忻保高速公路路基下伏煤礦采空區的處治

郝金杰

0 引言

隨著我省高速公路“九縱十一橫,十一環”戰略的實施,公路建設掀起了新一輪的高潮,很多地區的高速公路常常不可避免地布設于煤礦采空區的地表。由于煤礦采空區地表過去或現在所發生的變形、裂縫或塌陷,對通過高速公路路基、路面或構造物的強度及穩定性造成不同程度的影響和破壞。為此,必須對公路通過的非穩定采空區進行治理。

1 處治的必要性

忻保高速公路途經忻州市保德縣保德煤礦,勘察期間,在K176+610～K176+977段地表發現大量裂縫近似龜裂,尤其在K176+550右200 m和K176+860～K176+977一帶裂縫走向220°～300°延伸最大長度 120 m,最大寬度60 cm。經調查得知下伏煤礦采空區,該采空區埋深132 m～176 m,開采8號煤層,采厚5.5 m,采深采厚比 24∶32,回采率 90%,煤層產狀 265°∠4°。煤層偽頂偽底均為泥巖,老頂為厚層狀砂巖,老底為砂質泥巖。該8號煤層采空區冒落帶高度為22 m,冒落裂隙帶高度約為83 m,預計地表剩余下沉量W=1 980 mm,地表剩余傾斜變形值i=±41 mm/m＞±3 mm/m,地表剩余曲率變形值K=±1.3 mm/m2＞±0.2 mm/m2,地表剩余水平變形值 ε=±16 mm/m＞±2 mm/m。地表剩余變形參數均大于容許值,該采空區嚴重影響路基,必須進行處治。

2 處治方案的選取

忻保高速公路路基下伏采空區處治方案的選取遵循了以下原則：1)技術上可行,經濟上合理,又能滿足進度要求。2)根據采空區的地基條件、道路條件及施工條件進行。并結合我省大運高速公路、長晉高速公路、太長高速公路、離軍高速公路等多條高速公路對煤礦采空區的工程處治經驗,最終經過篩選,選用全充填注漿法來處治。

全充填壓力注漿法是在地表施工鉆孔,鉆孔深度達到煤礦采空底板,將注漿管密封在煤礦采空區上覆巖層中,采用泥漿泵,將漿液注入煤礦采空塌陷區和其上覆的巖層裂隙帶中,漿液的結石體阻止上覆巖層及地表的進一步變形,從而達到治理采空區的目的。

3 處治范圍的確定

采空區處治范圍包括采空區處治長度和采空區處治寬度。

處治長度是以采空塌陷區邊界為起點所確定的長度,處治寬度為圍護邊帶外側向兩側按巖體擴散角考慮所確定的邊界寬度。

其中,L為處治寬度,m;D為路基寬度,取24.5 m;B為圍護帶,取10 m;H1為松散層厚度,m;H2為覆巖厚度,m;φ為松散層移動角,取值45°;β為采空區覆巖巖體擴散角,取值70°。計算得出該采空區處治寬度為180 m。

4 灌漿孔布設

灌漿孔布設深度為地表至采空區底板下1 m,注漿管長度為地面之上1 m至完整基巖下6 m處的深度。帷幕孔是公路中心線兩側最邊緣的一排孔,孔距為25 m。注漿孔的布設是路基范圍沿縱向布置3排,排距和孔距都是25 m,路基兩側范圍沿縱向各布置1排,孔距為30 m,梅花形布設。

5 注漿配合比設計

注漿漿液為水泥粉煤灰漿,其水固比為 1∶1.5～1∶1.0,水泥占固相的15%,粉煤灰占固相的85%,帷幕孔需根據具體情況,采用較稠的漿液,使注入采空區的漿液盡快凝固,以形成帷幕,防止漿液流失。

6 注漿量的確定

該段采空區剩余空洞體積為149 153 m3。

注漿量按公式：

其中,A為漿液損耗系數,取值1.1;ΔV為采空區剩余空隙體積,m3;η為漿液充填率,取值0.9;C為漿液結石率,取值0.85。

根據上式,計算注漿量為173 719 m3。

7 處治工藝流程

處治工藝流程見圖1。

8 質量檢驗

注漿施工結束6個月后運用物探、鉆探取芯及室內試驗、鉆孔、壓水試驗、地表變形觀測等多種技術和方法對煤礦采空區治理工程質量進行質量檢測,結果結石體抗壓強度平均值為0.65 MPa,充填率 83%,單位壓水量為54 L/min,孔內彈性橫波183 m/s,變形觀測的傾斜、豎曲率,水平變形都小于評價標準要求值。經過綜合分析,工程質量良好,注漿效果顯著,可以進行下一工序即主體工程的施工。

[1]劉佑農.鐵路路基小煤窯采空處理方法初探[J].山西建筑,2008,34(17)：306-307.