鉆孔壓力注漿法處治公路采空區(qū)的效果探討

魏義強(qiáng)

(1.山西省交通科學(xué)研究院;2.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

山西是中國第一產(chǎn)煤、輸煤大省及能源重化工基地，煤炭資源優(yōu)勢得天獨(dú)厚，儲(chǔ)量大、分布廣、品種全、質(zhì)量優(yōu)、易開采，據(jù)測算，含煤地層面積共61 050 km2，占全省總面積的39.1%，在全省一級的118 個(gè)縣、市、區(qū)行政單元中，就有94個(gè)分布著煤炭，占80%。產(chǎn)煤大省山西在保證國家煤炭需求的同時(shí)，因煤礦采空造成的公路災(zāi)害日益嚴(yán)重——路基大面積沉陷、橋隧變形下沉、開裂以及邊坡坍塌、滑坡等。太原、大同、陽泉、長治、臨汾、晉城等產(chǎn)煤區(qū)，受采空塌陷影響的公路日益增多。目前，在修建高速公路時(shí)，普遍對高速公路下伏采空區(qū)進(jìn)行治理，并收到了較好的效果，采空區(qū)處治的方法有多種，主要有注漿法、干(漿)砌支撐法、開挖法、加固巷道法以及強(qiáng)夯法等，但應(yīng)用最為廣泛的是鉆孔壓力注漿法，其他方法由于限制條件較多，應(yīng)用范圍相對較窄，本文就目前普遍采用的鉆孔壓力注漿法處治煤礦采空區(qū)工藝談幾點(diǎn)看法。

1 鉆孔壓力注漿法的原理

鉆孔壓力注漿法是處治煤礦采空區(qū)最常用的方法，是指首先在地表鉆孔，然后將一定比例的水泥漿或水泥粉煤灰漿液通過注漿泵、注漿管，經(jīng)地表鉆孔注入到采空區(qū)及其上覆巖體裂隙中，漿液經(jīng)過固化、膠結(jié)巖層裂隙帶，在采空區(qū)空洞內(nèi)的漿液形成的結(jié)石體及其上覆巖層共同形成支撐作用，從而保證采空區(qū)上部路基橋隧的穩(wěn)定。

鉆孔壓力注漿法應(yīng)用范圍比較廣泛，多應(yīng)用于處治埋深較深、范圍較大的采空區(qū)、上部為橋隧等重要構(gòu)造物，對變形比較敏感的情況以及礦層開采后發(fā)生了較嚴(yán)重的垮落、采空區(qū)充填程度較高、下部空間相對狹小的地段等等。采空區(qū)經(jīng)壓力充填處治后，地面以下原先存在的松散層、裂隙帶、冒落帶甚至尚未冒落的采空區(qū)空洞、孔隙均隨著漿液的充分?jǐn)U散、填充并結(jié)石膠結(jié)成一個(gè)整體，具有較穩(wěn)定的整體力學(xué)性能，適宜修筑橋隧、路基等構(gòu)造物。

2 鉆孔壓力注漿法處治的適用條件

(1)對于充分采動(dòng)條件下近水平煤礦采空區(qū)處治效果較好

充分采動(dòng)是指地下煤層采出后，地表下沉值達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大值，此后開采工作面的尺寸再繼續(xù)擴(kuò)大時(shí)，地表的影響范圍相應(yīng)擴(kuò)大，但地表最大下沉值不在增加，地表移動(dòng)盆地將出現(xiàn)平底。也就是說，充分采動(dòng)條件下，煤礦采空區(qū)已經(jīng)基本被上覆巖層垮落填滿，此時(shí)的沉降主要受殘余裂隙的影響。用鉆孔壓力注漿法注漿，漿液一般比較稀，流動(dòng)性能優(yōu)良，可以很好地在覆巖裂隙內(nèi)流動(dòng)固結(jié)。另外，在注漿壓力作用下，漿液能夠更充分地?cái)U(kuò)散到更遠(yuǎn)、更細(xì)小的裂隙內(nèi)。漿液經(jīng)過固化、膠結(jié)使破碎的覆巖膠結(jié)成相對較大的巖體，從而對上覆巖層產(chǎn)生支撐作用，保證路基的穩(wěn)定性。

