工程場地下伏采空區墩臺治理技術研究

尚 衛 東

(1.太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024; 2.山西宏廈建筑工程第三有限公司，山西 陽泉 045000)

工程場地下伏采空區墩臺治理技術研究

尚 衛 東1,2

(1.太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024; 2.山西宏廈建筑工程第三有限公司，山西 陽泉 045000)

以晉城煤業集團擬建90萬m3/d煤層氣液化工程場地下伏房柱式開采小窯采空區治理工程為背景，運用鉆探方法，詳細探明了煤層氣液化工程場地采空區的分布和空間形態，根據下伏采空區3號煤層頂板巖層組成結構特征，提出采用混凝土墩臺式支撐處理采空區的治理方案及施工工藝，后期檢驗鉆孔數據分析表明本工程采取的混凝土墩臺治理工藝對大部分小窯破壞區充填效果及漿液固結程度較好。

工程場地,小窯采空區,墩臺治理,現場實測

1 工程概況

晉煤集團擬建煤層氣液化工程建設規模90萬m3/d，工程占地位于晉城市東北王臺礦北側，占用面積8萬m2左右，由于王臺礦為老礦井，致使所用場地內存在一定范圍的采空區。

場區北部即為王臺鋪煤礦建礦初期首采區，3號煤層于1962年—1969年進行了開采，回采率60%左右，采煤方法為長壁炮采，采煤后3個～5個月，地面產生過較多的裂縫、塌陷等現象，該區域內當時為耕地，破壞耕地近100畝。

擬建場區南部于1985年—1989年對原留保護煤柱進行了開采，采煤方法以房柱式開采為主，該區域煤炭資源回采率50%左右，由于頂板較好，開采面積較大，俗稱“禮堂式”開采。據調查訪問，當時采空區地面破壞形式主要為塌陷坑和槽，其形狀以圓形、條形和橢圓形居多，塌陷坑的深度一般0.6 m～3 m，最大達5 m，塌陷周圍一般都伴有地裂縫，長度3 m～30 m，寬度5 mm～500 mm。

在我國很多重點采煤區域，大量科技研究人員為了對廢舊礦區內荒置的工程場地與土地進行再次開發與利用，提高礦區煤炭開采后土地的利用效率，緩解采煤地區緊張的用地壓力，從而進行了大量的基礎研究工作，并且對一些主要鐵路和公路干線下伏采空區，以及工程場地下伏采空區進行了成功治理[1-6]。

為了減小該場地下伏采空區對工程場地后期擬建建(構)筑物的影響，保證該場地上建(構)筑物和設備的安全使用，因此，有必要對該煤層氣液化工程場地內的采空區區域進行研究和分析，采取合理有效的治理方案，降低或消除采空區破壞和地表下沉帶來的不利影響，進而提高該場地的安全使用效率。

2 采空區工程勘察方案及成果

2.1 采空區勘察設計方案

為了取得較好的治理效果，首先需要利用各種不同的勘察技術掌握采空區的分布范圍和內部空間結構特征，本工程的勘察以鉆探為主，輔之以必要的原位測試及室內土工試驗。具體方案如下：

1)鉆孔間距：根據場地建筑物平面布置圖，場地的東部為生產區，對地基沉降變形較敏感，安全等級為一級，鉆孔間距控制約40 m；場地的西部主要為輔助生產及辦公區，建筑安全等級為二級，在西部建筑物鉆孔間距可適當加大，間距控制約50 m。

2)鉆孔的深度：向采空區內施工的鉆探鉆孔深度根據內部揭露巖層結構不同而略有差別，遇到采空區時只需施工至采過的3號煤層底板；遇實體煤時應施工到3號煤層底板下部3 m深度。

3)取土、巖試樣和原位測試：取土、巖試樣和原位測試鉆孔的數量不少于全部勘探點總數的2/3，鉆孔取土樣的間距為2.0 m～3.0 m；取巖樣的間距控制在3.0 m～4.0 m左右，根據具體情況確定。

