某擬建高速公路下淺埋采空區(qū)的治理方案探討

■　陳本一　蔡同淼

（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)江蘇連云港222000）

某擬建高速公路下淺埋采空區(qū)的治理方案探討

■陳本一蔡同淼

（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)江蘇連云港222000）

本文根據(jù)某高速公路工程勘察取得的資料，通過分析采空區(qū)的工程地質(zhì)條件，綜合評(píng)估了采空區(qū)對(duì)工程建設(shè)的影響，提出了工程治理的建議方案。

采空區(qū)工程地質(zhì)采厚比治理方案注漿法

0　前言

某擬建高速公路經(jīng)過一淺埋采空區(qū)，采空區(qū)位于石家莊市井陘縣小作鎮(zhèn)南側(cè)。煤層產(chǎn)于石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）及石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）地層中。煤礦開采始于上世紀(jì)50年代，改革開放后由私人開采，2006年閉坑。采用小窯垮落式方式采煤，不規(guī)則的巷柱式，全部陷落法管理頂板，采空區(qū)密集區(qū)煤層回取率約50%，一般采空區(qū)回采率約30%，經(jīng)過多年開采形成了大面積采空區(qū)，目前地表已發(fā)生多處塌陷等非連續(xù)變形，塌陷坑1.6～3.5米。工程勘察采用地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、物探等多種勘察方法，為采空區(qū)的科學(xué)評(píng)估提供了翔實(shí)的資料。

1　采空區(qū)工程地質(zhì)特征

1.1地面塌陷特征

經(jīng)調(diào)查，該采空區(qū)的地面塌陷較為強(qiáng)烈，采空區(qū)有四處地面塌陷。塌陷坑的長(zhǎng)度8.5～26m，寬度8～22m，面積68～572m2，合計(jì)面積849.78m2，深度1.6～3.5m，周壁巖土為黃土狀土局部夾卵石。在地表還形成了大量裂隙，使水澆田變成旱地，農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。

1.2平面形態(tài)

根據(jù)巖層電阻率特征，共圈出5個(gè)低電阻異常特別區(qū)，亦稱“煤礦采空密集區(qū)”。平面上呈橢圓狀、靴狀及不規(guī)則形狀，短軸長(zhǎng)度30～175m，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度40～294m，面積1200～50000 m2。

1.3剖面特征

通過物探解譯和鉆探驗(yàn)證，查明采空區(qū)的分布狀況。采空區(qū)頂板埋深15～70 m，底板埋深30～77 m。鉆孔中均見到了采空區(qū)冒落帶或空洞，而且采空區(qū)的頂?shù)装迓裆?、冒落帶高度以及上覆第四系松散堆積層的厚度均與物探成果相吻合。

1.4冒落帶特征

煤礦采空區(qū)冒落帶特征，除在鉆進(jìn)過程中發(fā)生突然掉鉆、卡鉆、嚴(yán)重漏水、巖芯破碎、取芯困難、采取率低等現(xiàn)象外，還表現(xiàn)在巖芯混雜，既有巖粉、煤泥、巖屑，還有玻璃碎片等人類活動(dòng)殘留物。而且?guī)r芯多呈碎塊狀、角礫狀和碴?duì)畹?。代表性鉆孔地層為：①0～26.7m （Q3+4al+pl）：黃土狀土，粉土，粉質(zhì)黏土，黏土，夾3層卵石層，共厚26.7m。②26.7～30.0m強(qiáng)風(fēng)化頁巖：巖芯呈碎塊或碎片狀，縱向裂隙發(fā)育，手捏易碎，厚3.30m。③30.0～40.0m冒落帶：灰黃、灰黑、黑等色，成分有頁巖、炭質(zhì)頁巖、煤屑、巖屑和砂粒，厚10m。鉆進(jìn)過程中漏水嚴(yán)重，卡鉆。④40.0～40.9m中風(fēng)化灰?guī)r：灰黑色，巖芯呈柱狀，長(zhǎng)8-20cm，致密堅(jiān)硬，有方解石脈穿插，厚0.90m。⑤40.9～42.5m空洞：無充填物，掉鉆。高1.60m。⑥42.5～64.0m冒落帶：灰黃、灰黑等色，成分為頁巖、砂質(zhì)頁巖、砂巖及各類巖屑、巖粉、煤屑和玻璃碎片等，成分混雜，分布無序,巖芯呈碎塊狀，泥屑狀和碴?duì)畹龋?1.5m。⑦64.0～65.0m全風(fēng)化粉砂巖：深灰色，松軟，手捏即碎，呈砂土狀。厚1.00m。⑧65.0～69.0m強(qiáng)風(fēng)化頁巖：頁理清晰，質(zhì)軟易碎，巖芯較完整，采取率80%以上，含植物化石碎片，局部夾灰?guī)r薄層，厚20cm。該層可見厚度4.00m。

