大同采煤沉陷區(qū)光伏示范基地110 kV匯集站淺部采空區(qū)注漿治理技術(shù)

孫慶先，張俊英，陳 凱，陳清通，賈新果

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

“山西大同采煤沉陷區(qū)國家先進(jìn)技術(shù)光伏示范基地”是首個獲國家能源局批準(zhǔn)的光伏“領(lǐng)跑者”計劃項目。該項目第1期開發(fā)建設(shè)裝機容量1 000 MW，包括12個單體項目、1個基地公共平臺項目以及1個公共基礎(chǔ)設(shè)施項目。

大同有“煤都”之稱，煤炭開采歷史悠久，淺部煤層多采用古法開采，存在大量尚未冒落的采空區(qū)。光伏項目的建設(shè)實施使地基土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，采空區(qū)不穩(wěn)定，存在嚴(yán)重的安全隱患。消除隱患的有效方法是對采空區(qū)進(jìn)行注漿加固處理。

匯集站是電能匯集之地，只有將分散的電能匯集并升壓后才能送至電網(wǎng)，所以匯集站是必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施。匯集站內(nèi)建筑密集，設(shè)備沉重。如果匯集站發(fā)生沉陷導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作或損毀，將會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。本文以曹家溝110 kV匯集站為例敘述采空區(qū)注漿治理技術(shù)。

1 工程概況

1.1 110 kV匯集站平面結(jié)構(gòu)布置

110 kV匯集站主要建筑及設(shè)備集中布置在58.6 m×47 m的建筑區(qū)內(nèi)。匯集站內(nèi)主要建(構(gòu))筑物和設(shè)備有110 kV變壓器、SVG變壓器、事故油池、35 m避雷針、35 kV一次設(shè)備艙、二次設(shè)備艙、SVG艙、生活設(shè)施箱房、值班箱房、防火墻、電纜溝、消弧線圈、戶外支架等，匯集站內(nèi)四周有暗排水溝，并建有圍墻[1]。110 kV匯集站標(biāo)準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)布置形式見圖1。

圖1 110 kV標(biāo)準(zhǔn)匯集站平面結(jié)構(gòu)和鉆孔布置圖

各種設(shè)備設(shè)施均有明確的尺寸和承載力要求。例如:110 kV變壓器基礎(chǔ)平面尺寸3.0 m×4.46 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大塊砼板式基礎(chǔ)，總重(含基礎(chǔ))約180 t，基底埋深約1.4 m，地基承載力≥150 kPa；獨立避雷針基礎(chǔ)平面尺寸2.5 m×2.5 m，總重(含基礎(chǔ))約45 t，基底埋深約2.5 m，地基承載力≥150 kPa；二次設(shè)備艙總重(不含基礎(chǔ))約45 t，基礎(chǔ)平面尺寸23.0 m×3.4 m，基底埋深約1.8 m，地基承載力≥150 kPa；匯集站內(nèi)電纜溝縱橫交錯，寬、深不一，基底埋深約1.5 m，地基承載力≥100 kPa。

1.2 曹家溝110 kV匯集站下方煤層與采空區(qū)情況

大同礦區(qū)地表多為黃土覆蓋，基巖僅出露于溝谷底部及山脊。區(qū)域內(nèi)除震旦界、上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)、三疊系沉積缺失外，其太古界、古生界、新生界均有不同厚度的沉積。大同煤田為雙系煤田，即侏羅系和石炭二疊系煤層重疊賦存。大同煤田下煤系含煤地層為石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，上煤系含煤地層為侏羅系中統(tǒng)大同組。

根據(jù)收集到的資料分析，曹家溝110 kV匯集站下方可能有存在于大同組2#煤和3#煤古法采煤形成的老采空區(qū)。為明確匯集站下方煤層開采情況[2]，在匯集站區(qū)域均勻布置5個勘查鉆孔，周邊4個，中部1個，全部取芯。鉆孔位置見圖1。

曹家溝110 kV匯集站5個勘查鉆孔都發(fā)生兩次掉鉆現(xiàn)象，說明淺部存在兩層采空區(qū)，且采空區(qū)頂板比較完好。根據(jù)鉆孔資料分析[2]，2#煤平均開采深度54.12 m，平均開采煤層厚度2.12 m，平均掉鉆1.09 m；3#煤平均開采深度83.58 m，平均開采煤層厚度2.55 m，平均掉鉆1.68 m。

