多煤層采空區(qū)注漿加固設(shè)計與施工

陳利生

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

多煤層采空區(qū)注漿加固設(shè)計與施工

陳利生

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

多煤層采空區(qū)屬于隱蔽性工程，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差，若在其上方興建建筑物尤其是高層建筑物時必須采取一定的治理措施，在治理之前首先應(yīng)對其可行性進行專題論證，進而在論證的基礎(chǔ)上合理組織設(shè)計與施工。結(jié)合工程實例，對多煤層采空區(qū)治理工程中涉及到的問題進行了較深入的研究:結(jié)合地質(zhì)采礦資料并運用鉆孔探測技術(shù)，對地基穩(wěn)定性進行了分析評價；確定了注漿方案、注漿范圍以及注漿孔孔位布置；在施工工藝方面對漿液材料配比、注漿段劃分、漿液擴散半徑以及注漿壓力等參數(shù)進行了分析研究；最后運用鉆探和物探技術(shù)對注漿效果進行了檢測分析，并結(jié)合概率積分法，對各項地表殘余變形參數(shù)進行了預(yù)計。結(jié)果表明：此次注漿達到了預(yù)期目的，為地表建筑物的安全運行提供了保障，可為其他類似工程提供一定的參考與借鑒。

多煤層采空區(qū) 穩(wěn)定性分析 注漿設(shè)計 施工 效果檢測

近些年來，隨著城鎮(zhèn)化趨勢的快速發(fā)展和工業(yè)經(jīng)濟水平的不斷提高，土地需求與土地資源緊缺之間的矛盾日益突出，在許多工業(yè)化程度高及人口密集的城市土地緊缺問題已成為制約城市發(fā)展的瓶頸[1-3]。尤其在礦業(yè)型城市，本來土地資源數(shù)量有限，加之資源的開發(fā)利用，使原本有限的土地大面積被破壞和占用，鑒于土地資源的緊缺，許多礦業(yè)型城市不得不考慮將建筑物建在采空區(qū)之上，但采空區(qū)上方，尤其是多層采空區(qū)上方，建設(shè)項目地質(zhì)災(zāi)害治理難度大、任務(wù)重，目前還沒有統(tǒng)一、成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此對此方面治理工程進一步研究探討有著重要的意義。本研究結(jié)合工程實例對多煤層采空區(qū)的注漿加固與施工進行研究探討。

1 工程概況

擬建廠址位于礦區(qū)工業(yè)廣場地帶，地下為多層采空區(qū)和保安煤柱，煤炭資源已開采枯竭，礦山已停采多年，井下保安煤柱資料情況不很詳盡，特別是解放前開采資料不多，雖采空區(qū)冒落沉降已基本完成，但采空區(qū)“活化”仍有可能。其具體條件如下。

地質(zhì)構(gòu)造：礦區(qū)位于煤田東端邊緣地帶，井田中間有2條北東向小型斷裂將礦區(qū)分為5個塊段，并有多條羽狀小斷層存在。擬選廠址處在上述2斷層之間地段，該2斷層不屬區(qū)域性構(gòu)造，亦非全新世活動斷裂，對廠址穩(wěn)定性的影響不大。

煤層及采空區(qū)：擬建廠區(qū)下方共有12層煤，其中可采煤層為5層，自上而下分別是4，6，7，8，10號煤層，煤層傾角依次為19°，19°，11°，19°，12°，平均采厚依次為1.3，2.2，1.3，3.1，1.5 m,最小采深依次為210，230，300，240，250 m。

水文地質(zhì)條件：廠區(qū)地下水水位變化較小，且淺部地層含水性處于很濕或飽和狀態(tài)，因此地下水疏降對地表建(構(gòu))筑物地基變形的影響可不考慮。另外，場地賦存的上層滯水，水質(zhì)良好，對簡易鋼結(jié)構(gòu)廠房不具腐蝕性。

