山西某公路小煤窯采空區處治設計說明

馬秋紅

(山西交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012)

0 引言

隨著我國公路建設的不斷發展，經常會遇到各種復雜的地層條件，尤其是煤礦采空區嚴重制約著公路工程的建設。小窯采空區因受人為因素干擾較大，一般開采巷道很不規則，開采時間久遠，勘察難度很大，對公路工程產生嚴重的負面影響。本文以山西某公路小窯采空區為例，詳細論述了小窯采空區的處治設計方案。

1 概述

山西某公路小窯采空區位于山西省北部擬建公路K4+445～K4+820段，為林家口煤礦小窯采空區，工程類型為路基。

根據收集采空區相關資料及野外地質調查，該煤礦為房柱式開采，開采時間為1987年～1989年，開采9號煤層，回采率約35%，地表曾出現塌陷坑和裂縫。采用瞬變電磁法進行勘探，該區域表現為高阻異常區，在異常區內布設鉆孔，發生掉鉆現象，從而進一步驗證采空區的存在。

該采空區平均采厚為6.5 m，設計標高下采深采厚比為6.3～12，上部為中硬覆巖，根據其采深采厚比評價場地穩定性，為不穩定，因此須進行處治。

根據采空區特征，采用全充填壓力注漿法來處治煤礦采空區，注漿采用水泥粉煤灰漿。

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。

2 處治工程設計

2.1 注漿孔設計

采空區注漿孔設計深度為地表至采空區底板下1 m，平面按帷幕注漿孔和注漿孔分別布設。

1)帷幕注漿孔布設。帷幕注漿孔為公路中心線兩側最邊緣一排孔，孔距為10 m。

2)注漿孔布設。注漿孔先沿公路中心線布設，孔距15 m，其次為路線兩側至帷幕孔區域，梅花形布設，排距和孔距均為15 m。其中兩側靠近帷幕孔區域各有一排注漿孔，孔距為20 m。

2.2 漿液配合比設計

根據工程經驗，依據試驗數據，注漿材料采用水泥漿和水泥粉煤灰漿。

水泥粉煤灰漿液水固比1∶1～1∶1.5，水泥占固相的20%，粉煤灰占固相的80%。

帷幕孔根據具體情況，采用較稠的漿液或在漿液中摻加水泥重量的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。路基工程處治標準及參數對比見表1。

表1 工程處治標準及參數對比

2.3 采空區注漿量設計

根據勘察結果，計算采空區剩余空洞體積為24 189 m3，漿液結石率按82%計算，路基下漿液對采空區及上覆巖層中的裂隙的充填率為90%，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0.90;c為漿液結石率，取值82%;根據以上公式，計算注漿總量為29 204 m3。

2.4 工程量

1)帷幕注漿孔71個，注漿孔93個，鉆孔總數164個，鉆探總進尺11 978 m;2)澆筑注漿管:水泥漿澆筑體積11.48 m3，注漿管長度2 945 m;3)注漿總量:29 204 m3;4)漿液材料:水為18 720 t，水泥 4 497 t，粉煤灰17 960 t，速凝劑 39 t，砂或石屑500 m3;5)檢查孔2個，總深度150 m;6)波速測井法測點150個。

2.5 注漿材料及其質量要求

本設計文件中所規定的注漿材料由水、水泥、粉煤灰、速凝劑、砂或石屑組成。

施工拌制用水符合《混凝土拌合用水標準》。

水泥為符合國家標準的32.5號硅酸鹽水泥或具抗腐蝕性的同標號其他水泥，采用汽車運輸，運距15 km。

速凝劑可選用水玻璃等。

石屑或砂參照有關規定。

2.6 臨時設施

1)平整場地2 460 m2。2)攪拌池3個，每個4 m3。3)臨時占地32畝。4)便道2 km。5)水池2個。

3 工藝設計

本工程施工工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

4 采空區處治過程監測及處治效果檢測

4.1 施工過程中的工程質量監測

施工技術人員必須掌握采空區處治工程的目的、加固原理、技術要求和質量評定標準等。施工中應有專人負責質量控制，并做好施工記錄。

施工單位的自檢。原材料檢驗，包括水泥、粉煤灰、砂的檢驗，原材料的出廠檢驗單、每批量的檢驗等。每班對漿液配合比、漿液參數如結石率、粘度進行測試和試塊制作。

監理單位進行全方位的監督和管理，不定期進行抽檢，對原材料用量、漿液各種指標和工藝等進行控制和管理。

業主進行檢查和現場指導。檢查施工單位是否嚴格按設計文件進行施工，對嚴重不符合設計或對工程存在危害的施工方法進行制止或下停工令，并對施工單位進行整改，加大管理力度。

4.2 施工結束后處治效果檢測

采空區處治結束6個月后，采用鉆孔取芯和孔內波速測井法進行采空區處治效果檢驗、評價。公路主體工程(路基)應在采空區處治施工后，經檢測認為施工質量滿足要求后方可開工。檢查孔位置一是考慮布置在有代表性的采空區位置，二是在施工過程中出現異常情況的部位。檢查孔的分布數量視工程類型以及重要程度有所不同。路基采空區檢查孔數不小于處治注漿鉆孔數的2%。

1)鉆探檢測法。檢查孔深度為地表至采空區底板的深度，終孔直徑89 mm，全孔取芯。通過孔內取芯直接觀察采空區的漿液充填情況，鉆孔的巖芯采取率應大于90%。巖芯的完整程度、循環液的漏失量大小，采空區冒落裂隙帶漏失情況等，觀察并描述采空區冒落裂隙帶漿液結石體的充填程度、裂隙閉合情況等，觀察結石體的顏色，用錘擊結石體的聲音，手捏結石體的感覺，指甲或小刀是否能刻劃等物理性質，并結合鉆探過程中循環液的漏失情況及孔壁的穩定性等評價注漿質量，對巖芯進行編錄、拍照、保管和存檔。

2)物探檢測法。在鉆孔內進行孔內波速測試，路基采空區處治后巖體橫波波速應大于250 m/s。

在結石段取芯做強度試驗，漿液結石體抗壓強度不小于0.6 MPa。

5 結論與建議

公路主體工程(路基)應在采空區處治施工后，經檢測認為施工質量滿足要求后方可開工。

公路工程范圍內，應禁止一切采礦活動，如在勘察設計以后發生新采或復采，應對采空區進行補充勘察設計。

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