土層中進行標準貫入試驗，試驗點的豎向間距，原則上按2.0 m～3.0 m 考慮。

進行鉆孔深度范圍內剪切波速試驗，試驗間距為1.0 m，作為劃分地層和定性評價巖土性質的一種對比手段。

2.2 工程場地采空區勘察成果

根據收集到的“王臺鋪煤礦已采3號煤層采掘工程平面圖和地質地形圖”，結合本次勘探鉆孔揭露場地內圍巖巖性特征和已做過的場地物探資料，得出在本液化氣場地范圍內存在4塊不同特征的采空區，其中2號、3號和4號3塊采空區為小窯采空區。

2號采空位于場地的中北部，場地內該采空區面積約為12 967 m2。其特點為：頂板整體性好，沒有完全塌落；鉆探時從地面至煤層頂板以上范圍內基本不漏水，巖芯除表層由于風化作用較為破碎外，基本完整，采取率75%以上，呈長柱狀；鉆至采空層位突然掉鉆，漿液全部流失，洞中無充填物，掉鉆高度1.2 m～1.7 m，平均為1.5 m。

3號采空位于場地的中西部，場地內該采空區面積約為3 362 m2。其特點：頂板整體性好，完全沒有冒落；鉆探時從地面至煤層頂板以上范圍內基本不漏水，巖芯除表層由于風化作用較為破碎外，基本完整，采取率75%以上，呈長柱狀；鉆至采空層位突然掉鉆，漿液全部流失，洞中無充填物，掉鉆高度1.65 m。

4號采空區位于場地的南部，場地內該采空區面積約為14 517.2 m2。其特點：頂板整體性好，完全沒有冒落；鉆探時從地面至煤層頂板以上范圍內基本不漏水，巖芯除表層由于風化作用較為破碎外，基本完整，采取率75%以上，呈長柱狀；鉆至采空層位突然掉鉆，漿液全部流失，洞中無充填物，掉鉆高度1.2 m～3.8 m，平均為2.8 m。

3 小窯采空區穩定性評價

本工程采用《巖土工程勘測設計手冊》中的經驗公式對本場地內的2號、3號和4號小窯采空區地表穩定性進行判定，具體公式如下：

其中，A為采空區投影在底板上的面積，m2；Lc為采空區投影在底板上的周長，m；H為采空區冒落頂板的垂直深度，m；γ為采空區上覆頂板巖層容重，kN/m3；φ為采空區上覆頂板內摩擦角，(°)；q為地表新建建(構)筑物施加的重力，kPa。

通過將本場地內2號、3號和4號小窯采空區相應的現場實測數據代入上述公式，得出2號、3號和4號采空區對應地表安全穩定系數均小于1.5，出于該工程場地地表安全考慮，通過計算所得安全穩定系數至少應在2.0以上，所以，利用該公式的判定結論為上述3個采空區地表全部處于不穩定狀態。

4 采空區混凝土墩臺式治理施工技術

4.1 墩臺設置數量及位置

2號采空區布置51個墩臺，重要建筑物地段補強16個，小計67個墩臺；3號采空區布置7個墩臺；4號采空區布置53個墩臺，重要建筑物地段補強3個墩臺，小計56個墩臺。合計墩臺數量130個。

4.2 墩臺施工工藝過程

1)鉆孔施工放樣。

鉆孔施工位置按照采空區治理綜合平面圖上的孔位和坐標，首先采用全站儀逐個鉆孔進行測量，利用木樁對鉆孔位置進行編號標記，并且要求鉆孔施工位置誤差控制在1.0 m以內。

2)鉆孔施工。

a.鉆孔結構。

鉆孔開口部分孔徑為168 mm，進入基巖巖層內部3.0 m后變為孔徑為150 mm，直至進入3號煤采空區底板巖層。

b.鉆進方法。

在場地第四系地層中采用泥漿循環護壁回轉鉆進，巖石鉆進采用清水漿液循環回轉鉆進，在填矸區域必須進行套管護壁，套管間可以絲扣連接或直接焊接。

c.鉆孔深度。

鉆孔穿過場地內部采空區域掉鉆地段，繼續鉆進至完整煤層底板深度3 m左右，并需要經過現場監理及技術人員進行鑒定和驗收才能終止。

d.墩臺底板沖洗。

鉆孔后，對孔底5 m～10 m范圍內的塌落松散破碎煤巖采用高壓泵輸送清水進行沖洗，管路選用φ50 mm的鋼管或耐壓2 MPa以上的PVC塑料管，保證高壓泵壓力在0.2 MPa，管路端頭位于鉆孔底板上部1.0 m附近，每個鉆孔底板沖洗時間為5 min。