2 采空區(qū)現(xiàn)狀分析

由于本工程建筑物最高為6層，建筑荷載載荷較大，對地基穩(wěn)定性要求較高，手頭掌握的圖紙資料不足以說明地下實際情況，所以非常有必要對重要建構(gòu)筑物區(qū)域深部巖層與老采空區(qū)現(xiàn)狀進行鉆探分析，進而掌握采空區(qū)及其覆巖的破壞情況，為后期老采空區(qū)地基的加固治理設(shè)計提供可靠的依據(jù)[4-6]。根據(jù)地質(zhì)采礦條件，結(jié)合地面建筑物擬建位置，共布置了7個勘察孔，其中車間處4個，辦公樓處2個，服務(wù)中心處1個。為了直觀掌握勘察孔內(nèi)巖層的破碎情況，利用彩色鉆孔電視系統(tǒng)對7個勘察孔的老采空區(qū)巖層現(xiàn)狀進行了觀測分析。

通過對1～7號勘察孔鉆孔電視觀測資料進行分析，對擬建廠址老采空區(qū)上覆巖層的現(xiàn)狀以及老采空區(qū)的冒落狀況有以下認(rèn)識：服務(wù)中心(1號勘察孔)區(qū)域下覆巖層破碎，且有冒落老采空區(qū)分布；辦公樓區(qū)(2、3號勘察孔)在140 m深度以下，巖層的完整性較差，裂隙發(fā)育，裂隙主要為高角度縱向裂隙為主，有明顯受煤層開采的影響痕跡；生產(chǎn)車間區(qū)域(4～7號勘察孔)，在200 m深度以下，巖層完整性變差，有大量橫縱向裂縫出現(xiàn)，有破碎巖石出現(xiàn)且碎石間空隙較大，疑似進出垮落帶上部，特別是215 m深度以下有明顯的空洞、碎石存在，在外部荷載和地震等外力影響下，老采空區(qū)活化的可能性是存在的。

由上述勘查結(jié)果可知擬建廠區(qū)下方采空區(qū)及其覆巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差，在施加建筑荷載后易發(fā)生失穩(wěn)活化，故為確保擬建建筑物的安全運行，必須對其進行注漿加固處理。

3 注漿方案總體設(shè)計

3.1 治理方案的選擇

結(jié)合鉆孔電視，利用勘察孔對采空區(qū)及其上覆巖層的破壞現(xiàn)狀進行了探測。結(jié)果顯示：擬建廠區(qū)下方采空區(qū)較多且連通性好，上覆巖層裂縫帶范圍較大，巖層松軟破裂，容易實現(xiàn)漿液均勻擴散，比較容易控制注漿范圍,故本次注漿加固治理采用分段下行式注漿充填法[7]。施工時應(yīng)采取邊注漿邊檢測、間歇式反復(fù)注漿、必要時適當(dāng)加密注漿孔布置的方法，盡量使采動裂隙充分得到充填加固，保證注漿質(zhì)量。

3.2 注漿范圍的確定

根據(jù)理論計算，擬建廠區(qū)下方老采空區(qū)裂縫帶頂部距地表的最小深度為179 m。但在補勘孔施工過程中，根據(jù)鉆孔漏水情況與鉆孔電視實測裂隙發(fā)育情況分析，自115～135 m深度以下，巖層裂隙已開始與井下老采空區(qū)溝通，鉆孔沖洗液漏失，特別是生產(chǎn)車間位置，巖層受老采空區(qū)采動影響破壞位置距地表較淺，需要加強治理。

根據(jù)擬建建筑物的面積加上相應(yīng)的圍護帶寬度確定受護邊界后，此次注漿水平方向治理范圍按沖積層移動角和基巖移動角采用垂直剖面法進行確定?？v向起始深度為115 m，縱向治理范圍為115 m至采空區(qū)煤層底板處。

3.3 注漿孔位布置

根據(jù)擬建廠址勘察孔的勘察結(jié)果及鉆孔布置情況，結(jié)合以往采空區(qū)治理實踐經(jīng)驗，確定在治理范圍內(nèi)注漿孔按均勻布孔方式布設(shè)，注漿孔間距為40～50 m。將原勘察孔轉(zhuǎn)為注漿孔，在治理范圍內(nèi)共布置17個注漿孔。臨時車棚處結(jié)構(gòu)簡單，抵抗變形能力強，故不作特別處理，注漿孔布置與建(構(gòu))筑物位置相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 注漿孔布置與建(構(gòu))筑物位置相互關(guān)系Fig.1 The relationship of grouting holes and buildings (structures)

