晉煤運矸道路采空區(qū)治理優(yōu)化設(shè)計

趙艷玲

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán)勘察設(shè)計院有限公司，山西 晉城 048006)

0 引言

煤礦采空區(qū)是指煤礦因地下開采空間圍巖失穩(wěn)而發(fā)生位移、開裂、破壞垮落，直至上覆巖層整體下沉、彎曲所引起的地表變形和破壞的區(qū)域與范圍。采空區(qū)類型、穩(wěn)定性現(xiàn)狀、道路等級、道路對不均勻沉降的敏感程度是確定采空區(qū)地基處理方法的關(guān)鍵。優(yōu)化采空區(qū)地基處理，增強采空區(qū)工程建設(shè)場地的穩(wěn)定性是煤礦采空區(qū)建設(shè)的新課題。

1 工程概況

晉煤運矸道路位于晉城市城區(qū)北石店鎮(zhèn)，道路西端起于晉高一級路，東端至于暢安路，屬于次干道。道路總長2 550 m，該道路工程采空區(qū)勘察報告表明，沿道路里程K0+000～K0+220段、K0+420～K0+720段、K0+800～K1+300段，長度1 020 m范圍存在3號煤層采空區(qū)3個；15號煤層采空區(qū)1個。3號煤層埋深在30 m～50 m，厚度約5 m，9號煤層埋深在70 m～100 m，厚度約1.3 m，15號煤層埋深在100 m～130 m，厚度約2.5 m(見表1)。

表1 采空區(qū)路段煤層情況

2 采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價

2.1 臨界深度法穩(wěn)定性分析

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》第五版中關(guān)于小窯采空區(qū)地基穩(wěn)定性臨界深度經(jīng)驗公式計算臨界深度H0。

其中，巷道寬度B取2.5 m，頂板重度γ取20 kN/m3，巖層的內(nèi)摩擦角取75°,基底壓力取220 kPa，根據(jù)經(jīng)驗公式計算臨界深度H0為45.6 m。由煤層頂板埋深H與臨界深度H0的關(guān)系，根據(jù)GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范(2017年版)，結(jié)合煤礦開采經(jīng)驗，定性判斷3號煤層頂板不穩(wěn)定，9號煤層、15號煤層頂板穩(wěn)定(如表2所示)。

表2 臨界深度穩(wěn)定分析

2.2 剩余變形值法穩(wěn)定性分析

根據(jù)GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范(2017年版)，通過計算地表最大下沉值、最大傾斜變形值、最大曲率變形值、最大水平移動值、最大水平變形值，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗估算采空區(qū)地表移動剩余變形值，從而分析采空區(qū)道路地基的穩(wěn)定性。

1)最大下沉值W/mm。

W=mqcosα。

其中，m為煤層開采厚度；q為下沉系數(shù)，取值與頂板管理等因素有關(guān)，下沉系數(shù)取值范圍0.01～0.95，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗取0.50；α為煤層傾角，取值為5°。

2)最大傾斜變形值。

其中，r為主要影響半徑，其值為采深與主要影響角正切tanβ的比，β取60°。

3)最大曲率變形值(mm/m2)。

4)最大水平移動值(mm)。

V=bW=0.25W。

其中，b為水平移動系數(shù)，取值0.25。

5)最大水平變形值(mm/m)。

ε=±1.52bW/r。

6)剩余下沉量的計算。

剩余下沉量按下式計算：

W剩=Wδ。

其中，W為最大下沉量，mm；δ為剩余沉降率，%。

根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗采空區(qū)地表移動剩余變形值取最大變形值的1/2，估算主要剩余變形值(見表3)。

根據(jù)GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范(2017年版)表12.2.4按地表剩余變形值，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗綜合判斷：3號煤層采空區(qū)地基不穩(wěn)定；9號和15號煤層采空區(qū)地基為基本穩(wěn)定。

表3 剩余變形值估算

通過頂板巖層臨界影響深度判別法、采空區(qū)剩余變形值估算法綜合分析，晉煤運矸道路下伏3號煤層采空區(qū)地基不穩(wěn)定，9號煤層和15號煤層采空區(qū)地基為基本穩(wěn)定。因此3號煤層采空區(qū)的地基需要處理。

3 采空區(qū)地基處理設(shè)計工法選用

3.1 設(shè)計原則

以路基為核心進(jìn)行治理，本著科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理對道路采空區(qū)處理采用以下原則。

動態(tài)設(shè)計、信息化施工的動態(tài)管理原則。采空區(qū)治理后滿足道路工程對地基穩(wěn)定性要求的原則。

治理后不再發(fā)生較大變形，以保證路基安全運營的原則。

因地制宜的采用工藝成熟、技術(shù)先進(jìn)的采空區(qū)治理方法，最大限度節(jié)約投資的原則。

3.2 工法選用

采空區(qū)地基處理方法的選用直接關(guān)系到運矸道路的工程造價、工期和安全問題。由于3號煤層埋深40 m，不屬于淺部采空區(qū)，若采用剝挖回填，采空區(qū)開挖后，周圍還需要設(shè)置防火墻，以防止采空區(qū)煤層自燃著火，該工法施工難度大，工程造價相對較高；道路路基的受力特點不適合采用樁基穿越采空區(qū)。