(2)煤層埋深較淺，采動(dòng)較充分，采空區(qū)未充水或僅有少量充水條件下

淺埋深煤層較充分開采后，上覆巖體三帶分布明顯，地下煤層開采結(jié)束，經(jīng)過一段時(shí)間后，地表沉陷逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。采空區(qū)內(nèi)未充水或者少量充水條件下，用鉆孔壓力注漿進(jìn)行采空治理時(shí)，根據(jù)已有設(shè)計(jì)方案，煤層埋深較淺時(shí)確定的治理范圍比較小且能夠滿足加固覆巖及采空區(qū)的需要，漿液能夠擴(kuò)散至整個(gè)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，固結(jié)后可以很好地起到支撐作用保證路基的安全。減少路基變形使其在規(guī)范要求變形范圍內(nèi)。

(3)對地表變形要求較嚴(yán)格的地段處理效果較好

橋隧對地基變形要求較高，運(yùn)用現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行全填充鉆孔壓力注漿，把整個(gè)橋隧下面的采空區(qū)及上覆巖體裂隙帶用漿液填充起來，漿液固結(jié)后對橋隧能起到較好的支撐和保護(hù)。

3 壓力注漿法存在的主要問題

(1)處治范圍較大，費(fèi)用相對較高。

目前，采空區(qū)治理長度是以采空區(qū)塌陷區(qū)沿路線延伸方向展布范圍為準(zhǔn)，即路線延伸方向空洞長度，治理寬度為路基范圍加上兩側(cè)的圍護(hù)帶再以圍護(hù)帶邊界為起點(diǎn)按巖層應(yīng)力擴(kuò)散角考慮所確定的寬度，即

式中:B 為治理寬度;A 為路面寬度;D 為圍護(hù)帶寬度;h 為松散層厚度;H 為基巖頂?shù)讲煽諈^(qū)底板的垂直距離;φ 為松散層移動(dòng)角;β 為基巖移動(dòng)角。

從上式可以看出，隨著采空區(qū)深度的增加，采空區(qū)治理范圍增大很多，當(dāng)采深較大時(shí)，采空治理范圍會(huì)很大，注漿治理費(fèi)用將會(huì)很高。而據(jù)研究當(dāng)采深達(dá)到一定程度時(shí)，采煤活動(dòng)對地表的影響會(huì)減小，這與現(xiàn)有的設(shè)計(jì)思路也相悖。

基于上式的設(shè)計(jì)，沒有考慮煤層的開采方式，統(tǒng)一采用一個(gè)模式顯得有點(diǎn)過于保守，造成很大的浪費(fèi)，當(dāng)煤層開采方式為長臂式，煤層較厚時(shí)基于以上公式進(jìn)行設(shè)計(jì)是必要的。當(dāng)煤層開采方式是房柱式開采方式，或者其他部分開采方式時(shí)，煤層開采后其影響移動(dòng)角相對很小，仍采用上式設(shè)計(jì)難免造成很大的浪費(fèi)。

(2)對于充水采空區(qū)或部分充水采空區(qū)處治效果有待商榷。

采空區(qū)充水時(shí)，首先會(huì)對注漿量有所影響，可能因?yàn)槌渌壒适節(jié){液注入有很大困難。另外，即使?jié){液在壓力下能夠注入，其結(jié)石率、擴(kuò)散情況可能會(huì)和設(shè)計(jì)有很大差別，地下水體不會(huì)被帶壓漿液擠走，漿液注入充水采空區(qū)內(nèi)固結(jié)后其上必有相當(dāng)?shù)乃浚S著時(shí)間的推移這部分水會(huì)逐漸散失掉，從而在覆巖內(nèi)，甚至采空區(qū)內(nèi)留下空隙、空洞，最終會(huì)引起地表發(fā)生殘余變形。所以充水采空區(qū)采用鉆孔壓力注漿的辦法治理，其效果有待商榷。

(3)對于采厚較高，變形不明顯，回采率較低的采空區(qū)治理效果差。

采厚較高，變形不明顯，回采率較低的采空區(qū)，地下一定存在著大量的空洞，這種情況下，采用現(xiàn)有的鉆孔壓力注漿法處置此類采空區(qū)時(shí)，由于下面空洞很大，加上漿液具有很強(qiáng)的流動(dòng)性，要想達(dá)到理想的效果實(shí)際很難做到，地下空洞較大漿液要填滿空洞才能達(dá)到預(yù)期的效果，這在實(shí)際中僅僅靠漿液進(jìn)行填充是很難做到的，加上漿液的流動(dòng)性，會(huì)使好的漿液流走散失，所以此類采空區(qū)僅用現(xiàn)有的鉆孔壓力注漿法進(jìn)行單一方法治理效果不是很好。