3.4 注漿量的確定

采空區(qū)加固注漿的注入量與采空區(qū)的高度、地層性質(zhì)、采空區(qū)冒落狀況以及覆巖破壞情況有關(guān)，同一地區(qū)各孔相差也很大，準(zhǔn)確預(yù)計注漿量存在一定困難[8]。但根據(jù)漿液有效擴散半徑、老采空區(qū)上覆巖層殘余空隙率等參數(shù)，可以估計出各注漿孔的最大需要注入量，經(jīng)計算本次采空區(qū)治理工程平均單孔注漿量為1 764 m3，預(yù)計總的注漿量約為29 988 m3。

4 采空區(qū)注漿工程實施

4.1 注漿材料及配比

本著經(jīng)濟合理、技術(shù)可行的原則，此次注漿選擇水泥、粉煤灰材料，其固相比(水泥與粉煤灰的比例)選為1∶3，注漿過程中，漿液的水灰比隨注漿時段的不同分為1∶1，0.8∶1，0.6∶1。初期注漿以稀漿為主，以利于漿液擴散。待掌握特點后，逐漸提高漿液濃度。

為確定注漿結(jié)實體的強度是否滿足實際要求，按規(guī)定對各配比的注漿結(jié)實體進行了強度檢驗，試塊強度變化如圖2所示。

圖2 試塊強度變化Fig.2 The strength changes of test blocks◆—漿液水固比1∶1；■—漿液水固比0.8∶1；▲—漿液水固比0.6∶1

注漿工程充填體強度測試主要是通過抗壓強度的測試，得出充填體的強度參數(shù)，設(shè)計要求漿液結(jié)實體單軸抗壓強度≥0.3 MPa，由試驗結(jié)果可知，結(jié)實體強度符合設(shè)計要求。

4.2 注漿參數(shù)的確定

4.2.1 注漿段劃分

勘察孔鉆探施工與鉆孔電視觀測的結(jié)果顯示，在孔深120～300 m的深度范圍內(nèi)，巖層裂隙比較發(fā)育。為保證老采空區(qū)裂隙巖層加固質(zhì)量，需要采取分段注漿方式，鉆孔鉆進一段，注漿一段，由外向里依次推進；終孔后，由下而上分段復(fù)注。根據(jù)以往注漿實踐經(jīng)驗，確定注漿段高度為25 m。

4.2.2 注漿擴散半徑

漿液有效擴散半徑與注漿壓力、漿液稠度、漿液初凝的速度、注漿材料、注漿方法、空區(qū)充填壓實程度，以及注漿孔穿過或揭露采空區(qū)的不同部位等有關(guān)，一般應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定[9-11]。漿液在采空區(qū)中的擴散距離一般為5～50 m。根據(jù)類似工程推測此類工程注漿設(shè)計的有效擴散半徑選擇25 m左右是合理的，充填效果較好，本次注漿孔注漿設(shè)計的有效擴散半徑為20～25 m。

4.2.3 注漿壓力

注漿壓力與注漿處的被注巖體結(jié)構(gòu)、漿液黏度、凝膠時間長短等多個因素有關(guān)，很難確定一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般通過現(xiàn)場注漿試驗確定，通常注漿壓力越大擴散半徑越大，注漿效果越好。鑒于采空區(qū)附近多為塌落堆積物且?guī)r層破碎較為嚴(yán)重，故可適當(dāng)降低注漿終壓，選為1.0～1.5 MPa。

4.2.4 注漿工藝及施工

采空區(qū)注漿工程的施工工藝一般工序：施工前的準(zhǔn)備—施工注漿孔—建立注漿站—注漿系統(tǒng)耐壓試驗—鉆孔沖洗及壓水試驗—制漿注漿—觀測孔注漿工藝—觀測與記錄—注漿結(jié)束后的壓水試驗—關(guān)閉注漿系統(tǒng)—提取注漿塞—封孔—分析注漿效果。

