(shù)上較為可行，相對較為安全。預留煤柱的寬度和煤柱的地質(zhì)條件決定了可以修筑的道路等級及路幅寬度，對道路寬度超出煤柱穩(wěn)定區(qū)的部分，可通過注漿和提高路基整體穩(wěn)定措施來確保路基的穩(wěn)定。

本文通過烏魯木齊外環(huán)路東北段穿越六道灣煤田采空區(qū)的工程實例，介紹了道路穿越煤田采空區(qū)預留煤柱路段確保路基抗變形措施的方法、注漿處理的技術(shù)和檢測路基抗變形效果的檢測方案等。

3 工程實例

烏魯木齊外環(huán)路東北段道路工程位于烏魯木齊市區(qū)東北角，起點為現(xiàn)狀東外環(huán)高架道路落地引道，終點至蘇州路南湖路路口與已建高架道路相連，規(guī)劃線位經(jīng)比選后仍需穿越六道灣煤田采空區(qū)，穿越采空區(qū)段長約1 050 m。該項目的建成，將完成烏魯木齊外環(huán)路的全線貫通，在烏魯木齊的路網(wǎng)中具有重要的地位和作用。

3.1 地質(zhì)狀況

在外環(huán)路東北段K9+350-K10+400段，自南向北分布有侏羅系西山窯組（J2x）B1-B33煤層，煤層傾向為 330°、-360°，走向近東西，傾角 65°、-70°，煤層露頭均與上覆第四系地層（厚度小于10 m），呈角度不整合接觸。煤層采空區(qū)主要為神華新疆能源公司六道灣煤礦采空區(qū)，采空區(qū)是近東西向分布于擬建場地中部，寬約700～800 m，開采深度、開采規(guī)模、開采范圍均較大，開采煤層主要為侏羅系西山窯組煤系地層中的26層煤。

在煤礦采空區(qū)路段，現(xiàn)地面高程為海拔810～825 m，煤礦已開采至540 m高程，分三個水平開采層分期開采，每層采高約100 m，其間為厚約10 m的水平煤柱。每一水平層開采完畢后，采用放頂垮落法處理采空區(qū)。至確定道路方案時，該煤礦第一水平層（高程750 m以上），第二水平層（高程650～750 m），已開采完畢，并整體放頂垮落完畢。六道灣路西側(cè)井田已停止開采，東側(cè)正在進行第三水平層（540～640 m）開采。局部已開采至475 m高程。煤礦已于2010年停采。

經(jīng)對路線的綜合比選，確定外環(huán)路東北段從現(xiàn)有六道灣路（寬約12 m）通過，六道灣路以下為煤礦建井時建的中央石門位置（主巷道），且六道灣路是該煤礦主要出入道路，根據(jù)國家采煤相關(guān)規(guī)范規(guī)定，煤礦在現(xiàn)六道灣路面以下位置預留了安全保護煤柱。

該煤柱分布于六道灣路之下，從地面至高程650m處，煤柱寬130m，斷面呈矩形，高程540～650 m段，煤柱斷面呈梯形，寬度自130 m至250 m，呈65°角放坡。該煤柱內(nèi)分布有六道灣煤礦中央石門，為南北向分布的三層煤礦運輸主巷道，即分別位于高程750m、650m、540m處，巷道斷面呈拱型,寬約4 m，拱頂高約3 m，均已進行砌襯，其中650 m、750 m處為片石砌襯，540 m處巷道為錨噴支護，3條巷道運行時間15～50 a不等，均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 穩(wěn)定性評價

根據(jù)六道灣煤礦多年沉降觀測資料，確定采空區(qū)影響范圍，該觀測資料表明，采空區(qū)破壞邊界、變形邊界、穩(wěn)定邊界取決于采空區(qū)頂、底板（走向邊界煤層）的破壞角、變形破裂角和穩(wěn)定角及采空深度。

