晉煤運矸道路采空區治理優化設計

趙艷玲

(山西晉城煤業集團勘察設計院有限公司，山西 晉城 048006)

0 引言

煤礦采空區是指煤礦因地下開采空間圍巖失穩而發生位移、開裂、破壞垮落，直至上覆巖層整體下沉、彎曲所引起的地表變形和破壞的區域與范圍。采空區類型、穩定性現狀、道路等級、道路對不均勻沉降的敏感程度是確定采空區地基處理方法的關鍵。優化采空區地基處理，增強采空區工程建設場地的穩定性是煤礦采空區建設的新課題。

1 工程概況

晉煤運矸道路位于晉城市城區北石店鎮，道路西端起于晉高一級路，東端至于暢安路，屬于次干道。道路總長2 550 m，該道路工程采空區勘察報告表明，沿道路里程K0+000～K0+220段、K0+420～K0+720段、K0+800～K1+300段，長度1 020 m范圍存在3號煤層采空區3個；15號煤層采空區1個。3號煤層埋深在30 m～50 m，厚度約5 m，9號煤層埋深在70 m～100 m，厚度約1.3 m，15號煤層埋深在100 m～130 m，厚度約2.5 m(見表1)。

表1 采空區路段煤層情況

2 采空區地基穩定性評價

2.1 臨界深度法穩定性分析

根據《工程地質手冊》第五版中關于小窯采空區地基穩定性臨界深度經驗公式計算臨界深度H0。

其中，巷道寬度B取2.5 m，頂板重度γ取20 kN/m3，巖層的內摩擦角取75°,基底壓力取220 kPa，根據經驗公式計算臨界深度H0為45.6 m。由煤層頂板埋深H與臨界深度H0的關系，根據GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范(2017年版)，結合煤礦開采經驗，定性判斷3號煤層頂板不穩定，9號煤層、15號煤層頂板穩定(如表2所示)。

表2 臨界深度穩定分析

2.2 剩余變形值法穩定性分析

根據GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范(2017年版)，通過計算地表最大下沉值、最大傾斜變形值、最大曲率變形值、最大水平移動值、最大水平變形值，結合地區經驗估算采空區地表移動剩余變形值，從而分析采空區道路地基的穩定性。

1)最大下沉值W/mm。

W=mqcosα。

其中，m為煤層開采厚度；q為下沉系數，取值與頂板管理等因素有關，下沉系數取值范圍0.01～0.95，根據地區經驗取0.50；α為煤層傾角，取值為5°。

2)最大傾斜變形值。

其中，r為主要影響半徑，其值為采深與主要影響角正切tanβ的比，β取60°。

3)最大曲率變形值(mm/m2)。

4)最大水平移動值(mm)。

V=bW=0.25W。

其中，b為水平移動系數，取值0.25。

5)最大水平變形值(mm/m)。

ε=±1.52bW/r。

6)剩余下沉量的計算。

剩余下沉量按下式計算：

W剩=Wδ。

其中，W為最大下沉量，mm；δ為剩余沉降率，%。

根據地區經驗采空區地表移動剩余變形值取最大變形值的1/2，估算主要剩余變形值(見表3)。

根據GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范(2017年版)表12.2.4按地表剩余變形值，結合地區工程經驗綜合判斷：3號煤層采空區地基不穩定；9號和15號煤層采空區地基為基本穩定。

表3 剩余變形值估算

通過頂板巖層臨界影響深度判別法、采空區剩余變形值估算法綜合分析，晉煤運矸道路下伏3號煤層采空區地基不穩定，9號煤層和15號煤層采空區地基為基本穩定。因此3號煤層采空區的地基需要處理。

