貴州某高速公路跨越煤礦采空區(qū)的治理方案研究

譚化川，許源華

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 工程概況

該項(xiàng)目受起點(diǎn)接線及地區(qū)城市規(guī)劃的影響，須穿越一煤礦采空區(qū)，工程以橋梁形式跨越采空區(qū)。由于該區(qū)煤礦開(kāi)采時(shí)間長(zhǎng)，開(kāi)采規(guī)模大，地下煤礦巷道密布，礦井多，煤層開(kāi)采以后形成的采空區(qū)范圍廣，橋梁的樁基難以避讓?zhuān)瑯蛄汗こ膛c采空區(qū)平面關(guān)系見(jiàn)圖1。橋梁設(shè)計(jì)為30、40 m跨徑連續(xù)T梁，橋面凈寬單幅11.7 m。項(xiàng)目橋梁穿越的采空區(qū)分別有復(fù)興煤礦采空區(qū)及煤礦的運(yùn)輸巷道采空區(qū)。

圖1 煤礦采空區(qū)分部及治理平面設(shè)計(jì)圖

2 采空區(qū)形成背景及分布特點(diǎn)

場(chǎng)區(qū)地處貴州高原西部，屬侵蝕-剝蝕地貌單元，溝谷地形，亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。場(chǎng)區(qū)地層巖性為上覆蓋1～6 m厚的第四系殘坡積層粉質(zhì)黏土、坡積塊石土；下伏二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M薄層狀泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖及煤層。場(chǎng)區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)-黔北臺(tái)隆-遵義斷拱-畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)，場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)頻譜特征周期為0.4 s，地震動(dòng)峰值加速度值為0.05 g，對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。

2.1 煤礦采空區(qū)

該煤礦于2008年開(kāi)采，2013年停采。礦區(qū)面積約1.482 1 km2，設(shè)計(jì)開(kāi)采標(biāo)高+1 600～+1 100 m，生產(chǎn)規(guī)模15萬(wàn)噸/年，設(shè)計(jì)回采率80%，采礦方法為走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，巷道寬3 m、高3.4 m，頂板管理方法為全部陷落法。開(kāi)采煤層有M31和M32煤層，M31煤層平均厚度1.78 m，M32煤層平均厚度1.65 m，煤層傾角9°，頂板巖性為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及炭質(zhì)泥巖，地下已形成大面積采空區(qū)，采空區(qū)埋深70～260 m，地表見(jiàn)多處塌陷坑及地裂縫，民房大量開(kāi)裂，場(chǎng)地穩(wěn)定性差。

2.2 運(yùn)輸巷道

橋梁從采空區(qū)之間留設(shè)的保安煤柱上通過(guò)，下伏基巖內(nèi)有運(yùn)輸巷道及通風(fēng)井分布，埋深106～124 m，井巷密集，且與路線小角度相交。該區(qū)域地表局部地段見(jiàn)寬約1～3 cm裂縫，部分房屋墻面出現(xiàn)輕微開(kāi)裂。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 采空區(qū)頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

采空區(qū)頂板巖性為薄層狀泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖，屬于軟弱覆巖，煤層最大采深H=260 m，采厚M=3 m，采深采厚比H/M=86.7。場(chǎng)區(qū)內(nèi)采深比小于240 m地段為不穩(wěn)定場(chǎng)地，采深比在240～260 m為欠穩(wěn)定場(chǎng)地，須進(jìn)行工程處治。

3.2 采空區(qū)影響范圍確定

(1)煤礦采空區(qū)的影響評(píng)估評(píng)估參數(shù)的選取：復(fù)興煤礦采空區(qū)為老采區(qū)，設(shè)計(jì)回采率80%，煤礦圍巖為薄層狀泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖，形成的采空區(qū)類(lèi)型為軟弱覆巖，其中上山移動(dòng)影響角γ=70°，下山移動(dòng)影響角β=δ-kα=70°-0.6×9°=65°，δ水平礦層移動(dòng)影響角，γ傾斜礦層上山移動(dòng)影響角，α為礦層傾角；k為常數(shù)：堅(jiān)硬覆巖k=0.7～0.8，中硬覆巖k=0.6～0.7，軟軟覆巖k=0.5～0.6。

采用上述邊界角在橫斷面上作圖，見(jiàn)圖2：從采空區(qū)邊界做與水平線成邊界角的斜線，此線與地表的交點(diǎn)為邊界點(diǎn)，通過(guò)多組橫斷面做出連續(xù)多個(gè)邊界點(diǎn)并連線可得出移動(dòng)盆地的邊界，見(jiàn)圖1中的采空區(qū)影響邊界。預(yù)測(cè)表明，橋梁部分墩柱位于采空區(qū)影響范圍之內(nèi)，采空區(qū)變形對(duì)橋梁危害極大，須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處治，確定場(chǎng)地穩(wěn)定后方可建設(shè)。

圖2 煤礦采空區(qū)治理典型橫斷面C-C’

(2)巷道采空區(qū)的影響評(píng)估：對(duì)于單一巷道式采空區(qū)，采用極限平衡分析方法計(jì)算維持巷道頂板穩(wěn)定的臨界深度Hcr及穩(wěn)定性系數(shù)Fs，評(píng)價(jià)時(shí)分為覆巖為松散巖體和覆巖為非松散巖體兩種情況，綜合該區(qū)地層巖性判定覆巖為非松散巖體，根據(jù)采空區(qū)資料計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.45，場(chǎng)地欠穩(wěn)定，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，須采取工程措施處治。