根據(jù)觀測資料結(jié)果，采空區(qū)頂、底板破壞角分別為34°、66°，采空區(qū)頂、底板變形破裂角分別為30°、64°，煤層走向破壞角為 85°、變形破裂角為70°，采空區(qū)頂、底板穩(wěn)定角分別 29°、60°，煤層走向穩(wěn)定角為67°，詳見圖1所示。根據(jù)各角度不同，將受采空區(qū)影響范圍分別劃分為破壞區(qū)、移動區(qū)、變形區(qū)、穩(wěn)定區(qū)。

根據(jù)上述評價模式，現(xiàn)有煤柱地表均為移動區(qū)和變形區(qū)，完全穩(wěn)定區(qū)位于地表下約17 m處，具體破壞移動區(qū)、變形區(qū)、穩(wěn)定區(qū)在現(xiàn)有斷面上的分布情況見圖2所示。

圖1 采空區(qū)穩(wěn)定性評價模式

圖2 采空區(qū)中央煤柱示意圖

3.3 治理方案

該工程設計階段對穿越采空區(qū)段進行了多方面論證，考慮到采空區(qū)沉陷已經(jīng)穩(wěn)定，在分析了繞避方案、采用橋梁結(jié)構(gòu)跨越方案、營運后維修等方案的可能性和經(jīng)濟性后，考慮到現(xiàn)有安全煤柱寬度130 m，大部分處于移動區(qū)和變形區(qū)，即發(fā)生坍塌、冒落等突然變化的可能性較低，主要表現(xiàn)為緩慢的、長期性的變形和移動，最終確定路線從預留煤柱上穿越采空區(qū)。穿越采空區(qū)路段為地面快速路加兩側(cè)輔道，路幅寬度為47.5 m，位于預留煤柱的移動區(qū)內(nèi)，且淺層存在少量采空區(qū)。治理方案采用注漿方案，將煤柱移動區(qū)內(nèi)裂隙和淺層采空區(qū)填充加固，加強其整體性；并結(jié)合路基采取抗變形措施的綜合方案。路基抗變形措施經(jīng)比選采用鋪設1.2 m天然級配砂礫加3層土工格柵的方案。

3.4 注漿處理

注漿處理需研究解決漿液配合比和注漿工藝及設計參數(shù)。

3.4.1 漿液配合比試驗

根據(jù)該工程的巖土工程條件，尤其是預留安全煤柱巖體破碎情況，注漿目的以固結(jié)注漿為主，確定注漿漿液為純水泥漿，同時添加部分添加劑，改善漿液性能。在漿液配合比室內(nèi)實驗階段，選用52.5R、42.5R普通硅酸鹽水泥、G級中抗硫酸鹽油井水泥作為巖體灌漿加固材料進行比較。同時對添加劑采用水玻璃、膨潤土加減水劑、纖維素進行比較，并采用不同的水灰比進行對比試驗。

漿液配合比試驗根據(jù)漿液流動度、結(jié)石率、抗壓強度、初凝時間和終凝時間等技術(shù)指標綜合判定。經(jīng)61組穩(wěn)定漿液配合比試驗結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)三種水泥比重差別不大，52.5R普通硅酸鹽水泥漿液的粘度高于其他兩種水泥漿液，凝結(jié)時間也小于其他兩種水泥；G級中抗油井水泥漿液的流動度最大，這是由于它的細度最小造成的；結(jié)石率方面52.5R普通硅酸鹽水泥漿液和42.5R普通硅酸鹽水泥漿液差別不大，均高于G級中抗油井水泥漿液；在強度方面3種水泥漿液強度均大于5.0 MPa,滿足穩(wěn)定漿液要求。但使用42.5R普通硅酸鹽水泥作為注漿漿液主要材料，僅材料費即可節(jié)約約30%。水灰比由0.6∶1到1.5∶1變化時，漿液的流動度、凝結(jié)時間遞增，而粘度、比重、結(jié)石率、抗壓強度遞減。在相同品種水泥，相同水灰比的條件下，以水玻璃為外加劑的漿液其結(jié)石率明顯高于其他外加劑的漿液。

根據(jù)上述試驗結(jié)果，最終確定以42.5R普通硅酸鹽水泥為主要材料，水灰比1∶1，添加劑為3%水玻璃的漿液為現(xiàn)場注漿漿液配合比。同時為避免漿液往加固區(qū)兩側(cè)擴散的無效加固，在兩側(cè)增設帷幕注漿孔，使用水灰比為0.9∶1的以42.5R普通硅酸鹽水泥為主要注漿材料的漿液為帷幕孔注漿漿液。