1.5被采煤層厚度估算

要弄清采空區(qū)變形特征必須先了解被采煤層的厚度。但經(jīng)多方調(diào)查，目前尚未摸清被采煤層的確切層數(shù)與厚度，故采用已知采空區(qū)冒落帶高度，運(yùn)用反演方法，估算出被采煤層的厚度。

式中:h—冒落帶高度（m）；

m— 被采煤層厚度（m）；

K—巖石碎脹系數(shù)，取1.15；

α—煤層傾角，根據(jù)鉆孔巖芯觀察，為15°；

被采煤層厚度計(jì)算結(jié)果為1.16～5.23米，平均4.12米。

1.6采空區(qū)體積計(jì)算

式中：S—采空區(qū)面積(m2)；

H—被采煤層厚度（m）；

K—回采率，該采空區(qū)為巷柱式開采，回采率較低，按50%計(jì)；

估算結(jié)果為422658m3。

1.7采空區(qū)公路路基影響范圍及剩余空洞的體積

該公路等級(jí)為高速公路面寬度33.5m，為填方路基，路基底寬取為50m，路基兩側(cè)維護(hù)帶寬度取為10m。路基底寬+維護(hù)帶寬度=50+2×10=70m。采空區(qū)的塌陷變形對(duì)路線的影響范圍，經(jīng)計(jì)算確定為K線采空區(qū)路基影響面積26150m2，DK線采空區(qū)路基影響面積101654m2。采空區(qū)公路影響范圍內(nèi)剩余空洞體積K線46024m3，DK線178911m3。

1.8采空區(qū)水文地質(zhì)特征

采空區(qū)地下水，主要為松散巖類孔隙水和各類基巖（頁巖、砂質(zhì)頁巖、灰?guī)r）的裂隙水，地下水埋地下水補(bǔ)給來源，主要為大氣降水和部分農(nóng)田灌溉的入滲，排泄主要是人工抽取和少量蒸發(fā)。地下水水化學(xué)類型為型水，經(jīng)采取水樣試驗(yàn)判定：地下水對(duì)水泥混凝土及混凝土中的鋼筋均具微腐蝕性。

2　采空區(qū)對(duì)公路危害程度的評(píng)估

2.1依據(jù)《礦山開采沉陷學(xué)》

根據(jù)《礦山開采沉陷學(xué)》理論及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)：利用礦山開采的深度與被采礦層厚度的比值可以作為采空區(qū)對(duì)地表建筑物危害程度的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)之一。當(dāng)被采礦層的埋深與礦層厚度之比大于30時(shí)，地表相對(duì)較為穩(wěn)定，常表現(xiàn)為連續(xù)性變形，如較大范圍的移動(dòng)盆地等，這種情況下采空區(qū)對(duì)公路工程的危害不大，可以不進(jìn)行處治。當(dāng)開采深度與被采礦層厚度之比小于30時(shí)，地表則出現(xiàn)不連續(xù)變形，產(chǎn)生較大的裂隙和不均勻的塌陷坑等，對(duì)公路將造成極大危害，在這種情況下對(duì)采空區(qū)必須進(jìn)行處治。

區(qū)內(nèi)采厚比一般為11.21～18.17m，最大為26.72m，遠(yuǎn)低于一般規(guī)定的界限值30，因此，今后的變形對(duì)公路危害很大。其主要表現(xiàn)在：造成公路路基下沉；路基在下沉的同時(shí)，將伴隨著水平方向上的移動(dòng)，垂直于路線方向的橫向移動(dòng)將改變路基的原有方向；路基隨地表的下沉而下沉，因地表變形的不連續(xù)性與無規(guī)律沉降的不均勻性，使得路面的原有坡度出現(xiàn)無規(guī)律變化，如果地表傾斜方向和路線坡向一致，路線坡度將增加，反之，路線坡度將減少或形成反坡；地表不均勻下沉、路線坡度改變時(shí)，必然導(dǎo)致路線在豎直方向上彎曲，改變?cè)性O(shè)計(jì)的曲率半徑。

