煤礦采空區(qū)公路穩(wěn)定性及注漿治理技術(shù)分析

朱濟(jì)初

摘要：文章采用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)公路下伏煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并針對(duì)采空區(qū)沉降變形特性，提出采空區(qū)注漿治理施工工藝。結(jié)果表明：（1）相比煤礦開采，采空區(qū)采取充填注漿后的沉降變形量明顯減小;（2）地表沉降量均隨荷載的增加而增大，但在充填注漿后的沉降差較?。▽?duì)應(yīng)力的敏感性較小）;（3）從采空區(qū)注漿治理范圍、注漿量、注漿材料、鉆孔設(shè)計(jì)等方面對(duì)煤礦采空區(qū)的施工工藝進(jìn)行了闡述;（4）工后檢測數(shù)據(jù)表明，采取充填注漿治理措施后，地基的工程特性得到有效提升，表明治理效果較佳。

關(guān)鍵詞：煤礦采空區(qū);公路;穩(wěn)定性;沉降變形;注漿技術(shù)

0 引言

地下煤層開采完成后會(huì)留下大量的地下采空區(qū)，在這些地區(qū)的地表修建道路、房屋、水利等工程項(xiàng)目時(shí)極易帶來安全隱患[1-4]。研究煤礦采空區(qū)的沉降變形機(jī)制，對(duì)工程項(xiàng)目基礎(chǔ)穩(wěn)定性的合理準(zhǔn)確評(píng)估和提出有效治理措施具有重要意義[5-7]。

董博針對(duì)采空區(qū)公路工程勘察工作，對(duì)瞬變電磁法、地震反射波法和活性炭測氡法等三種物探方法的適用性進(jìn)行了對(duì)比分析[8];魏建柄通過地址調(diào)查手段，對(duì)公路下伏采空區(qū)的地質(zhì)條件和變形特性進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的治理措施[9];仝剛太[10]、曹欣宇[11]等對(duì)貴陽繞城高速公路下伏煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估和危害性分析，為線路比選提供了設(shè)計(jì)依據(jù);張衛(wèi)兵則通過對(duì)比兩種不同成孔成樁方案，提出旋挖鉆機(jī)成孔及雙鋼護(hù)筒進(jìn)行煤礦采空區(qū)域樓房基礎(chǔ)施工[12]。

本文以廣西某公路下伏煤礦采空區(qū)治理工程為例，在前人研究經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)該公路下伏煤礦采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行探討，并提出回填注漿治理方案，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)可為類似地質(zhì)的公路項(xiàng)目建設(shè)提供參考。

1 工程概況

廣西某公路工程下伏煤礦采空區(qū)，根據(jù)現(xiàn)場勘查資料顯示：該采空區(qū)地層的傾角約為3°～10°，文章分析時(shí)煤層傾角取均值5°，煤層的平均厚度約為5 m，回采的實(shí)際長度約為185 m，寬度約為300 m，煤層的平均埋深約為40 m，沿路線方向治理長度約為1 020 m。該區(qū)域巖層自上而下分別為粉質(zhì)黏土、頁巖1、砂巖、頁巖2、煤層以及泥巖。各地層的物理力學(xué)參數(shù)見下頁表1。

2 穩(wěn)定性分析

2.1 數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值分析軟件建立該區(qū)域的計(jì)算模型，模型的長、寬、高分別為400 m、300 m和70 m，模型本構(gòu)關(guān)系選用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，上邊界為無約束的自由工作面，下邊界固定橫向和豎向位移，左右兩邊界固定水平向位移（見圖1）。由于采空區(qū)埋深為40 m，故決定采用充填注漿法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行治理，充填體的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