3 采空區地基處理設計工法選用

3.1 設計原則

以路基為核心進行治理，本著科學、經濟、合理對道路采空區處理采用以下原則。

動態設計、信息化施工的動態管理原則。采空區治理后滿足道路工程對地基穩定性要求的原則。

治理后不再發生較大變形，以保證路基安全運營的原則。

因地制宜的采用工藝成熟、技術先進的采空區治理方法，最大限度節約投資的原則。

3.2 工法選用

采空區地基處理方法的選用直接關系到運矸道路的工程造價、工期和安全問題。由于3號煤層埋深40 m，不屬于淺部采空區，若采用剝挖回填，采空區開挖后，周圍還需要設置防火墻，以防止采空區煤層自燃著火，該工法施工難度大，工程造價相對較高；道路路基的受力特點不適合采用樁基穿越采空區。

在道路采空區處理設計原則的思想內涵指導下，依據煤礦《礦山開采沉陷學》理論及煤礦“三下”采煤經驗，結合晉城地區采空區處理工程經驗，考慮建設工期、路基受力特點及道路安全運營對地基處理的要求，根據道路區段煤礦采空區地質條件、覆巖垮落類型、地表變形特征、水文地質條件、環境保護要求，采用工藝成熟的全灌注充填法處理晉煤運矸道路工程采空區路段。即在勘察資料確定的采空區路段范圍內按照一定孔距和排列方式布置鉆孔，鉆至煤層采空區3號煤層底板，由下至上對單層采空區灌注充填，通過灌注系統將水泥粉煤灰混合液注入采空區及其上覆巖層的裂隙中，使復合漿液充分充填采空區的冒落帶、裂隙帶。漿液與冒落帶巖塊經過固化膠結形成具有一定強度的結石體，并對結石體上覆巖層形成支撐作用，進而阻止巖層的進一步冒落，防止地面因冒落而引起過大沉降變形，保證道路路基地基穩定。

4 采空區地基處理設計優化

4.1 處理范圍優化

《晉煤運矸道路K0+000～K2+550.25段采空區勘察報告》表明：治理區域內煤礦采空區均為非正規的小窯房柱式開采，根據GB 51044—2014煤礦采空區巖土工程勘察規范(2017年版)表3.0.1、附錄A.0.1，確定運矸道路地基處理等級為甲級，圍護帶寬度為20 m，由下列公式確定治理寬度L。

L=D+2B+2(hcotψ+2Hcotδ)。

其中，D為路基底面寬度，取30 m；B為路基圍護帶一側寬度，取20 m；h為第四系松散層厚度，取23 m；H為覆巖厚度，取17 m；ψ為松散層移動角，取45°；δ為走向方向采空區上覆巖層移動影響角，取75°。

由上式確定的處理寬度為125.1 m，路基每側需外擴47.55 m。

由于建設投資控制及兩側外擴范圍受場地影響，根據晉城地區小窯采空區同類工程經驗，采空區地基處理等級為甲級的，保護邊線至少距離建構筑物邊線20 m；結合《公路路基設計規范》運矸道路等級，對治理寬度進行優化，優化后路基每側保護范圍為19.35 m，道路中心線兩側各34.35 m為采空區路基治理邊界，即總治理寬度為68.7 m(見圖1)。依據《晉煤運矸道路采空區勘察報告》，治理里程樁號為K0+000～K0+220，K0+420～K0+720，K0+800～K1+300，總長度為1 020 m。

4.2 灌注量估算

在確定的采空處理范圍根據GB 51180—2016煤礦采空區建構筑物地基處理技術規范中4.2.4公式，結合地區經驗選取合理的工藝參數，估算灌注量。

其中，τ為灌注量損耗系數，取1.2；S為采空區治理面積，m2；M為采出煤層法向厚度，3號煤層平均采厚5.0 m；N為煤層回采率，據勘察資料，結合地區經驗取20%；n為采空區剩余空隙率，據勘察資料，結合地區經驗取85%；η為充填系數，地區經驗取0.85；c為漿液結石率，地區經驗取80%；α為煤層傾角，取0°。