2.2依據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》

依據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T D31-03—2011）中“表4.2.1-4不規(guī)則柱式采空區(qū)穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行評(píng)價(jià)：該采空區(qū)覆巖主要以石炭系泥巖、頁巖等軟質(zhì)巖為主，可判定為軟弱覆巖，且采深采厚比≤40，該采空區(qū)場(chǎng)地屬于不穩(wěn)定場(chǎng)地，對(duì)工程建設(shè)的危害大，需對(duì)采空區(qū)路基影響范圍內(nèi)的采空區(qū)進(jìn)行處理，方可進(jìn)行公路建設(shè)。

該采空區(qū)采深采厚比為11.21～26.72（小于40），能力指數(shù)CPI（與40的比值）僅為0.28～0.67，且為淺層采空區(qū)，地表變形以突然塌陷形式的非連續(xù)性變形為主，且采空區(qū)殘留的煤柱較多，地表變形較難預(yù)測(cè)，地表變形具有突然性特點(diǎn)。

3　采空區(qū)處理方案

非注漿方案：

3.1橋或板跨采空區(qū)方案

橋或板跨采空區(qū)方案是將樁基放在采空區(qū)下部的穩(wěn)定地層之上，采用橋式或板的方式通過采空區(qū)地區(qū)，該方案主要是樁基深度大、施工困難、工程費(fèi)用大。該采空區(qū)沿路線長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般橋梁跨度，設(shè)計(jì)及施工難度極大，在目前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，難以采用該治理方案。

3.2支撐法治理方案

支撐法治理方案是在采空區(qū)形成類似橋基的墩臺(tái)，支撐采空區(qū)不再繼續(xù)沉降塌陷，但該方法要求采空區(qū)必須具有一個(gè)極堅(jiān)硬的頂板，同時(shí)具備下井開展施工的井下工作條件，由于該采空區(qū)覆巖主要為石炭系軟質(zhì)巖，巖土體軟弱，抵抗變形能力較差；該處采空區(qū)采用全陷法管理，目前采空區(qū)巷道內(nèi)已充水，不具備巷道內(nèi)進(jìn)行施工的條件，無法進(jìn)行支撐治理。因此，支撐法治理方案在該采空區(qū)治理方案中不適用。

3.3充填方案

充填法主要有兩種，一種是井下充填，一種是地面灌注粗砂。

井下充填是在井下尚未形成塌陷的采空區(qū)充填石料、砂、煤矸石等，形成支撐，預(yù)防塌陷。該方案工藝不存在問題，但是該煤礦停采后地下巷道已充水，井下通道無法恢復(fù)，加上施工質(zhì)量難以把握，安全難以保證，治理效果難以檢驗(yàn)。因此，不考慮該方案。

地面灌注粗砂方案是在采空區(qū)帷幕孔做好以后，對(duì)中間大面積采空進(jìn)行灌注粗砂處理，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，大面積采空區(qū)進(jìn)行地面灌注粗砂處理，施工工藝不成熟，施工過程質(zhì)量難以把握，同樣處理效果難以檢測(cè)。因此，不考慮該方案。

3.4建成后維修方案

建成后維修方案是指在采空區(qū)路段的路基段可先修建，不作治理，然后在運(yùn)營(yíng)期間，對(duì)變形較大的路段進(jìn)行維修，而橋和隧道段不能采用此方案。

該方案是將采空區(qū)不穩(wěn)定路段的路基工程設(shè)計(jì)為柔性路面，在路基底層和填土層加鋪土工格柵，防止較快的不均勻沉降。路基沉降后對(duì)其進(jìn)行維修，主要是重新填鋪路基路面，以保證道路正常運(yùn)行。具體維護(hù)周期根據(jù)沉降程度確定。

該方案適用于采空區(qū)地表變形為連續(xù)變形，剩余沉降量較小，且采空區(qū)基本穩(wěn)定的情況。

[1]江蘇連云港地質(zhì)工程勘察院，《河北省石家莊至冀晉界公路初步工程勘察報(bào)告》[R].2012.11.

[2]交通部交函規(guī)劃【2010】214號(hào)《關(guān)于京昆國(guó)家高速公路石家莊至冀晉界段可行性研究報(bào)告的審查意見》,2010.10.

[3]《河北省區(qū)域地質(zhì)志》,1982年.

[4]常士驃.張?zhí)K民《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版),2007.

P621[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-3-389-2