南官莊煤礦采空區治理方案

李 亮 張 濤

中國華西工程設計建設有限公司，河南鄭州 450000

1 概述

鞏義至登封高速公路項目起點位于鞏義市北部站街鎮，通過設置站街樞紐互通式立交與連霍高速公路相連接；終點位于登封市東北部唐莊鄉，通過程堂樞紐互通式立交與鄭少洛、永登高速公路相連。

南官莊煤礦開采為山西組二1煤層，煤層傾向320°，傾角平均36°，采用走向長壁傾斜分層采煤法，頂板管理為全垮落法，煤層厚度在6.5m～15m，平均厚度10.13m，平均采高為3.3m（傾斜煤層），回采率約為75%。批準的開采深度為220m～80m。現在已部分開采止+150m高程。采空區已塌陷，最深塌陷達1m左右，省道S237公路在該段立有“煤礦塌陷區”的警示牌。根據勘察結果，路線從南官莊煤礦采空區K8+881～K9+150段通過，該段設計為路基，由于該礦采空區為1984～2005年所采，停采時間較短，采厚較大，對路線影響較大。

2 采空區穩定性評價原則

在地質調查、采礦調查的基礎上，本著宏觀分析與穩定性驗算相結合的原則，結合煤層采取率、已開采煤礦的厚度、開采煤礦時的開采方式、已開采煤層的傾斜角度、采礦完成后至今的時間等，通過估算本項目施工時采空區經過5年沉降后的最大剩余變形量進行評價。所采用計算公式見《礦山開采沉陷學》。

3 采空區的穩定性評價

南官莊采空區為2005年以前開采，煤層的平均采厚為3.3m，采深80m～140m，走向長壁式開采，頂板全垮落法管理，煤層尚有25%未被開采。本項目施工時，煤礦僅停止開采5年 ，未充分塌陷。預計最大剩余沉降量還有總沉降量的15%（即α=0.15）。下沉系數取η=0.85，tgβ=2.2，水平移動系數b=0.3，估算的結果如下：

最大沉降量：wmax=2805mm

最大剩余沉降量：w剩=420.75mm

最大剩余傾斜量：

i剩=11.57mm/m～7.71mm/m

最大剩余豎曲率：

k剩=±0.484～±0.215×10-3／m

最大剩余水平位移：u剩=126.23mm

最大剩余水平變形：

ε剩=±5.28 mm/m～±3.52mm/m

根據《高速公路采空區（空洞）勘察設計與施工治理手冊》關于路基允許變形值的規定和《建（構）筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設及壓煤開采規程 》的有關規定，南官莊煤礦采空區的剩余沉降量大于規范所規定的最大剩余沉降量，表明其處于緩慢沉降階段，必須采用措施進行處理。剩余變形以較快的水平移動和沉降為特征。

4 采空區治理設計

4.1 采空區治理設計原則

南官莊煤礦采空區處理時需要考慮所處環境的特點、工程地質情況、建筑材料的供應以及施工所需時間等因素的前提下，采用先進的技術、經濟效應最好的措施，滿足鞏登高速通車的各項功能。堅持一次根治，不留后患的原則。保證經過相應措施治理后的公路路基在公路運營期間，地基的變形應滿足公路工程對地基穩定性的要求，不產生超過公路工程允許的變形。

4.2 采空區治理設計方案

圖1

圖2

表1 南官莊采空區地表移動角及系數一覽表

根據《公路路基設計規范》(JTG D30-2004）7.15.2 采空區處治，最終選擇注漿治理方案作為南官莊煤礦采空區治理方案。

4.3 設計標準

根據《高速公路采空區（空洞）勘察設計與施工治理手冊》和《建（構）筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設及壓煤開采規程 》，選取以下變形值作為公路采空區路基的允許變形值：

傾斜：i≤±3mm／m

豎曲率：k≤±0.2×10-3／m

水平變形：ε≤±2mm／m

4.4 采空區剩余空洞體積估算

（1）采空區影響范圍的確定方法

南官莊采空區對高速公路橫向的影響寬度，是以路基兩側邊坡坡腳為起點，向兩側第四系松散沉積層按移動角Ф考慮，γ為基巖上山方向移動角，β為基巖下山方向移動角。

南官莊采空區影響鞏登高速公路軸線的長度，是以采空區范圍和煤層上山、下山方向上影響范圍為界。圖中Ф為第四系松散層移動角，γ為基巖上山方向移動角，β為基巖下山方向移動角。

（2）剩余空洞體積估算

煤層被采后所形成的空洞經過沉降及圍巖填充后，其所剩余空洞體積為：

截至目前剩余采空區的體積（V）：

式中：

Va為開采完成后的總空洞體積，其值為：Va=S×M×K

式中：S為采空塌陷區面積，M為經調查所得知的煤層厚度，K為煤層回采率。

ΔV為截至目前已經沉降變形的冒落巖石碎脹所充填體積。

根據以往類似工程的實際經驗，采空區形成5～8年以后，約有總變形量的80%～90%已完成，剩余10%～20%左右；采空區形成3～5年以后，約有總變形量的70%～80%已完成，剩余20%～30%左右。如果在這段時間內，覆巖尚未完全塌陷，則地表剩余變形量將會更大，剩余變形量將在若干年后緩慢完成。

剩余沉降系數南官莊煤礦取0.15。

在計算過程中，采空區在路線橫向的寬度按計算確定，在路線縱向的計算長度按采空區長度取定。

4.5 采空區注漿量估算

按《高速公路采空區（空洞）勘察設計與施工治理手冊》，注漿總量按以下公式計算：

式中：

Q總——采空區總注漿量（m3）

A——注漿總量漿液損耗系數

S——采空區治理面積

m——采厚

K——回采率

η——注漿充填系數

C——漿液結石率

在實際灌漿施工過程中，漿液會不可避免的向四周圍巖以及坍塌至空洞處所堆積的破碎巖層中的裂縫進行滲透，為保證剩余空洞能夠有效的進行處理，注漿總量漿液損耗系數按1.1考慮。漿液的結石率為80%，漿液對采空區及上覆巖層中的裂隙、裂縫的充填率為75%，則估算出最終注漿體積。

表2 南官莊煤礦采空區影響路線段剩余空洞體積估算表

圖3 采空區治理范圍平面圖

表3 施工圖階段南官莊煤礦采空區注漿治理工程量一覽表（一）（鉆探工程）

表4 施工圖階段南官莊煤礦采空區注漿治理工程量一覽表（二）（注漿工程）

4.6 注漿孔布設

根據《高速公路采空區（空洞）勘察設計與施工治理手冊》中第5.3.2節關于采空區注漿設計的有關規定和表5-1（注漿孔和帷幕孔排距和孔距經驗值一覽表），南官莊煤礦采空區注漿孔設計為沿公路軸線按排布設，梅花狀布孔，煤礦為壁式開采，連通性相對較好，排距為25m，孔距為25m。在治理區最邊緣設置一排注漿孔，孔距為20m。

注漿孔頂標高為地面標高，底標高為采空區冒落帶標高；灌漿孔頂標高為開采煤層上部巖層頂面以下10m處標高，底標高為采空區底板標高，孔口管頂標高為地面，底標高為基巖下10m變徑處的標高。

5 結語

南官莊煤礦采空區停采時間已達5年，變形活躍期已過，現在已進入變形衰退期。現在采空區的變形主要是地面沉陷和裂縫。研究結果表明，南官莊煤礦采空區經過上述方案進行治理后，能有效地達到處理的預期目標，能夠滿足規范所規定的高速公路路基要求，保證公路安全營運。

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