多層采空區(qū)場地勘察與注漿治理關鍵技術應用

張?zhí)?，張紅軍*，張瑞華，王奎峰，王 強，許 艷，陳書平，王 薇，劉 洋

(1.山東省地質(zhì)科學研究院，濟南 250013；2.徐州中國礦大巖土工程新技術發(fā)展有限公司，江蘇徐州 221008)

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年由于煤礦開采所帶來的土地塌陷面積可達2.68萬余公頃[1-2]。許多地區(qū)不得不將部分居民住宅樓、工業(yè)廠房、道路等建立在采空區(qū)上方[3-5]，但是在采空區(qū)上方建立地面建筑物，極容易打破原來的平衡狀態(tài)，導致采空區(qū)的覆巖及地表的再次移動與變形，直接威脅其上方建筑構物的安全使用，成為制約工程建設的一個重要難題[6]。

我國小煤窯一般分布于煤田淺部，由于不規(guī)范開采，具有數(shù)量多、發(fā)育不規(guī)則、位置不清晰的特點。實際工程上一般先采用地球物理方法進行探測，然后在物探圈定的異常范圍布置鉆孔進行鉆探驗證，這樣可精確查明采空區(qū)的分布范圍及其富水性[7-8]。地面綜合物探中的瞬變電磁法[9]具有成本相對較低、探測精度相對較高等優(yōu)點，是目前探測煤礦采空區(qū)及其富水性的主要地球物理方法[10]。

注漿已成為對采空區(qū)進行充填，加固地基的有效手段，在不同工程領域都取得了豐富的研究應用成果[11-12]。例如：孫忠弟[13]對采空區(qū)注漿參數(shù)進行了詳細研究，并成功在某高速公路下伏采空區(qū)進行了應用。王聯(lián)芳[14]等運用水泥粉煤灰對唐津高速公路采空區(qū)進行了治理，取得了良好的注漿效果。文浩雄[15]則在研究灌漿法處理路基的原理基礎上成功對95 000m3采空區(qū)進行了治理。

本文以典型高層建筑群下多層采空區(qū)場地山東龍泉科技大廈為工程背景，綜合采用瞬變電磁、鉆孔探測等手段對重點區(qū)域進行了針對性探測，探測結果相互結合，有效探明了煤礦采空區(qū)位置和分布范圍。并在勘察結果的基礎上，針對性提出了采空區(qū)注漿設計關鍵參數(shù)，最終取得了良好的加固效果，以期治理經(jīng)驗可為類似工程提供一定的借鑒參考。

1 工程概況

擬建的山東龍泉管道工程股份有限公司廠區(qū)項目位于山東省淄博市博山區(qū)205國道以東、人民路以南、中心路北約300m的老廠區(qū)內(nèi)，總建筑面積約395 507m2，擬建1棟12-23層局部3層的辦公大樓、3棟30層、5棟33層住宅樓。根據(jù)初步調(diào)查，擬建場地位于原高家洼煤井井田范圍內(nèi)，附近存在大李煤井、石門煤井等多個小煤礦，開采情況復雜。根據(jù)初步收集資料分析，擬建場地下煤層1煤、2煤、3煤、4煤、7煤、9煤、10-1煤、10-2、3煤，其中1煤、2煤、3煤、4煤厚度變化大且分布復雜，為局部可采煤，開采情況不明；擬建場地下主要分布有4煤、5煤、7煤、10-1煤、10-2、3煤采空區(qū)，9煤開采情況不明。開采方法均為房柱式開采，頂板管理方式為自然垮落法。通過收集資料各煤層埋深情況統(tǒng)計如下表1所示，擬建場地煤層情況如圖1所示。

圖1 擬建場地煤層剖面

表1 各煤層埋深情況

2 采空區(qū)探測

為更為詳盡的摸清采空區(qū)分布范圍、層數(shù)、層間距等關鍵信息，本次探測綜合采用物探、鉆探相互結合、相互驗證的綜合高效辦法進行探測。2018年9-12月在擬建場地分別利用瞬變電磁法與鉆孔勘察兩種方法分別對采空區(qū)進行了對比探測。

2.1 瞬變電磁探測

瞬變電磁法(簡稱 TEM)是解決地質(zhì)問題的一種電磁方法，目前已經(jīng)成為必不可少的一種巖土工程勘察技術手段[16-17]。本次的探測采用V8電法工作站，發(fā)射線框400m×400m，采用小線框進行接收，本次物探測線共布置13條，點距為10m，試驗點5個，質(zhì)量檢測點10個，共計測點250個。