2 曹家溝110 kV匯集站地基穩(wěn)定性評估

煤層開采后，一般上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶和彎曲帶。垮落帶和斷裂帶(合稱垮落斷裂帶，簡稱“兩帶”)的巖層雖經(jīng)壓實，仍不可避免地存在一定的裂縫和離層，其強度明顯低于原巖的強度。如果地表荷載傳遞到這“兩帶”，地表將進(jìn)一步引起沉降和變形，當(dāng)采空區(qū)有空洞時，地表可能發(fā)生滯后型突發(fā)性切冒塌陷。

2.1 覆巖破壞高度計算

曹家溝110 kV匯集站下方2#煤、3#煤開采年代、開采工藝不詳，按最不利情況考慮。根據(jù)大同礦區(qū)開采煤層上覆巖層巖性，選擇《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(2000年)中給出的開采堅硬頂板條件時的“兩帶”高度計算公式見式(1)[3]。

(1)

式中,M為開采煤層有效采厚，m。

經(jīng)計算，2#煤采空區(qū)“兩帶”為53.68 m，3#煤采空區(qū)“兩帶”為57.91 m。

2.2 建(構(gòu))筑物和設(shè)備荷載影響深度計算

建(構(gòu))筑物和設(shè)備使地基土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，荷載的影響深度隨荷重的增加而增大。如果地表荷載下方有采空區(qū)，當(dāng)荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力等于相應(yīng)位置處地基土層的自重應(yīng)力的10%時，可認(rèn)為附加應(yīng)力對該深度處的地基不產(chǎn)生影響。該深度即為荷載影響深度H影。

地基附加應(yīng)力按式(2)計算。

σZ=kP0

(2)

式中：k為荷載下的豎向附加應(yīng)力系數(shù)，可查表取值；P0為作用于基礎(chǔ)底面平均附加壓力，kN/m2。

經(jīng)計算，110 kV匯集站建(構(gòu))筑物和設(shè)備荷載影響深度H影為26 m。

2.3 曹家溝110 kV匯集站地基穩(wěn)定性

采空區(qū)地基穩(wěn)定，也就是采空區(qū)垮落斷裂帶不再因荷載擾動而重新移動，煤層開采最小采深H應(yīng)該大于垮落斷裂帶高度H裂、荷載影響深度H影和保護層h之和(稱為臨界深度H臨)[4-6]，見式(3)。

H>H臨=H裂+H影+h

(3)

考慮地基荷載分布和附加應(yīng)力在土(巖)體中傳遞的復(fù)雜性，保護層h是為增加可靠性而設(shè)置的，一般取h=5～10 m，此處取h=5 m。

經(jīng)計算，對于2#煤，H=54.12 m，H臨=84.68 m；對于3#煤，H=83.58 m，H臨=88.91 m?？梢?，無論是2#煤還是3#煤，最小采深H都小于臨界深度H臨，采空區(qū)地基都是不穩(wěn)定的。曹家溝110 kV匯集站下方采空區(qū)淺，空洞大，建(構(gòu))筑物和設(shè)備荷載致采空區(qū)極不穩(wěn)定，易“活化”，地表可能發(fā)生滯后型突發(fā)性切冒塌陷，從而造成重大損失。

可見，對曹家溝110 kV匯集站下方采空區(qū)進(jìn)行加固治理是必要的。注漿加固治理工程必須在光伏項目建設(shè)之前完成。

3 注漿方案設(shè)計

曹家溝110 kV匯集站下方淺部兩層采空區(qū)的頂板較完整，間距約29 m，未導(dǎo)通。根據(jù)采空區(qū)特點和當(dāng)?shù)刈{材料供應(yīng)便利的條件，決定采取注漿充填加固治理方案。

3.1 注漿孔布置

治理范圍內(nèi)共布置注漿鉆孔29個(5個勘查鉆孔兼做注漿鉆孔)，其中帷幕孔18個，建(構(gòu))筑物外6 m布置，孔距15 m；內(nèi)部孔11個，均勻布置[7]。鉆孔布置如圖1所示。

采用萊卡TPS1800型全站儀實測鉆孔孔位，鉆孔偏差<0.5 m。

鉆孔開孔采用Φ127 mm鉆頭鉆進(jìn)，進(jìn)入穩(wěn)定基巖5 m后下入Φ114 mm的套管?；鶐r層鉆進(jìn)采用Φ98 mm鉆頭鉆進(jìn)。松散層鉆進(jìn)時用膨潤土漿液進(jìn)行泥漿護壁。

3.2 采空區(qū)治理范圍和注漿工程量

3.2.1 采空區(qū)治理范圍

根據(jù)曹家溝110 kV匯集站下方淺部兩層煤的賦存特點，參考以往采空區(qū)治理經(jīng)驗，匯集站外圍外擴24 m作為3#煤采空區(qū)的治理范圍，為82.6 m×71 m的矩形，面積為4 130 m2。