上述工藝中注漿孔的施工在整個過程中起著至關(guān)重要的作用，其施工方法是：在地表沖積層階段，以開孔直徑鉆進至未風(fēng)化基巖內(nèi)部8～10 m，下直徑127 mm套管護壁；以下以120 mm直徑鉆進至120 m深度，灌注水灰比為0.6∶1 或更濃的加水玻璃的水泥漿，其水泥漿柱高度不小于8 m，下入直徑110 mm的止?jié){管，待水泥漿終凝或24 h后再變徑至91 mm鉆至第一注漿段設(shè)計深度，然后開始注漿。等該段注漿完畢、水泥漿終凝后掃孔并鉆至第二注漿段設(shè)計深度，進行下一段注漿。如此多次重復(fù),直至注漿結(jié)束。

5 注漿效果檢測分析

為檢驗注漿效果是否達到預(yù)期目的，本項目選擇了鉆探與物探相結(jié)合的方法進行了效果檢驗，并在在檢驗的基礎(chǔ)上運用概率積分法，對注漿加固處理前后的地表殘余變形參數(shù)進行了對比分析，最終對本次注漿加固的效果進行評價。

5.1 鉆探檢測結(jié)果

檢查孔一般布置在巖石破碎或坍塌最嚴(yán)重的部位，同時也要兼顧漿液擴散半徑最小部位或注漿加固效果欠理想部位[12-13]。本次注漿效果檢測最終確定2個檢查孔，I號檢查孔設(shè)在1車間的南部，II號檢查孔設(shè)在服務(wù)中心大樓的東南部。

I號檢查孔設(shè)計深度為260 m，終孔深度為260 m。在鉆進過程中沖洗液有少量間歇性漏失，沒有出現(xiàn)大幅度沖洗液消耗現(xiàn)象，進尺比較正常。在246 m左右沖洗液攜帶上來大量粉煤灰，說明漿液已達到此處。II號檢查孔施工到155 m時沖洗液完全消耗，158 m處孔內(nèi)開始少量返水，但是沒有發(fā)現(xiàn)見軟現(xiàn)象，在240 m左右孔內(nèi)返出大量粉煤灰，說明注漿已涉及到該位置，該孔按照設(shè)計要求為取芯孔，實際取芯率為89%。2個檢查孔在鉆進過程中均未發(fā)現(xiàn)明顯的掉鉆、落鉆及異常進尺現(xiàn)象。結(jié)合鉆孔電視觀測可知，檢查孔附近區(qū)域巖層充填效果明顯，有大量注漿結(jié)實體存在的痕跡，驗證鉆孔的充填率達到85%以上。這說明注漿參數(shù)選擇合理，工藝可行，注漿達到預(yù)期目的。

5.2 物探檢測結(jié)果

根據(jù)注漿孔的分布情況及注漿范圍布設(shè)了3條測線，每條測線長度320 m，經(jīng)觀測分析可知，注漿后測線中視電阻率值較注漿前相比有一定幅度的提高，相對低阻異常在視電阻率剖面上的范圍大幅度減小甚至消失，僅在一車間東南部存在小部分的低阻異常現(xiàn)象，由此說明經(jīng)注漿加固處理后巖層均一性得到提高，達到了注漿的目的。

5.3 地表移動變形分析

注漿可以有效地抵抗和減小地表變形，但其不能絕對地防止地表變形，故注漿后地表仍存在一定程度的殘余變形，在進行建筑設(shè)計前為確保安全非常有必要對注漿后的采空區(qū)殘余變形參數(shù)進行預(yù)計分析[14-15]。根據(jù)部分礦區(qū)的現(xiàn)場實測研究結(jié)果分析，結(jié)合本礦地質(zhì)采礦條件及地表移動特點，運用概率積分法對注漿前后采空區(qū)上方地表移動變形各個參數(shù)進行預(yù)計，預(yù)計結(jié)果如表1所示。