(4)煤層傾角較大的采空區(qū)治理效果差。

對于煤層傾角較大的采空區(qū)，煤層開采后，底板傾角較大。采用鉆孔壓力注漿的方法進(jìn)行注漿時(shí)，由于帷幕孔的圍堵情況具體不明在重力作用下，漿液會(huì)向一個(gè)方向流動(dòng)，若地下采空區(qū)空洞較多，則漿液向下方流動(dòng)的量和速度會(huì)更大，這時(shí)在欲治理區(qū)域內(nèi)，漿液滯留固結(jié)的量會(huì)很少，從而達(dá)不到較好的治理效果。

(5)漿液擴(kuò)散范圍實(shí)際難以控制，實(shí)際填充情況與設(shè)計(jì)思路難以對應(yīng)。

由于采空區(qū)屬隱蔽工程，雖然采空區(qū)探測技術(shù)已經(jīng)有很大的進(jìn)步，但煤層開采后地下情況難以從地表清楚得知，加上地下水體以及采空區(qū)空洞等的影響，很難控制漿液的擴(kuò)散，致使?jié){液最終擴(kuò)散的范圍和設(shè)計(jì)的初衷有出入。

4 結(jié)語及建議

(1)公路下伏采空區(qū)的治理方法較單一，以鉆孔壓力注漿全充填法為主，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置注漿工作，盲目性很大，有時(shí)造成較大的浪費(fèi)，也帶有一定的風(fēng)險(xiǎn)度。所以現(xiàn)有的設(shè)計(jì)思路有待進(jìn)一步改進(jìn)與完善。

(2)采空區(qū)治理范圍的問題，據(jù)研究采空區(qū)地表沉降問題的影響因素有多種，其中開采方式對其影響最為嚴(yán)重，煤層開采后，覆巖的破壞按照破壞角向地表延伸，在破壞角之外的部分為張拉裂隙帶，其破壞程度和煤層開采方式覆巖堅(jiān)硬程度有直接關(guān)系。當(dāng)采煤方式為房柱式開采時(shí)，只采煤房煤柱用于支撐覆巖，這種情況下，采煤對覆巖的破壞不會(huì)向外擴(kuò)展，僅僅影響到被采煤層上方的覆巖。在采空治理過程中只需要治理線路內(nèi)有采空的部分，沒有采空的部分可以采用減少注漿孔的方式次重點(diǎn)治理。

(3)采空區(qū)治理注漿材料的問題，目前公路采空區(qū)治理注漿材料以水泥粉煤灰為主，也有水泥粘土或者水泥黃土漿材。在以后的采空治理過程中，應(yīng)探索新材料以降低成本同時(shí)達(dá)到較好的治理效果。

(4)關(guān)于傾斜采空區(qū)治理問題，當(dāng)煤層傾斜程度較大時(shí)，采用鉆孔壓力注漿法治理時(shí)應(yīng)考慮漿液的流動(dòng)方向的一致性，考慮帷幕圍堵的效果，可以在注漿次序和注漿位置上進(jìn)行優(yōu)化，首先進(jìn)行傾斜下方的帷幕注漿，然后從上邊開始注漿，使?jié){液盡量留在治理區(qū)域內(nèi)，減少漿液的流失從而達(dá)到較好的治理效果。

(5)目前注漿治理中，治理漿液過稀凝固速度慢。所以漿液注入采空區(qū)和覆巖裂隙內(nèi)后，需要很長時(shí)間固結(jié)，這段時(shí)間內(nèi)漿液可能會(huì)流失很多，達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)想的治理效果。公路下伏采空區(qū)治理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其包括采空探測、穩(wěn)定性評價(jià)、治理技術(shù)和質(zhì)量監(jiān)控。前期探測十分重要，探明采空情況，我們有針對性地采取相應(yīng)的治理措施才會(huì)達(dá)到較好的效果。在采空區(qū)內(nèi)應(yīng)注入高粘稠漿液，膏體物質(zhì)或者骨料，在覆巖裂隙內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行注漿加固。

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［2］山西省交通廳.高速公路采空區(qū)(空洞)勘察設(shè)計(jì)與施工治理手冊［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］鄭長成.巖體裂隙內(nèi)穩(wěn)定水泥漿液擴(kuò)散范圍的理論分析［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2006:58－63.