根據(jù)本次瞬變電磁探測結果，擬建場地下30～110m存在相對低阻異常區(qū)、各視電阻率等值線剖面圖的相對低阻異常區(qū)深度與搜集資料確定的2、3煤位置基本一致，說明擬建場地下可能分布有2、3煤采空區(qū)，須結合鉆探成果驗證2、3煤采空區(qū)的分布，并進一步查明采空區(qū)塌落密實情況(圖2)。

圖2 部分視電阻率等值線剖面及切片

2.2 采空區(qū)鉆孔勘察

根據(jù)瞬變電磁探測成果結合各煤層收集資料，于2018年10月開展了鉆孔探測工作。根據(jù)場地的實際情況，共布置鉆探孔19個，鉆孔布置平面圖如圖3所示(圖中半紅色圓圈)。

圖3 瞬變電磁法探測采空區(qū)范圍及鉆孔布置平面

通過鉆孔揭露，擬建場地下分布有小窯采空區(qū)、2、3、4、5、7煤采空區(qū)，其中小窯采空區(qū)埋深38.0～44.0m、采厚0.3～1.2m、位于擬建場地北部；2煤采空區(qū)埋深37.3～97.3m、采厚0.3～1.7m、普遍分布于擬建場地下，3煤采空區(qū)埋深50.0～115.5m、采厚0.4～2.0m、普遍分布于擬建場地下；4煤埋深115.0～115.6m、厚約0.3m、位于擬建場地中部東側(cè)，5煤采空區(qū)埋深106.5～159.0m、采厚0.5～1.5m、位于擬建場地北部，7煤采空區(qū)埋深124.5～150.0m、采厚0.5～2.0m、普遍分布于擬建場地下。鉆孔揭露2、3、5、7煤及小窯采空區(qū)時均出現(xiàn)掉鉆、進尺快等現(xiàn)象、對部分鉆孔進行的鉆孔成像也表明2、3、5、7煤及小窯采空區(qū)局部存在空洞。采空區(qū)水位為48.5～63.3m、平均57.6m、標高207.7m，水位以下采空區(qū)均已充水。部分鉆孔成果成像如圖4所示。

(a)Z6孔 (b)Z5孔 (c)Z10孔 (d)Z11孔

2.3 綜合探測成果及分析

結合物探及鉆探成果可知，擬建場地下普遍分布有2、3煤采空區(qū)，擬建場地北部分布有小窯采空區(qū)。鉆孔揭露4、5、7煤的煤層、采空區(qū)深度及分布與收集資料及物探結果基本一致。小窯采空區(qū)、2、3、4、5、7煤采空區(qū)尚未冒落密實，仍有殘留有空洞。根據(jù)Z18、Z19孔揭露，Z18孔在61.5～64.5m處、Z19孔在79.5～103.5m處巖心極破碎，且卡鉆極為嚴重至無法鉆進，疑為煤礦大巷或煤倉等構筑物。經(jīng)過綜合分析最終確定各煤層采空區(qū)位置，如圖5所示。

圖5 各煤層采空區(qū)位置分布

3 采空區(qū)注漿設計及治理

從物探及鉆探勘測結果可知，擬建場地大部分區(qū)域為采空區(qū)，建構筑物應避開該區(qū)域或?qū)β裆钚∮?27.5m的采空區(qū)進行治理，且應加強對埋深小于65m采空區(qū)及疑為巷道或煤倉分布區(qū)域的治理，以消除、減小采空區(qū)對擬建建構筑物地基穩(wěn)定性的影響，待治理結束并檢測合格后方可進行建設。

3.1 注漿孔設計及施工次序

1)注漿孔設計。綜合考慮治理區(qū)采空區(qū)分布特征及周邊環(huán)境條件，在治理范圍周邊布置一排帷幕孔，間距8～12m，建筑物部位的注漿孔間距根據(jù)擬建建筑物下采空區(qū)分布特點采用不同的孔距，淺部采空區(qū)注漿孔孔距為12m，深部采空區(qū)注漿孔孔距為18～24m，建筑物外圍注漿孔間距為24～30m。