2.2 開采與回填沉降變形分析

對(duì)充填前后的采空區(qū)地表沉降變形進(jìn)行模擬分析，結(jié)果見圖2。從圖2中可以看到：當(dāng)煤層回采完成后，在回采區(qū)中心位置會(huì)產(chǎn)生較大的沉降變形，最大變形量約為2.25 m，很可能造成路面大面積坑槽或者塌陷。當(dāng)對(duì)回采區(qū)進(jìn)行充填注漿后，采空區(qū)上方的最大沉降位移值僅為0.144 m，滿足公路路基沉降變形相關(guān)要求。采空區(qū)在采取充填注漿施工后，可以起到較好抑制地表沉降變形的作用。

2.3 開采加載與回填加載沉降變形分析

由于公路路面運(yùn)營后將處于動(dòng)態(tài)的荷載作用中，因此，對(duì)不同路面荷載作用下的地表沉降變形進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果見圖3。從圖3中可以觀察到：在相同的路面荷載作用下，開采后加載的地表沉降量明顯大于回填后的地表沉降量。開采加載情況下，地表沉降對(duì)荷載的敏感性較高，即隨著荷載的增大沉降量不斷增加，從0.15 MPa時(shí)的2.35 m增加至0.25 MPa時(shí)的2.58 m。而當(dāng)進(jìn)行充填注漿后，地表沉降量對(duì)路面荷載的敏感性明顯降低，抗變形能力明顯增加，其在0.15 MPa下的最大沉降為0.2 m，在0.25 MPa時(shí)的最大沉降為0.25 m?？梢灶A(yù)見的是，當(dāng)充填材料的強(qiáng)度和剛度足夠時(shí)，回填后的沉降變形將更小，但是這不利于工程成本的控制。一般而言，在注漿過程中按一定比例加入碎石毛石等材料后，即可滿足相關(guān)技術(shù)要求，取得很好的治理效果。

3 注漿治理工藝

3.1 注漿治理范圍的確定

根據(jù)我國公路路基相關(guān)規(guī)定，在采空區(qū)發(fā)生塌陷情況下，為保證上方路基及路面不發(fā)生開裂下沉等現(xiàn)象，需要對(duì)采空區(qū)治理寬度及范圍進(jìn)行確定（見圖4）。根據(jù)本工程采空區(qū)的實(shí)際情況以及公路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，得到本公路工程采空區(qū)沿煤層走傾向的治理范圍見式（1）：

3.3 鉆孔注漿施工

3.3.1 注漿材料的選擇

本工程注漿材料選用水泥-粉煤灰復(fù)合漿液，所使用的配制材料主要有Ⅱ級(jí)粉煤灰和PC32.5水泥。為保證采空區(qū)的充填擴(kuò)散效果，同時(shí)確保結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度，需要在漿液中摻入適量的骨料，骨料摻入比例需根據(jù)鉆孔及鉆孔窺視結(jié)果確定。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，選用中粗砂+豆石（0～5 mm）作為漿液投放骨料。

3.3.2 鉆孔布置

鉆孔分為帷幕和充填注漿兩種，孔深為47 m，左右兩邊各布置一排帷幕孔，中間布設(shè)兩排注漿孔，充填注漿孔的排距為15 m，帷幕孔的排距為42 m，充填注漿孔和帷幕孔的縱向間距為18 m。鉆孔順序?yàn)橄柔∧缓蟪涮钭{孔。鉆孔直徑為146 mm，當(dāng)鉆至穩(wěn)定基巖3 m以下時(shí)，在成孔孔內(nèi)下放直徑為114 mm的套管，套管與鉆孔孔壁之間采用純水泥漿封閉。待水泥漿終凝后，將直徑為91 mm的鉆頭繼續(xù)進(jìn)行鉆孔。當(dāng)鉆孔達(dá)到煤層底板1 m以下時(shí)，停止鉆孔，然后進(jìn)行注漿施工，見下頁圖5。