4 采空區(qū)治理方案

4.1 治理范圍

根據(jù)規(guī)范及前人研究治理經(jīng)驗(yàn)，采空區(qū)治理寬度為平行于橋梁兩側(cè)邊緣外圍護(hù)帶+禁采區(qū)的范圍；長(zhǎng)度上：橋臺(tái)外圍護(hù)帶+禁采區(qū)范圍。具體范圍可通過(guò)縱、橫斷面進(jìn)行作圖法來(lái)確定。經(jīng)過(guò)勘察資料綜合分析，該場(chǎng)區(qū)內(nèi)覆蓋層移動(dòng)角取45°，采空區(qū)上山移動(dòng)影響角取7°，下山移動(dòng)影響角取65°，使用斷面作圖法得橋梁工程場(chǎng)區(qū)采空區(qū)治理范圍，其中圍護(hù)帶寬度取20 m，沿左幅橋邊界左側(cè)外移98 m為橋梁左側(cè)禁采區(qū)，沿右幅橋邊界右側(cè)外移87 m為橋梁右側(cè)禁采區(qū)；通過(guò)連接多組相鄰斷面確定的禁采點(diǎn)形成沿橋梁工程的禁采區(qū)，具體范圍見(jiàn)圖1，禁采區(qū)范圍內(nèi)的采空區(qū)均需要進(jìn)行治理，確保橋梁工程的結(jié)構(gòu)安全。

4.2 采空區(qū)治理方案研究

主要治理方案有注漿法、支撐法、開(kāi)挖回填法、巷道加固法、強(qiáng)夯法、跨越法等。支撐法、開(kāi)挖回填法、強(qiáng)夯法、巷道加固法適合埋深較淺的采空區(qū)；埋深較深的采空區(qū)適合使用注漿、及跨越法進(jìn)行處置。場(chǎng)區(qū)內(nèi)采空區(qū)的埋深70～260 m、巷道埋深106～124 m，采空區(qū)埋深較深，經(jīng)綜合比選，選擇注漿方式進(jìn)行采空區(qū)治理。

(1)注漿孔方案布置：劃分為巷道、采空區(qū)注漿兩區(qū)域，巷道注漿又分為橋梁工程圍護(hù)帶內(nèi)注漿及圍護(hù)帶外注漿，圍護(hù)帶內(nèi)注漿孔沿巷道布設(shè)，孔間距10 m；圍護(hù)帶外注漿孔沿巷道布設(shè)，孔間距20 m。采空區(qū)注漿孔分為帷幕孔及注漿孔，帷幕孔沿采空區(qū)治理邊界布設(shè)，孔間距10 m，注漿孔排距及間距均為15 m，呈梅花樁布置。采空區(qū)注漿孔布置詳見(jiàn)圖。

(2)注漿方量計(jì)算：綜合煤礦開(kāi)采資料及實(shí)際勘察情況，采空區(qū)剩余空隙率取0.5；巷道回采率取1，采空區(qū)回采率取0.8；漿液損耗系數(shù)取1.2；充填率取0.95；漿液結(jié)石率取0.95，采空區(qū)面積約1 160 m2，采用規(guī)范推薦公式計(jì)算注漿總體為2 534 m3，注漿材料為水泥粉煤灰漿，水固比按1∶1到1∶1.3，其中水泥占固相30%，粉煤灰占固相70%，最終計(jì)算需要水泥680 kg，粉煤灰1 600 kg，水1 720 kg。巷道注漿總體積為20 202 m3，需要水泥5 424 kg，粉煤灰12 763 kg，水13 721 kg。

(3)注漿施工工藝：場(chǎng)地整平后，按照注漿區(qū)順序依次放孔，開(kāi)口孔徑不小于130 mm，上部進(jìn)入基巖6 m下入直徑為130 mm的套管，變徑為91 mm鉆至跨落帶或者煤層底板以下1 m處終孔。鉆孔每50 m測(cè)斜一次，每百米孔斜不能超過(guò)1°，取芯孔數(shù)量為注漿孔、帷幕孔的5%，采空區(qū)部位鉆孔取芯率不小于30%，巷道部位鉆孔取芯率不小于60%。成孔后，巷道注漿采用依次成孔、自上到下，一次全灌注施工；采空區(qū)為多層采空區(qū)注漿，采用下行法注漿施工工藝，自上到下，分段成孔，分段注漿。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)采空區(qū)處治在工程建設(shè)中常見(jiàn)，須在勘察設(shè)計(jì)階段做好勘察設(shè)計(jì)工作，對(duì)治理方案進(jìn)行合理的比選；在施工階段保證施工質(zhì)量，避免給后期運(yùn)營(yíng)遺留病害。

(2)本文中踩空區(qū)所在層位深，分部面積大，通過(guò)對(duì)采空區(qū)分部特征進(jìn)行場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)估，橋梁工程場(chǎng)地處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，需要進(jìn)行采空區(qū)治理后方可進(jìn)行工程建設(shè)。根據(jù)采空區(qū)橫斷面做圖發(fā)確定了禁采區(qū)，并對(duì)禁采區(qū)內(nèi)的采空區(qū)及各種巷道進(jìn)行注漿處治，確保場(chǎng)地的穩(wěn)定性。