采用地區經驗優化后，治理面積為70 074 m2，剩余空隙體積為59 562.9 m3，灌注量為68 497.34 m3(如表4所示)。

表4 優化前后治理面積與灌注量對比

4.3 灌注充填注漿鉆孔設計

鉆孔分為帷幕鉆孔和充填注漿鉆孔，孔深平均為47 m，共布設6排鉆孔，沿軸線方向對稱分布，其中內側四排為充填注漿孔(梅花形布置)，與道路中心軸線垂向距離分別為7.5 m，21 m，孔間距18 m；外側兩排帷幕孔與道路中軸線垂向距離各為34.5 m，孔間距12.5 m，與相鄰充填注漿孔排間距為13.5 m(見圖1)。開孔孔徑146 mm，鉆進至穩定基巖3 m后，孔內下入φ114 mm的套管，套管與鉆孔孔壁間用水泥砂漿封閉固管以防止漿液從孔壁溢出，待固管水泥漿終凝后使用φ91 mm鉆頭繼續鉆進，鉆至3號煤層采空區中的塌陷冒落帶或煤層底板以下1.0 m后終孔。

5 灌注充填質量控制

注漿材料：漿液要滿足流動性、穩定性、結石抗壓強度、凝結時間等多種性能要求。制漿完成后需進行各種試驗測定其性能指標。漿液配比為1∶1～1∶1.2，水泥、粉煤灰固相比3∶7。粉煤灰質量符合GB 1596—2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰Ⅱ級標準。水泥采用強度不低于32.5 MPa的硅酸鹽,質量符合國家GB 175—2007/XG1—2009通用硅酸鹽水泥標準。骨料采用天然砂，粒徑不大于2.5 mm。骨料約為水泥粉煤灰質量的20%，速凝劑采用水玻璃，模數為2.4～3.4的水玻璃溶液，濃度大于50°Be′摻加量為水泥總重量的2%。

5.1 分序間隔灌注充填

為了保證采空區路段灌注漿液充填的效果，減少灌注漿液擴散流失，首先施工邊緣兩側帷幕孔，通過帷幕鉆孔灌注水泥粉煤灰混合漿液(攜帶骨料)，形成止漿帷幕有效隔離注漿區域；然后施工中間灌注孔，使漿液在有效的范圍內流動灌注采空空隙，從而使采空區的冒落帶、裂隙帶與漿液形成結石體，支撐上覆巖層，以控制路基總體變形，保證路基穩定。在進行帷幕鉆孔與內部灌注孔灌注充填時按序次“分序間隔”成孔，依前序次灌注充填情況，動態調整后序次的灌注施工。

5.2 過程質量控制

由于實際采空區范圍與鉆孔揭露的采空區可能存在偏差，注漿過程中可能出現異常情況，合理分析預判的不同情況，采取應對控制措施確保注漿質量。

當地面或孔壁與灌注管間冒漿時，及時調整灌注壓力，采用間歇式灌注法；當巖體破碎、裂隙發育，采用低壓濃漿、添加速凝劑和骨料、間歇灌注控制漿液過量流失到非灌注路段。當鉆孔間連通性好時，采用兩相鄰鉆孔同時灌注以控制漿液竄孔進入其他鉆孔。當灌注壓力保持不變，單位吸漿量減少，或當單位吸漿量不變而壓力持續升高時，通過穩定水固比保證注漿質量。在單孔灌注末期采用連續灌注杜絕間歇式注漿，以保證采空范圍地下空洞及裂隙帶的灌注質量。

6 結語

在晉煤運矸道路工程采空區處理設計過程中，通過與建設單位多次溝通收集采空區資料，認真學習勘察資料，根據采空情況參考地區經驗優化地基處理范圍預估灌注充填工藝參數。在灌注充填過程中與施工單位多次溝通，根據反饋信息對注漿參數調整，真正實現“動態設計、信息化施工”的內涵。晉煤運矸道路灌注充填結束后經第三方機構進行質量檢測，檢測資料表明裂隙及孔洞充填情況良好，提高了路基整體剛度，減少了剩余變形量。鉆孔取芯結石體抗壓強度、剪切波速、充填系數滿足規范要求，符合驗收標準。晉煤運矸道路目前已經安全運營兩年之多，路基路面未發現較大變形，運營良好。