3.4.2 注漿試驗

室外試驗工程針對不同煤層分布選定3塊試驗場地分別進行了現(xiàn)場注漿試驗。在試驗過程中，根據(jù)注漿處理方案要求，對需通過試驗確定的各個方案、方法和設計參數(shù)，均進行了對比試驗，同時進行了施工工藝試驗，確定如下注漿的主要工藝和參數(shù):

（1）注漿孔平面布設時，應在最外側(cè)布設兩排帷幕注漿孔，其余鉆孔為充填固結(jié)注漿孔。

（2）治理寬度78m，其中兩側(cè)安全寬度各15 m。注漿孔孔距為6.0 m，等邊三角形布設。治理深度從現(xiàn)狀地面標高起始，最小處理深度為40 m，最大處理深度為55 m。

（3）注漿方法采用自下而上分段純壓式注漿和孔口封閉純壓式注漿相結(jié)合的綜合注漿法。

（4）注漿分段長度為10 m，必要時可合并注漿段直至采用孔口封閉式注漿。

（5）注入率為 70～100 L/min。

（6）各注漿段終止注漿條件為：對帷幕注漿孔，注漿段的注入率為70～100 L/min時，注漿壓力達到設計壓力并維持10 min，結(jié)束注漿；對充填、固結(jié)注漿孔，注漿段的注入率為70～100 L/min時，注漿壓力達到設計壓力并維持15 min，結(jié)束注漿；距注漿孔口3.0 m以遠冒漿，結(jié)束注漿；各類注漿孔，注入率控制為70～100 L/min，當注漿段的孔口注漿壓力陡升，超過設計壓力值后，難以維持穩(wěn)定，繼續(xù)上升，可直接結(jié)束該段注漿。

3.5 檢測和監(jiān)測

對注漿效果的檢測一般可采用高密度電法、綜合探管測井、聲波測井、檢查孔鉆孔取芯壓水試驗等檢測方法。試驗研究結(jié)果表明，檢查孔鉆進取芯是注漿質(zhì)量檢測中最有效、最直觀、最權(quán)威的手段，是其他檢測方法的基礎。地球物理測井可以有效地判斷注漿施工質(zhì)量，是注漿施工質(zhì)量檢測的有效手段。其中縱波波速、密度和巖體強度指數(shù)與注漿質(zhì)量相關(guān)性較大。而高密度電法和壓水試驗做為注漿質(zhì)量檢測使用效果并不明顯，并不適宜。

根據(jù)現(xiàn)行國家規(guī)范相關(guān)規(guī)定，結(jié)合國內(nèi)外類似工程經(jīng)驗，確定本工程質(zhì)量檢測頻率為注漿孔總數(shù)的3%。

在采用路基抗變形處理方案處理的路段，設置地面水準觀測網(wǎng)和鉆孔巖體變形監(jiān)測網(wǎng)。水準觀測網(wǎng)沿道路每50m設置2點，分別布設在道路機動車道上。監(jiān)測鉆孔布設在道路綠化帶內(nèi)，每150m布設1組，鉆孔深度65 m。在鉆孔中埋設巖體變形觀測儀，定期觀測巖體變形和路面沉降情況。

4 結(jié)語

烏魯木齊外環(huán)路東北段已經(jīng)建成通車，工程施工時按設計要求布設的監(jiān)測網(wǎng)也開始了監(jiān)測。經(jīng)過通車后近一年的運營和監(jiān)測，未發(fā)現(xiàn)路基及預留安全煤柱巖體發(fā)生不利于道路運行安全的變形，說明該工程采用的治理措施和手段是有效的。

[1]童立元,劉松玉,邱玨.高速公路下伏采空區(qū)危害性評價與處置技術(shù)[M].南京：東南大學出版社，2006.

[2]孫忠弟.高等級公路下伏空洞勘探、危害程度及處治研究報告集[M].北京：科學技術(shù)出版社，2000