2)施工次序?？紤]到采空區(qū)已充水，采取由場地中間向周邊的注漿順序，便于采空區(qū)的地下水排出，即先施工建筑物下注漿孔，后施工建筑物外圍注漿孔。均從采空區(qū)下山向上山方向推進即由北向南推進，并按批次間隔孔施工，嚴禁連片成孔后注漿，采空區(qū)注漿治理順序為先治理上部的采空區(qū)，逐層向下處理。

3.2 注漿施工工藝

本次治理根據(jù)采空區(qū)密實情況采用灌注水泥粉煤灰漿和水泥砂漿兩種工藝。對殘留空洞小于等于0.5m及殘留空洞大于0.5m且埋深小于95m的采空區(qū)灌注水泥粉煤灰漿，對殘留空洞大于0.5m且埋深大于95m的采空區(qū)可灌注水泥砂漿。

注漿孔采用開孔直徑為Φ150mm或Φ130mm，穿過覆蓋層后，進入中風化巖石5～10m，下入Φ127mm套管并固管，然后變徑為Φ91mm，終孔直徑為Φ91mm，若掉鉆大于0.5m，則采用108mm鉆頭擴孔至采空區(qū)，以便灌注水泥砂漿，注漿孔終孔深度以鉆至各治理采空區(qū)底板3m。

3.3 注漿參數(shù)

1)注漿壓力。先采用少量清水沖孔，再進行注漿，原則上控制在注漿孔孔口壓力為1.0～1.5MPa，最終注漿壓力可根據(jù)注漿情況優(yōu)化調(diào)整。

2)注漿終止條件。當注漿壓力達到1.0～1.5MPa，泵量穩(wěn)定在50L/min以下，穩(wěn)定5min以上、地面變形嚴重或地面有冒漿現(xiàn)象出現(xiàn)時，可作為該孔終止注漿標準，最終標準可根據(jù)現(xiàn)場試驗情況優(yōu)化調(diào)整。

3)注漿量控制。建筑物范圍內(nèi)注漿孔不限制注漿量，若最外圍邊界注漿孔單次注漿量超過50m3，則采取間歇灌注濃漿液。

4 注漿效果檢測

4.1 高密度電測試

本次工作使用WGMD-9超級高密度電法系統(tǒng)對采空區(qū)注漿區(qū)域進行檢測。測試工作延注漿區(qū)域橫向共布設4條高密度電法測線，由于各測試結果相差不大，只列出了測線2的測試結果，如圖6所示。

圖6 高密度電法測線2成果

高密度電法電阻率等值線斷面圖顯示采空區(qū)注漿區(qū)域視電阻率表現(xiàn)為高阻特征，無明顯的低阻異常說明均已進行注漿密實。

4.2 波速測井

本次共完成2個鉆孔，鉆孔深度160m，共計完成320個測點工作量。1號孔注漿位置：孔深87.0～88.0m，υs為836m/s；98.0～99.0m，υs為821m/s。2號孔注漿位置：孔深73.0～74.0m，υs為867m/s；98.0～99.0m，υs為852m/s；101.0～103.0m，υs為867m/s，說明水泥漿與圍巖膠結較好。

4.3 鉆探驗證

本次共完成2個鉆孔，ZK1鉆孔深度160m，ZK2鉆孔深度157m。其中在1號鉆孔中有兩處揭露水泥漿，深度分別為87.0～88.2m和87.8～88.6m，多為裂隙中充填，膠結度較好。在2號孔中119m處漏漿較快，在后期補注水泥過程中注入量較少，推斷為巖石破碎帶引起。兩個鉆孔中均未發(fā)現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象。

5 結論

1)采用物探、鉆探及鉆孔成像技術對擬建工程山東龍泉科技大廈龍泉家園地基采空區(qū)進行了綜合探測，各探測手段相互驗證，基本查明了勘探范圍內(nèi)不同煤層低阻異常區(qū)，有效探明了煤礦采空區(qū)位置和分布范圍。

2)基于采空區(qū)探測結果及擬建工程特點，綜合確定了注漿孔間距、孔深、注漿次序、注漿孔大小、注漿壓力、注漿材料配比等關鍵注漿參數(shù)及工藝。

3)為檢驗工程治理區(qū)的治理效果，采用地面高密度電法、鉆探、波速測試等工作手段對工程治理區(qū)的治理效果進行分析論證，檢測結果表明注漿效果良好，基本達到了理想治理效果，治理經(jīng)驗可為類似工程提供一定的參考意義。