3.2.2 注漿工程量

注漿總體積由式(4)計算[8-11]。

Q=S×M×K1×K2×K3÷K4

(4)

式中：Q為采空區(qū)注漿量，m3；S為采空區(qū)治理面積，m2；M為煤層采厚。此處按掉鉆量計，2#煤平均掉鉆1.09 m，3#煤平均掉鉆1.68 m；K1為煤層回采率，取值60%；K2為注漿體積充填率，范圍在0.75～0.95之間，此處取值0.85；K3為漿液損失率，范圍在1.0～1.5之間，此處考慮帷幕鉆孔流失取值1.2；K4為漿液結(jié)石率(結(jié)石體積與漿液體積的比例)，范圍在0.7～0.95之間，此處取值0.85。

經(jīng)計算，2#煤采空區(qū)注漿量為4 603 m3，3#煤采空區(qū)注漿量為7 094 m3。注漿量總為11 697 m3。單孔注漿量按式(5)計算[8-11]。

Q單=π×R2×M×K2×K3÷K4

(5)

式中R為漿液有效擴散半徑。

經(jīng)計算，2#煤采空區(qū)治理單孔注漿量平均約160 m3，3#煤采空區(qū)治理單孔注漿量平均約250 m3。單孔注漿量超過預(yù)估注漿量時，在漿液中添加適量速凝劑。

3.3 注漿材料與配比

3.3.1 注漿材料

選用水泥粉煤灰漿液為主要注漿材料。為控制漿液擴散，帷幕孔添加3%～5%的水玻璃添加劑。對打鉆過程中掉鉆量大于0.3 m的鉆孔，在注漿前先充填骨料。骨料為石屑和粉碎后的礦渣。在充填骨料施工過程中，間歇用比重為1.1～1.2之間的水泥粉煤灰漿液與骨料混合充填，確保骨料有漿液膠結(jié)。

水泥用普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號32.5；粉煤灰需符合國家《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596—2005)中Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)[12]。水玻璃模數(shù)2.4～3.4之間，濃度34～40波美度。石屑和礦渣要求級配良好、質(zhì)地堅硬、顆粒潔凈，含泥量小于5%，有機物含量小于3%。

3.3.2 注漿材料的配比

以水泥、粉煤灰重量比1∶1、1∶15、1∶2、1∶25、1∶3、1∶35、1∶4、1∶5做試驗[13]。分析試驗結(jié)果并依照以往施工經(jīng)驗，確定水泥粉煤灰漿液重量比1∶3、水固比1∶1.2為注漿主要配比[6]。注漿施工過程中，每500 m3抽檢一組漿液試樣，檢測漿液的密度、結(jié)石率、初凝時間和終凝時間、試塊28 d齡期的抗壓強度。

3.4 注漿工藝

因為曹家溝110 kV匯集站下方淺部兩層采空區(qū)的頂板較完整，未導(dǎo)通，所以采用下行法注漿法，先注漿治理2#煤采空區(qū)，2#煤采空區(qū)注漿施工結(jié)束后，掃孔注漿治理3#煤采空區(qū)。

先對帷幕鉆孔注漿，后對中部鉆孔注漿。帷幕鉆孔注漿間歇過程中可對內(nèi)部鉆孔少量注漿，待形成注漿帷幕之后再對內(nèi)部鉆孔大量注漿。帷幕鉆孔注漿施工中，單孔注漿量超過預(yù)估量且注漿壓力上升較慢時，在漿液中加入體積3%～5%的水玻璃。

注漿采用間歇循環(huán)注漿，單孔注入一定量骨料和漿液后換另一鉆孔注漿(骨料約40 m3，漿液約10 m3),間歇時間10～15 min。

漿液濃度先稀后稠，先用稀漿壓入孔內(nèi)，逐漸至正常配比漿液注入孔內(nèi)。定時觀測注漿泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，并根據(jù)實際情況添加速凝劑等。

2#煤采空區(qū)治理終孔注漿壓力不小于1.5 MPa，3#煤采空區(qū)治理終孔注漿壓力不小于1.2 MPa。注漿治理以靜注為主，當(dāng)注漿壓力孔口管壓力達(dá)到1.5 MPa，穩(wěn)定15 min，或漿液流量小于70 L/min，穩(wěn)定15 min，或鉆孔口溢出漿液時，結(jié)束該注漿鉆孔的注漿施工。