3)鉆孔灌注混凝土墩臺。

a.選用灌注材料。

本工程場地內的混凝土墩臺設計抗壓強度在20 MPa以上，灌注強度等級為C25的商品混凝土，配置的混凝土產品坍落度控制在10 cm～20 cm之間。

b.灌注系統。

混凝土采用混凝土罐車運輸，鉆孔灌注采用輸送泵和導管組成連接系統，導管型號為直徑108 mm的地質套管，輸送泵額定輸出量不低于60 m3/h。

c.灌注墩臺。

墩臺成臺方法計劃采用分層灌注的方法，一般每層堆筑混凝土高度宜為0.5 m～1.0 m，并根據鉆孔攝像觀測和測繩量測結果對單層灌注高度予以調整。

4.3 采空區治理效果檢測

為了檢測小窯采空區混凝土墩臺治理效果，在施工結束后1個月，施工16個檢驗鉆孔進行效果檢測，所選的檢驗孔位置位于場地內預建的建(構)筑物范圍內。

鉆孔檢驗主要是通過觀察鉆探鉆進時治理后的采空區圍巖循環漿液返漿情況，分析治理后的冒落圍巖和裂隙巖體充填膠結質量，評價采空區注漿的施工質量。現場絕大部分鉆孔進尺情況為鉆進漿液循環正常、無漏水、吸風、卡鉆、掉鉆現象，孔底部可見水泥粉煤灰冒落物混合結石體，自檢鉆孔情況綜合分析表明，本次采空區治理施工注漿對采空區冒落裂隙充填質量良好，對采空區冒落段冒落物起到了較好的膠結作用。

5 結語

1)本工程勘察工作主要運用鉆探方法，綜合確定在本場地范圍內存在4塊采空區，其中2號、3號和4號3塊采空區為小窯采空區。

2)結合巖土工程經驗公式對本場地下伏小窯采空區穩定性進行評價，表明3號煤采空區有突然塌陷至地表的可能。

3)根據下伏采空區3號煤層頂板巖層組成結構特征，對采用的混凝土墩臺治理方案及施工工藝過程進行了設計，并提出了技術保障措施，必要時對設計方案需做出及時合理的調整。后期檢驗鉆孔表明充填效果及漿液固結程度較好。

[1] 李娟娟，潘冬明，胡明順,等.煤礦采空區探測的幾種工程物探方法的應用[J].工程地球學報，2013(6)：728-732.

[2] 李 維.小煤窯采空區綜合勘察與地基穩定性評價[J].山西建筑，2017,43(8):56-57.

[3] 張 沛，尹楠楠.綜合物探方法在煤礦采空區勘察中的應用[J].城市建設理論研究，2016(6):16-17.

[4] 賈新果，孫春東.基于變形監測的采空區注漿加固治理效果評價[J].煤炭工程，2016，49(8):74-78.

[5] 潘立文，伍 松.全膠結注漿法在煤礦采空區治理工程中的應用[J].中國地質災害與防治學報，2010，21(1)：47-51．

[6] 趙仲霖.碾子溝煤礦采空區注漿治理技術的應用與研究[J]．煤炭技術，2014，33(10):303-305.

Studyontreatmenttechnologyofpiergovernanceofminedoutareaunderengineeringsite

ShangWeidong1,2

(1.CollegeofMiningEngineeringofTUT,Taiyuan030024,China;2.AcerArchitecturalEngineeringCo.,Ltd,ShanxiThird,Yangquan045000,China)

In this paper, Jincheng coal group proposed 900 thousand cubic meters / day of coalbed methane liquefaction field underground room and pillar mining small coal goaf governance engineering background, using drilling method, distribution and space form with proven site of coalbed methane liquefaction of goaf, according to gob under 3# coal seam roof strata structure the concrete pier, supporting the processing of mined out area treatment scheme and construction technology of post test drilling data analysis shows that this project has taken concrete pier treatment process for most small kiln damage zone filling effect and slurry consolidation degree is good.

engineering sites, small kiln goaf, pier governance, field measurement

2017-10-06

尚衛東(1972- )，男，在讀工程碩士，高級工程師

1009-6825(2017)35-0057-02

P624

A