貴州某高速公路跨越煤礦采空區的治理方案研究

譚化川，許源華

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 工程概況

該項目受起點接線及地區城市規劃的影響，須穿越一煤礦采空區，工程以橋梁形式跨越采空區。由于該區煤礦開采時間長，開采規模大，地下煤礦巷道密布，礦井多，煤層開采以后形成的采空區范圍廣，橋梁的樁基難以避讓，橋梁工程與采空區平面關系見圖1。橋梁設計為30、40 m跨徑連續T梁，橋面凈寬單幅11.7 m。項目橋梁穿越的采空區分別有復興煤礦采空區及煤礦的運輸巷道采空區。

圖1 煤礦采空區分部及治理平面設計圖

2 采空區形成背景及分布特點

場區地處貴州高原西部，屬侵蝕-剝蝕地貌單元，溝谷地形，亞熱帶濕潤季風氣候區。場區地層巖性為上覆蓋1～6 m厚的第四系殘坡積層粉質黏土、坡積塊石土；下伏二疊系上統龍潭組薄層狀泥巖、炭質泥巖、泥質粉砂巖、砂巖及煤層。場區位于揚子準地臺-黔北臺隆-遵義斷拱-畢節北東向構造變形區，場區地震動反應頻譜特征周期為0.4 s，地震動峰值加速度值為0.05 g，對應地震基本烈度為Ⅵ度。

2.1 煤礦采空區

該煤礦于2008年開采，2013年停采。礦區面積約1.482 1 km2，設計開采標高+1 600～+1 100 m，生產規模15萬噸/年，設計回采率80%，采礦方法為走向長壁后退式采煤法，巷道寬3 m、高3.4 m，頂板管理方法為全部陷落法。開采煤層有M31和M32煤層，M31煤層平均厚度1.78 m，M32煤層平均厚度1.65 m，煤層傾角9°，頂板巖性為泥巖、泥質粉砂巖及炭質泥巖，地下已形成大面積采空區，采空區埋深70～260 m，地表見多處塌陷坑及地裂縫，民房大量開裂，場地穩定性差。

2.2 運輸巷道

橋梁從采空區之間留設的保安煤柱上通過，下伏基巖內有運輸巷道及通風井分布，埋深106～124 m，井巷密集，且與路線小角度相交。該區域地表局部地段見寬約1～3 cm裂縫，部分房屋墻面出現輕微開裂。

3 采空區穩定性評價

3.1 采空區頂板穩定性評價

采空區頂板巖性為薄層狀泥巖、炭質泥巖、泥質粉砂巖、砂巖，屬于軟弱覆巖，煤層最大采深H=260 m，采厚M=3 m，采深采厚比H/M=86.7。場區內采深比小于240 m地段為不穩定場地，采深比在240～260 m為欠穩定場地，須進行工程處治。

3.2 采空區影響范圍確定

(1)煤礦采空區的影響評估評估參數的選取：復興煤礦采空區為老采區，設計回采率80%，煤礦圍巖為薄層狀泥巖、炭質泥巖、泥質粉砂巖、砂巖，形成的采空區類型為軟弱覆巖，其中上山移動影響角γ=70°，下山移動影響角β=δ-kα=70°-0.6×9°=65°，δ水平礦層移動影響角，γ傾斜礦層上山移動影響角，α為礦層傾角；k為常數：堅硬覆巖k=0.7～0.8，中硬覆巖k=0.6～0.7，軟軟覆巖k=0.5～0.6。

采用上述邊界角在橫斷面上作圖，見圖2：從采空區邊界做與水平線成邊界角的斜線，此線與地表的交點為邊界點，通過多組橫斷面做出連續多個邊界點并連線可得出移動盆地的邊界，見圖1中的采空區影響邊界。預測表明，橋梁部分墩柱位于采空區影響范圍之內，采空區變形對橋梁危害極大，須對采空區進行處治，確定場地穩定后方可建設。

圖2 煤礦采空區治理典型橫斷面C-C’