在道路采空區(qū)處理設(shè)計原則的思想內(nèi)涵指導(dǎo)下，依據(jù)煤礦《礦山開采沉陷學(xué)》理論及煤礦“三下”采煤經(jīng)驗，結(jié)合晉城地區(qū)采空區(qū)處理工程經(jīng)驗，考慮建設(shè)工期、路基受力特點及道路安全運營對地基處理的要求，根據(jù)道路區(qū)段煤礦采空區(qū)地質(zhì)條件、覆巖垮落類型、地表變形特征、水文地質(zhì)條件、環(huán)境保護(hù)要求，采用工藝成熟的全灌注充填法處理晉煤運矸道路工程采空區(qū)路段。即在勘察資料確定的采空區(qū)路段范圍內(nèi)按照一定孔距和排列方式布置鉆孔，鉆至煤層采空區(qū)3號煤層底板，由下至上對單層采空區(qū)灌注充填，通過灌注系統(tǒng)將水泥粉煤灰混合液注入采空區(qū)及其上覆巖層的裂隙中，使復(fù)合漿液充分充填采空區(qū)的冒落帶、裂隙帶。漿液與冒落帶巖塊經(jīng)過固化膠結(jié)形成具有一定強度的結(jié)石體，并對結(jié)石體上覆巖層形成支撐作用，進(jìn)而阻止巖層的進(jìn)一步冒落，防止地面因冒落而引起過大沉降變形，保證道路路基地基穩(wěn)定。

4 采空區(qū)地基處理設(shè)計優(yōu)化

4.1 處理范圍優(yōu)化

《晉煤運矸道路K0+000～K2+550.25段采空區(qū)勘察報告》表明：治理區(qū)域內(nèi)煤礦采空區(qū)均為非正規(guī)的小窯房柱式開采，根據(jù)GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范(2017年版)表3.0.1、附錄A.0.1，確定運矸道路地基處理等級為甲級，圍護(hù)帶寬度為20 m，由下列公式確定治理寬度L。

L=D+2B+2(hcotψ+2Hcotδ)。

其中，D為路基底面寬度，取30 m；B為路基圍護(hù)帶一側(cè)寬度，取20 m；h為第四系松散層厚度，取23 m；H為覆巖厚度，取17 m；ψ為松散層移動角，取45°；δ為走向方向采空區(qū)上覆巖層移動影響角，取75°。

由上式確定的處理寬度為125.1 m，路基每側(cè)需外擴47.55 m。

由于建設(shè)投資控制及兩側(cè)外擴范圍受場地影響，根據(jù)晉城地區(qū)小窯采空區(qū)同類工程經(jīng)驗，采空區(qū)地基處理等級為甲級的，保護(hù)邊線至少距離建構(gòu)筑物邊線20 m；結(jié)合《公路路基設(shè)計規(guī)范》運矸道路等級，對治理寬度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后路基每側(cè)保護(hù)范圍為19.35 m，道路中心線兩側(cè)各34.35 m為采空區(qū)路基治理邊界，即總治理寬度為68.7 m(見圖1)。依據(jù)《晉煤運矸道路采空區(qū)勘察報告》，治理里程樁號為K0+000～K0+220，K0+420～K0+720，K0+800～K1+300，總長度為1 020 m。

4.2 灌注量估算

在確定的采空處理范圍根據(jù)GB 51180—2016煤礦采空區(qū)建構(gòu)筑物地基處理技術(shù)規(guī)范中4.2.4公式，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗選取合理的工藝參數(shù)，估算灌注量。

其中，τ為灌注量損耗系數(shù)，取1.2；S為采空區(qū)治理面積，m2；M為采出煤層法向厚度，3號煤層平均采厚5.0 m；N為煤層回采率，據(jù)勘察資料，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗取20%；n為采空區(qū)剩余空隙率，據(jù)勘察資料，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗取85%；η為充填系數(shù)，地區(qū)經(jīng)驗取0.85；c為漿液結(jié)石率，地區(qū)經(jīng)驗取80%；α為煤層傾角，取0°。

采用地區(qū)經(jīng)驗優(yōu)化后，治理面積為70 074 m2，剩余空隙體積為59 562.9 m3，灌注量為68 497.34 m3(如表4所示)。