3.3.3 注漿施工

先進(jìn)行帷幕孔注漿施工（注漿壓力為0.5～1.0 MPa），帷幕孔鉆注結(jié)束后，再進(jìn)行充填注漿孔鉆注。投砂量宜為注漿總量的40%，當(dāng)孔口起壓后，應(yīng)該立即停止投砂。單孔最大注漿量約為337 m 3。當(dāng)注漿泵的壓力達(dá)到1 MPa以上、注漿量<50 L/min且持續(xù)時(shí)間>15 min以上時(shí)，即可停止注漿。充填注漿孔的注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)最大值時(shí)，即可停止注漿施工。

4 工后效果檢測

采用鉆孔檢測及物探相結(jié)合的方式，對(duì)該路基治理段進(jìn)行了質(zhì)量檢測（見圖6和表3）。從圖6中可以對(duì)比看到：經(jīng)注漿充填后，鉆孔在采空區(qū)得到了較為完整的注漿結(jié)石體，采空區(qū)裂隙和空洞得到有效充填，空洞頂板和注漿填充體相互之間接觸良好，地基的工程特性得到有效提升，其天然狀態(tài)的平均抗壓強(qiáng)度為17.5 MPa，飽和狀態(tài)的平均抗壓強(qiáng)度為17.2 MPa，孔內(nèi)注漿段的平均剪切波速度均>250 m/s，滿足工程建設(shè)和運(yùn)營的相關(guān)要求。

5 結(jié)語

（1）煤層回采結(jié)束后，豎向沉降變形量為2.25 m，采取充填注漿后沉降變形量僅為0.144 m。隨著路面荷載的逐漸增大，沉降變形逐漸增加，開采加載情況下，地表沉降對(duì)荷載的敏感性較高，充填注漿后，地表沉降量對(duì)路面荷載的敏感性明顯降低。

（2）通過計(jì)算分析，得到該采空區(qū)的治理范圍為68.7 m，充填注漿量為78 908.9 m 3，并從鉆孔施工和注漿施工等方面對(duì)注漿治理技術(shù)進(jìn)行了分析。

（3）工后檢測結(jié)果表明，采取充填注漿治理措施后，地基的工程特性得到有效提升，運(yùn)營期間未發(fā)生大面積開裂和沉陷，表明治理效果較佳。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯常春.高層樓房地基下伏雙層煤礦采空區(qū)治理方法[J].西部探礦工程，2019，31（8）：11-15.

[2]任琴雪，牛鵬飛.水工隧洞穿越煤礦采空區(qū)處理措施的研究與應(yīng)用[J].山西水利科技，2019（1）：15-19.

[3]劉占梅.虎頭石煤礦土地整理地表沉陷穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2019，30（2）：101-106.

[4]王欣文.西峪煤礦采空區(qū)公路滑坡的穩(wěn)定性分析和工程治理[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2019（9）：94-96.

[5]陳明剛，李賢飛.煤礦采空區(qū)地表穩(wěn)定性評(píng)價(jià)探究[J].江西煤炭科技，2019（3）：149-151.

[6]安文偉.煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性分析與研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2019（6）：116-118，121.

[7]唐鶴鳴.大型緩傾煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究[J].巖土工程技術(shù)，2019，33（4）：202-207，217.

[8]董 博.公路工程下伏煤礦采空區(qū)的物探方法研究[J].黑龍江交通科技，2019，42（4）：34-35.

[9]魏建柄.新建公路下伏某煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J].山西建筑，2019，45（2）：49-50.

[10]仝剛太，鄭 偉.貴陽繞城高速公路煤礦下伏采空區(qū)治理技術(shù)研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2013，9（9）：269-272.

[11]曹欣宇，祝 塘，胡 蝶.高速公路下伏煤礦采空區(qū)勘察與注漿處治淺析[J].黑龍江交通科技，2015，38（11）：25，27.

[12]張衛(wèi)兵.煤礦采空區(qū)灌注樁成孔成樁施工技術(shù)[J].建筑施工，2019，41（2）：189-191.