表1 注漿前后地表殘余變形參數(shù)最大值Table 1 Maximum surface residual deformation parameters before and after grouting

可見經(jīng)過注漿治理后，項目區(qū)地表移動變形明顯降低，為廠房安全投產(chǎn)提供了保證。

由鉆探、物探資料以及概率積分法計算結(jié)果可知，通過注漿加固處理提高了老采空區(qū)上覆巖層裂縫區(qū)巖體的整體性，加強了上覆巖層的承載能力和抗擾動能力，有效地減小了地基在外載及其他因素影響下產(chǎn)生過大沉降和變形，將老采空區(qū)及其上覆巖層殘余變形對上方建(構(gòu))筑物的影響降低到了允許范圍內(nèi)。

6 結(jié) 論

(1)多層采空區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可預(yù)測性低，治理難度大，在對其進行穩(wěn)定性評價時，宜準(zhǔn)確掌握其地質(zhì)采礦資料，對不確定及關(guān)鍵部位應(yīng)結(jié)合鉆探或物探資料去驗證，根據(jù)實測資料合理選擇治理方案。

(2)在采空區(qū)上方建設(shè)大型工業(yè)建筑物和設(shè)施，已經(jīng)有很多成功的實例。對本項目來說，其特殊之處是地下開采煤層較多，擬建建筑物荷載大。經(jīng)對注漿效果的檢測證明：采空區(qū)進行注漿處理后，老采空區(qū)上覆破碎巖體得到一定的加固，其穩(wěn)定性和承載能力得到加強，抗外載擾動能力提高，能夠大大提高地基穩(wěn)定性，確保建筑物建成后的安全運行。

(3)由于多層采空區(qū)十分復(fù)雜，殘留煤柱、殘留巷道、煤層傾角等因素均有可能影響注漿漿液的流動和擴散，所以在檢查孔的施工過程中，仍然有可能出現(xiàn)掉鉆、異常進尺等情況。在檢查孔施工結(jié)束后，應(yīng)利用鉆孔電視對上覆巖層裂隙充填情況進行進一步的確認(rèn)，對遺漏或注漿效果不理想的部位應(yīng)及時進行追加注漿。

[1] 張繼棟，崔 艷，白中科.土地復(fù)墾對礦區(qū)土地資源可持續(xù)利用的影響[J].金屬礦山，2010(12)：144-147. Zhang Jidong，Cui Yan，Bai Zhongke.Impact of land reclamation on sustainable utilization of land resources in mining areas[J].Metal Mine,2010(12)：144-147.

[2] 李樹志.我國采煤沉陷土地?fù)p毀及其復(fù)墾技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42(1)：93-97. Li Shuzhi.Present status and outlook on land damage and reclamation technology of mining subsidence area in china[J].Coal Science and Technology,2014,42(1):93-97.

[3] 付 飛，張 健.城市化快速發(fā)展與土地資源有效利用的關(guān)系分析[J].城市發(fā)展研究，2010，17(9):1-3. Fu Fei，Zhang Jian.Rapid urbanization and the relationship between the effective use of land resources analysis[J].Urban Studies，2010，17(9):1-3.

[4] 王亞軍,賀江洪,閆鵬陽.老采空區(qū)地基穩(wěn)定性附加應(yīng)力-概率積分法評價[J].金屬礦山,2013(2)：135-139. Wang Yajun，He Jianghong，Yan Pengyang.Foundation stability evaluation of old goaf based on additional stress and probability integration[J].Metal Mine,2013(2):135-139.

[5] 胡炳南.采空區(qū)地基穩(wěn)定性研究及其技術(shù)對策[J].煤炭工程，2010(11)：13-15. Hu Bingnan.Study on stability of building foundation above mining goaf and technical countermeasures[J].Coal Engineering，2010(11):13-15.

[6] 李召龍，吳 侃.荷載作用下采空區(qū)附加沉降的相似材料模擬研究[J].金屬礦山，2012(3):56-59. Li Zhaolong,Wu Kan.Study of similar material simulation on goaf extra subsidence under load[J].Metal Mine,2012(3):56-59.