(2)巷道采空區的影響評估：對于單一巷道式采空區，采用極限平衡分析方法計算維持巷道頂板穩定的臨界深度Hcr及穩定性系數Fs，評價時分為覆巖為松散巖體和覆巖為非松散巖體兩種情況，綜合該區地層巖性判定覆巖為非松散巖體，根據采空區資料計算穩定性系數Fs=1.45，場地欠穩定，影響橋梁結構安全，須采取工程措施處治。

4 采空區治理方案

4.1 治理范圍

根據規范及前人研究治理經驗，采空區治理寬度為平行于橋梁兩側邊緣外圍護帶+禁采區的范圍；長度上：橋臺外圍護帶+禁采區范圍。具體范圍可通過縱、橫斷面進行作圖法來確定。經過勘察資料綜合分析，該場區內覆蓋層移動角取45°，采空區上山移動影響角取7°，下山移動影響角取65°，使用斷面作圖法得橋梁工程場區采空區治理范圍，其中圍護帶寬度取20 m，沿左幅橋邊界左側外移98 m為橋梁左側禁采區，沿右幅橋邊界右側外移87 m為橋梁右側禁采區；通過連接多組相鄰斷面確定的禁采點形成沿橋梁工程的禁采區，具體范圍見圖1，禁采區范圍內的采空區均需要進行治理，確保橋梁工程的結構安全。

4.2 采空區治理方案研究

主要治理方案有注漿法、支撐法、開挖回填法、巷道加固法、強夯法、跨越法等。支撐法、開挖回填法、強夯法、巷道加固法適合埋深較淺的采空區；埋深較深的采空區適合使用注漿、及跨越法進行處置。場區內采空區的埋深70～260 m、巷道埋深106～124 m，采空區埋深較深，經綜合比選，選擇注漿方式進行采空區治理。

(1)注漿孔方案布置：劃分為巷道、采空區注漿兩區域，巷道注漿又分為橋梁工程圍護帶內注漿及圍護帶外注漿，圍護帶內注漿孔沿巷道布設，孔間距10 m；圍護帶外注漿孔沿巷道布設，孔間距20 m。采空區注漿孔分為帷幕孔及注漿孔，帷幕孔沿采空區治理邊界布設，孔間距10 m，注漿孔排距及間距均為15 m，呈梅花樁布置。采空區注漿孔布置詳見圖。

(2)注漿方量計算：綜合煤礦開采資料及實際勘察情況，采空區剩余空隙率取0.5；巷道回采率取1，采空區回采率取0.8；漿液損耗系數取1.2；充填率取0.95；漿液結石率取0.95，采空區面積約1 160 m2，采用規范推薦公式計算注漿總體為2 534 m3，注漿材料為水泥粉煤灰漿，水固比按1∶1到1∶1.3，其中水泥占固相30%，粉煤灰占固相70%，最終計算需要水泥680 kg，粉煤灰1 600 kg，水1 720 kg。巷道注漿總體積為20 202 m3，需要水泥5 424 kg，粉煤灰12 763 kg，水13 721 kg。

(3)注漿施工工藝：場地整平后，按照注漿區順序依次放孔，開口孔徑不小于130 mm，上部進入基巖6 m下入直徑為130 mm的套管，變徑為91 mm鉆至跨落帶或者煤層底板以下1 m處終孔。鉆孔每50 m測斜一次，每百米孔斜不能超過1°，取芯孔數量為注漿孔、帷幕孔的5%，采空區部位鉆孔取芯率不小于30%，巷道部位鉆孔取芯率不小于60%。成孔后，巷道注漿采用依次成孔、自上到下，一次全灌注施工；采空區為多層采空區注漿，采用下行法注漿施工工藝，自上到下，分段成孔，分段注漿。

5 結 語

(1)采空區處治在工程建設中常見，須在勘察設計階段做好勘察設計工作，對治理方案進行合理的比選；在施工階段保證施工質量，避免給后期運營遺留病害。

(2)本文中踩空區所在層位深，分部面積大，通過對采空區分部特征進行場地穩定性評估，橋梁工程場地處于欠穩定狀態，需要進行采空區治理后方可進行工程建設。根據采空區橫斷面做圖發確定了禁采區，并對禁采區內的采空區及各種巷道進行注漿處治，確保場地的穩定性。