高速公路采空區治理工程設計、施工與監控

吳小兵

（山西路杰公路工程技術咨詢有限公司，山西 太原 030012）

1 工程概況

太原—佳縣高速公路東段第二十二合同段煤礦采空區治理工程位于山西省婁煩縣游鎮赤七華村，起止里程EK88+680～EK88+920，治理長度240 m。地貌單元屬黃七梁峁及山間河谷區，地層主要由第四系黃七及卵石，基巖為二疊系的泥巖、砂巖及石炭系的煤系地層。該區是已停采的采空區，煤層的大面積采空區受星羅密布的巷道影響，導致建筑裂縫、地面塌陷，這種情況嚴重威脅到區內村民生命財產的安全，業主要求采取有效措施來解決此問題。

2 治理工程的設計

2.1 治理方案的選擇

參考山西大運、長晉、祁臨等高速公路煤礦采空區治理工程的成功經驗，經綜合比較，本治理工程采用了全充填壓力注漿的治理方案。該方案的特點是施工簡便、安全度高。其具體方案是在地表上打孔，通過注漿泵、注漿管將水泥粉煤灰漿注入到采空區巷道及覆巖體裂縫中，漿液經過固化，膠結巖層裂縫帶，同時采空區的漿液形成的結石體對覆巖層形成支撐作用，保證地基穩定。

2.2 采空區治理范圍的確定原則

采空區治理范圍包括采空區治理長度和采空區治理寬度。

2.3 注漿孔的設計

采空區注漿孔的設計深度為開孔層采空區（或煤層）底板以下3 m處，注漿孔的注漿長度為最上部完整基巖下6 m至注漿孔底板的深度，注漿管的長度為地面上1 m至完整基巖6 m處。

（1）帷幕孔布設。為了防止在壓力注漿過程中漿液的四處漫延，為此設計了帷幕孔。

（2）注漿孔布設。注漿孔在帷幕孔中按3.5 m左右間距布設12排孔，孔距3～4 m，在采空區或采掘巷道密集、地面變形嚴重段按低值布設，采掘巷道稀疏。

2.4 漿液配合比設計

根據以往煤礦采空區治理工程的成功經驗，確定注漿液為水泥粉煤灰漿，其水固比1：1.0～1：1.5，水泥含量占固相的15%，粉煤灰占固相的85%，帷幕孔中加水泥質量2%的速凝劑，帷幕孔根據具體情況采取較稠的漿液或在漿液中摻加水泥質量的2%速凝劑，使注入采空區的漿液盡快凝固，以形成帷幕，防止漿液流失。

3 施工方案

本工程項目包括建立注漿站、注漿孔鉆探成孔、澆筑孔口管、注漿、質量檢查等。

3.1 鉆探設備

鉆探施工先后投入GJ-2003型鉆機14臺，GT-1503型鉆機6臺，完成完整鉆孔382個，其中帷幕孔29個，取芯鉆孔76個，設計總進尺34 380 m，設計注漿量22 497 m3。

3.2 注漿施工設備

注漿施工投入BW250型注漿泵4臺，90 kN發電機組2套，QY15-26潛水泵5臺，泥漿攪拌機6臺，管道運輸，封孔裝置等。

3.3 建立注漿站

根據施工組織設計工期計劃安排，本工程施工區域以及工程數量，在施工區域內修建注漿站2個，注漿站包括：蓄水池1個、每個攪拌站設置一級攪拌池2個，二級攪拌池1個、共6個攪拌池，電源總控制柜2個、水泥庫柵、粉煤灰庫柵和其他配套設施。

4 主要設計工藝及技術要求

（1）工藝流程：

測量定點→成孔及下套管→下注漿管、觀察注漿情況，抽樣試驗。

澆筑孔口管→間歇式注漿→停止注漿備料，拌制漿液。

（2）孔位誤差小于1.0 m，特殊情況可在5.0 m范圍內調整。

（3）注漿孔開孔直徑為φ130mm鉆頭開鉆，鉆至完整基巖5m后，放入φ130 mm套管護壁，變徑為φ91 mm鉆至采空區塌落帶或煤層底板以下0.5 m終孔。

（4）做好鉆探原始記錄和巖心編錄工作，在鉆孔施工過程中，如發現漏水、掉鉆、埋鉆等現象要詳細記錄其深度、層位和耗水量。

（5）注漿材料及質量要求。①注漿材料是由水、水泥、粉煤灰、速凝劑、砂和碎石組成。②施工拌制用水采用當地深井水，為生活飲用水，其質量符合《砼攪拌水標準》，施工時用定量器計量。③水泥采用32.5級礦渣硅酸鹽水泥，其質量應符合國標（GB175—2007）的規定。④粉煤灰質量符合《用于水泥和砼中的粉煤灰》（GB1596—91）國家級標準。⑤速凝劑可采用水玻璃等。⑥砂和碎石參照有關標準。