BW-250型注漿泵3臺，2臺工作，1臺備用。

4 注漿效果檢測

曹家溝110 kV匯集站下方淺部兩層采空區(qū)注漿加固治理施工按設(shè)計進(jìn)行。2#煤采空區(qū)實際注漿量為4 622.5 m3，3#煤采空區(qū)實際注漿量為7 408.5 m3，合計12 031 m3，投入骨料695 m3。

1) 鉆孔取芯檢測。在注漿完成3個月之后，對注漿效果進(jìn)行了檢測。第1個檢測孔布置在注漿場區(qū)西側(cè)外2.5 m處，全孔取芯，鉆進(jìn)至50～60 m時，掉鉆100 mm，鉆進(jìn)至80～90 m時，取出少量煤塊，認(rèn)為是3#煤采空區(qū)煤柱，該孔無代表性。故又在注漿場區(qū)北側(cè)外2.5 m處布置第2個鉆孔，全孔取芯，鉆進(jìn)至51 m時，鉆進(jìn)速度增快，取出了漿液結(jié)石體，在鉆進(jìn)至86 m時，鉆進(jìn)速度又一次加快，取出了漿液結(jié)石體。取出的結(jié)石體都比較完整，結(jié)石體抗壓強度實驗表明其抗壓強度大于1.5 MPa。

2) 補注漿檢測。采用水泥漿對第2個檢測孔進(jìn)行了補注漿，注漿量約30 m3，壓力大于1.5 MPa。附近的注漿孔單孔注漿量180 m3，補注漿量是施工注漿的約17%，說明注漿量達(dá)到了設(shè)計充填量不小于80%的要求。

3) 波速檢測。對第2個檢測孔進(jìn)行了波速測試，間隔1.0 m測試1次，測速儀型號WAVE3000，剪切波速值范圍是273～433 m/s，大于采空區(qū)注漿治理要求的Vs>160 m/s的波速指標(biāo)要求。

以上說明，曹家溝110 kV匯集站下方淺部采空區(qū)注漿加固治理質(zhì)量可靠，達(dá)到了治理效果。

5 結(jié)束語

大同礦區(qū)是第一個在采煤沉陷區(qū)上建設(shè)光伏項目的地區(qū),對匯集站下方采空區(qū)進(jìn)行加固治理是必要的。曹家溝110 kV匯集站下方淺部采空區(qū)注漿加固治理施工結(jié)束4個月后通過驗收，匯集站投入運行，運行情況一直良好，表明采空區(qū)治理后地基穩(wěn)定性得到明顯提高。本文提出的注漿治理方法是可行的，設(shè)計的方案是合理的，達(dá)到了治理效果，保證了匯集站的正常運行。

[1] 大同市發(fā)展改革委員會.大同采煤沉陷區(qū)光伏發(fā)電基地規(guī)劃及實施方案[R].2014.

[2] 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司.大同光伏示范基地項目曹家溝110kV匯集站場區(qū)鉆探勘查報告[R].2016.

[3] 國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[4] 張俊英，蔡美峰，張青.采空區(qū)地表新增荷載后地基應(yīng)力的分布規(guī)律研究[J].巖土工程學(xué)報，2010，32(7)：1096-1100.

[5] 張俊英.地表新增荷載對采空區(qū)上方覆巖的影響規(guī)律[J].煤炭學(xué)報，2008，33(2)：166-170.

[6] 賈新果.廢棄巷道上方地表建筑場地地基穩(wěn)定性評估[J].煤礦開采，2014，19(6)：84-86.

[7] 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司.大同光伏示范基地項目曹家溝110kV匯集站場區(qū)淺部采空區(qū)注漿治理工程竣工報告[R].2016.

[8] 曹曉毅，劉小平，武博強.水泥-粉煤灰漿液試驗及其在采空區(qū)注漿中的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2013,25(6)：4-7.

[9] 賈新果，陳清通.老采空區(qū)治理技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].能源環(huán)境保護，2012，26(5)：12-15.

[10] 王平，武震.大同鵲山精煤公司家屬樓采空區(qū)治理工程設(shè)計與施工[J].探礦工程，2005(S1)：148-152.

[11] 陳益民.陽煤集團馨安家園采空區(qū)治理工程的施工設(shè)計[J].西部探礦工程，2009，21(11)：122-124，127.

[12] 中國建筑材料科學(xué)院，等.用于水泥和混凝土中的粉煤灰(GB/T1596—2005)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[13] 張曙光.采空區(qū)注漿配合比試驗優(yōu)化分析[J].西部探礦工程，2008,20(8)：114-116.