表4 優(yōu)化前后治理面積與灌注量對比

4.3 灌注充填注漿鉆孔設(shè)計

鉆孔分為帷幕鉆孔和充填注漿鉆孔，孔深平均為47 m，共布設(shè)6排鉆孔，沿軸線方向?qū)ΨQ分布，其中內(nèi)側(cè)四排為充填注漿孔(梅花形布置)，與道路中心軸線垂向距離分別為7.5 m，21 m，孔間距18 m；外側(cè)兩排帷幕孔與道路中軸線垂向距離各為34.5 m，孔間距12.5 m，與相鄰充填注漿孔排間距為13.5 m(見圖1)。開孔孔徑146 mm，鉆進(jìn)至穩(wěn)定基巖3 m后，孔內(nèi)下入φ114 mm的套管，套管與鉆孔孔壁間用水泥砂漿封閉固管以防止?jié){液從孔壁溢出，待固管水泥漿終凝后使用φ91 mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆至3號煤層采空區(qū)中的塌陷冒落帶或煤層底板以下1.0 m后終孔。

5 灌注充填質(zhì)量控制

注漿材料：漿液要滿足流動性、穩(wěn)定性、結(jié)石抗壓強度、凝結(jié)時間等多種性能要求。制漿完成后需進(jìn)行各種試驗測定其性能指標(biāo)。漿液配比為1∶1～1∶1.2，水泥、粉煤灰固相比3∶7。粉煤灰質(zhì)量符合GB 1596—2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)。水泥采用強度不低于32.5 MPa的硅酸鹽,質(zhì)量符合國家GB 175—2007/XG1—2009通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)。骨料采用天然砂，粒徑不大于2.5 mm。骨料約為水泥粉煤灰質(zhì)量的20%，速凝劑采用水玻璃，模數(shù)為2.4～3.4的水玻璃溶液，濃度大于50°Be′摻加量為水泥總重量的2%。

5.1 分序間隔灌注充填

為了保證采空區(qū)路段灌注漿液充填的效果，減少灌注漿液擴散流失，首先施工邊緣兩側(cè)帷幕孔，通過帷幕鉆孔灌注水泥粉煤灰混合漿液(攜帶骨料)，形成止?jié){帷幕有效隔離注漿區(qū)域；然后施工中間灌注孔，使?jié){液在有效的范圍內(nèi)流動灌注采空空隙，從而使采空區(qū)的冒落帶、裂隙帶與漿液形成結(jié)石體，支撐上覆巖層，以控制路基總體變形，保證路基穩(wěn)定。在進(jìn)行帷幕鉆孔與內(nèi)部灌注孔灌注充填時按序次“分序間隔”成孔，依前序次灌注充填情況，動態(tài)調(diào)整后序次的灌注施工。

5.2 過程質(zhì)量控制

由于實際采空區(qū)范圍與鉆孔揭露的采空區(qū)可能存在偏差，注漿過程中可能出現(xiàn)異常情況，合理分析預(yù)判的不同情況，采取應(yīng)對控制措施確保注漿質(zhì)量。

當(dāng)?shù)孛婊蚩妆谂c灌注管間冒漿時，及時調(diào)整灌注壓力，采用間歇式灌注法；當(dāng)巖體破碎、裂隙發(fā)育，采用低壓濃漿、添加速凝劑和骨料、間歇灌注控制漿液過量流失到非灌注路段。當(dāng)鉆孔間連通性好時，采用兩相鄰鉆孔同時灌注以控制漿液竄孔進(jìn)入其他鉆孔。當(dāng)灌注壓力保持不變，單位吸漿量減少，或當(dāng)單位吸漿量不變而壓力持續(xù)升高時，通過穩(wěn)定水固比保證注漿質(zhì)量。在單孔灌注末期采用連續(xù)灌注杜絕間歇式注漿，以保證采空范圍地下空洞及裂隙帶的灌注質(zhì)量。

6 結(jié)語

在晉煤運矸道路工程采空區(qū)處理設(shè)計過程中，通過與建設(shè)單位多次溝通收集采空區(qū)資料，認(rèn)真學(xué)習(xí)勘察資料，根據(jù)采空情況參考地區(qū)經(jīng)驗優(yōu)化地基處理范圍預(yù)估灌注充填工藝參數(shù)。在灌注充填過程中與施工單位多次溝通，根據(jù)反饋信息對注漿參數(shù)調(diào)整，真正實現(xiàn)“動態(tài)設(shè)計、信息化施工”的內(nèi)涵。晉煤運矸道路灌注充填結(jié)束后經(jīng)第三方機構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量檢測，檢測資料表明裂隙及孔洞充填情況良好，提高了路基整體剛度，減少了剩余變形量。鉆孔取芯結(jié)石體抗壓強度、剪切波速、充填系數(shù)滿足規(guī)范要求，符合驗收標(biāo)準(zhǔn)。晉煤運矸道路目前已經(jīng)安全運營兩年之多，路基路面未發(fā)現(xiàn)較大變形，運營良好。