[7] 李學(xué)良，李樹志，李鳳明.采動地基注漿加固治理技術(shù)研究[J].金屬礦山，2011(11)：33-36. Li Xueliang，Li Shuzhi，Li Fengming.Research on grouting consolidation of foundation over abandoned mine goaf[J].Metal Mine,2011(11)：33-36.

[8] 崔玖江，崔曉青.隧道與地下工程注漿技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011. Cui Jiujiang，Cui Xiaoqing.Grouting Technology of Tunnel and Underground Engineering[M].Beijing：China building Industry Press,2011.

[9] 孫 峰，張頂立，陳鐵林.基于流體時變性的隧道劈裂注漿機理研究[J].巖土工程學(xué)報，2011,33(1)：88-93. Sun Feng，Zhang Dingli，Chen Tielin.Fracture grouting mechanism in tunnels based on time-dependent behaviors of grout[J].China Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(1):88-93.

[10] 熊 偉，何滿潮.軟巖巷道冒落區(qū)注漿技術(shù)[J].金屬礦山，2005(2)：16-18. Xiong Wei，He Manchao.Grouting technology for collapsed zone in soft rock tunnel[J].Metal Mine,2005(2):16-18.

[11] 孫斌堂，凌賢長，凌 晨，等.滲透注漿漿液擴散與注漿壓力分布數(shù)值模擬[J].水力學(xué)報，2007，37(11)：1402-1407. Sun Bintang，Ling Xianchang，Ling Chen，et al.Numerical simulation for diffusion and pressure distribution of permeation grouting[J].Journal of Hydraulic Engineering，2007,37(11):1402-1407.

[12] 張玉軍.鉆孔電視探測技術(shù)在煤層覆巖裂隙特征研究中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2011(3)：77-80. Zhang Yujun.Bore-hole TV exploration technology and its application in researching characteristic of fissure in overlying strata[J].Coal Mining Technology，2011(3):77-80.

[13] 曲相屹,李學(xué)良.鉆、物探技術(shù)在采空區(qū)注漿效果檢測中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2013(2)：151-155. Qu Xiangyi，Li Xueliang.Application research of drilling and geophysical prospecting in detection of grouting effects in goaf area[J].Metal Mine,2013(2):151-155.

[14] 煤炭科學(xué)研究院北京開采研究所.煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1981. Beijing Research Institute of Coal Mining，Central Coal Mining Research Institute.Coal Mine Movement and Failure Principle of Overlying Rock[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House,1981.

[15] 魏 好,鄧喀中.傾斜多煤層條帶開采地表移動規(guī)律研究[J].金屬礦山，2009(5)：16-19. Wei Hao，Deng Kazhong.Study on the surface movement law in strip mining of inclined multiple coal seams[J].Metal Mine,2009(5):16-19.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Design and Construction of Grouting Reinforcement for Multi Strata Goaf

Chen Lisheng

(TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCorp.，Tangshan063012，China)

Multi-strata coal goaf belongs to concealed works.Due to its complex structure and being lack of stability，some measures should be taken if constructing new buildings especially high buildings on surface of goaf.Before governance，the feasibility for constructing was argued firstly，and based on the argumentation，reasonable design and construction were made.Combining with engineering example，some concerning issues in governance of multi-strata coal mined-out area were deeply studied.Based on the geological and mining data and using drilling detecting technology，the foundation′s stability was analyzed and assessed，and the grouting range，grouting scheme，and holes arrangement were determined.In the process of construction，such parameters as the material ratio of grout，grouting section division，grouting pressure and others were studied.Finally，grouting effect was tested with the use of drilling and geophysical technology，and the surface residual deformation parameters were estimated with probability integral method.The results showed that the grouting reached the expected target and provided guarantee for the safe operation of surface buildings.This research can be used as a reference for design and construction of similar project.

Multi-strata goaf，Stability analysis，Grouting design，Construction，Effect detection

2014-02-03

“十二五”國家科技支撐計劃重點項目(編號：2012BAC13B03)。

陳利生(1978—)，男，主任，工程師，碩士。

TD853

A

1001-1250(2014)-05-010-05