（6）注漿系統。構成：料場，以及攪拌池（機）、二級攪拌池（機）、注漿泵、管道運輸、封孔裝置等。

（7）配置要求。①料場：堆放材料的料場地要平整，運料車輛正常通行，使材料便于運輸、搬運，要求設有防潮層、防雨措施。②攪拌池：能滿足正常施工要求，池的形狀為圓柱體，中間裝置攪拌機，使得攪拌后的漿液均勻。③攪拌機：要求能滿足正常施工要求，攪拌后漿液均勻。④水池：要根據施工注漿總量要求，建立多個水池。⑤注漿泵：注漿泵壓力應大于注漿最大設計壓力的1.5倍。⑥壓力表：注漿用壓力表最大指數小于10 MPa。⑦封孔裝置：封后孔口管采用直徑150 mm鋼管，在管子前端焊接一圓形法蘭托盤（托盤直徑120～130 mm之間），下入孔內變徑處。用泥漿泵注入水灰比1：1.4～1：1.0的純水泥漿。⑧注漿管：采用直徑50 mm鋼管，絲扣聯結。⑨投砂漏斗：附有篩網和球形閥，對于空區要較大部位投入適量的砂或石屑。⑩漿液攪拌時間不小于5 min，將攪拌好的漿液用注漿泵送入孔內進行注漿。輥輯訛先施工帷幕孔，再施工注漿孔，注漿鉆孔分序，間隔進行施工。由采空區底板較低孔向較高孔施工。輥輰訛注漿時采用注漿濃度先稀后稠的方法，注漿開始前應用清水沖洗鉆孔，沖洗時間應不小于10 min。輥輱訛注漿及間歇注漿前必須用清水洗孔，時間不小于10 min。輥輲訛對于竄漿的鉆孔，可采用雙泵雙孔注漿。輥輳訛稀漿注漿注量宜為取單孔注漿量的30%。輥輴訛當注漿孔的注漿末期，泵壓逐漸升高，當空口注漿壓力在1～1.5 MPa，泵量小于70 L。輥輵訛當帷幕孔注漿量較大時，選用砂漿泵送漿液或孔口加一漏斗狀的投砂器，用漿液將砂或礦渣帶入孔內，投砂時為防止堵孔，應避免在短時間內投入大量的砂，當投砂器溢漿時，停止投砂封堵投砂器口，繼續注漿直至起壓達到設計要求。

5 終孔標準

從試驗孔上段、下段注漿過程來看，注漿孔口壓力達到0.4MPa，地面出現冒漿。由于采空區的埸落裂隙，上段注漿壓力不能太大，以0.6 MPa為宜，下段注漿壓力可以適當升高至1.0 MPa以上。

6 注漿過程的監控

注漿施工屬于隱蔽工程，因此，質量控制主要靠施工過程的監控，在注漿過程中采用傳統的控制方式，即流量控制法和壓力控制法等。對注漿過程的施工質量以及有關施工記錄的技術資料加以整理分析，初步判斷注漿質量。對注漿過程的注漿壓力、漿液濃度、吸漿量等變化情況進行分析，判斷注漿工作是否正常。

6.1 注漿工程質量檢測方法

（1）鉆孔取芯和孔內測試：在注漿區進行鉆探，檢測注漿段的充填、加固效果。注漿前，在注漿過程中和注漿試驗孔需檢查孔內的重力測井和放射性測井，測試了地層的各種物性和電性參數，采用跨孔法進行了彈性波速測試。

（2）高密度電阻率勘探：檢測注漿前后地層電阻率變化，分析注漿層位和范圍。地面分別在注漿前、邊緣孔注漿完成后、注漿完成后7 d，注漿完成后28 d、注漿完成3個月時進行了5次高密度電法勘探測試。

（3）地表巖移觀測，在治理路段設置了沉降觀測點，對治理段的變形進行監測。主要檢測注漿后地表沉陷的變化，從而分析注漿效果。

6.2 檢測結果

注漿工程結束后，在注漿加固范圍內共布置了76個檢查孔。通過取樣觀察，每個檢查孔均未出現注漿之前的掉鉆漏漿現象。在灰巖段的巖溶裂縫中和采空區裂帶段見到了柱狀水泥、粉煤灰塊和水泥粉煤灰結石，表明漿液充填地層良好。

7 結束語

煤礦采空區治理工程是一項比較復雜的隱蔽工程，其工程質量直接影響到整個高速公路的質量。所以，采空區治理要以設計及規范為依據，不僅抓好施工工藝，還要把施工過程中的監控及檢測方法當做重點來保證工程質量。