煤礦老采空區(qū)地基注漿處治后穩(wěn)定性評價研究

劉新文

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

在過去幾十年中，大規(guī)模的地下開采形成了大范圍的采空塌陷區(qū)。近年來，隨著基建活動的增多和土地資源的減少，部分建筑不得不修筑在采空區(qū)影響范圍內(nèi)。采空區(qū)引發(fā)的地表沉降將會影響建筑物的安全使用，且其影響通常貫穿于構(gòu)筑物的整個使用壽命[1]。

在建設(shè)高速公路時，由于不同地區(qū)的地勢、地質(zhì)條件及周圍環(huán)境等不同，一般采用復(fù)合材料注漿填充加固的方式進(jìn)行高速公路下伏采空區(qū)的治理[2]。法國的Charles Berigny 最早提出注漿法用于地下復(fù)雜地質(zhì)的堵水和地基加固。隨著工程需求和科技進(jìn)步，各種多層次復(fù)合的新型注漿材料逐漸被發(fā)明出來，且完善了注漿過程的精細(xì)度，有效保證了注漿后的效果[2]。高速公路下伏采空區(qū)常用的注漿治理工程屬隱蔽工程，其質(zhì)量檢測是確保后續(xù)工程施工安全及運(yùn)營的重要環(huán)節(jié)。然而，目前老采空區(qū)建筑地基的穩(wěn)定性評價研究多針對近水平煤層、中等穩(wěn)定頂板，采用相似模型試驗和數(shù)值分析方法，不能完全揭示老采空區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)特征及注漿效果。因此，針對不同巖體結(jié)構(gòu)的采空區(qū)，如何評價注漿加固治理效果，如何評估治理后的采煤沉陷區(qū)土地是否能滿足工程建設(shè)需要，十分重要。本文介紹軟弱覆巖場地，開采傾斜煤層形成老采空區(qū)，經(jīng)注漿處治后的場地穩(wěn)定性評價研究。

1 工程概況

某高速公路JK1+100—JK1+300 段東北側(cè)，場地占地面積15 333.4 m2，擬布設(shè)5 層綜合樓、4 層辦公樓、3層宿舍樓、附屬用房及配套設(shè)施；綜合樓、辦公樓采用樁筏基礎(chǔ)，宿舍樓采用筏板基礎(chǔ)，框架結(jié)構(gòu)。

該場地下伏3 號煤層采空區(qū)，該采空區(qū)開采方式為房柱式開采和走向長壁法開采。房柱式開采時間為1970—1976年，采深34.3～178.2 m，采厚3.6～5.2 m，煤層傾角約28°～39°，采空區(qū)處于充水狀態(tài)，地表塌陷坑局部存在積水。走向長壁法開采時間約1970—1976年，采深75.5～360.8 m，采厚3.8～5.0 m，煤層傾角30°～41°。根據(jù)終采時間計算，場地內(nèi)采空區(qū)均屬于傾斜煤層老采空區(qū)。

該場地采空區(qū)治理深度為34.3～300.0 m，治理面積9 660 m2。注漿漿液為水泥粉煤灰漿，其水固比為1∶1.3～1∶1.0，建筑物區(qū)水泥含量占固相30%的漿液，非建筑物區(qū)水泥含量占固相20%的漿液，共設(shè)計注漿孔104 個。注漿孔梅花型布設(shè)，設(shè)計充填率為85%。建筑物及注漿孔平面布置示意圖見圖1。

圖1 建筑物及注漿孔平面布置示意圖

根據(jù)建設(shè)單位及采空區(qū)治理施工單位提供的資料，治理工程完成注漿孔104 個，注漿量17 056 m3。場地注漿孔單孔平均注漿量為164 m3。

2 評價標(biāo)準(zhǔn)及方法

按照現(xiàn)行國標(biāo)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》，根據(jù)處治結(jié)束后檢測所取得的第一手資料，通過對比分析房柱式采空區(qū)處治前后的主要場地穩(wěn)定性參數(shù)，對該場地采空區(qū)當(dāng)前及今后一段時期的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

2.1 勘察前期與施工結(jié)束穩(wěn)定性評價方法比對

場區(qū)內(nèi)的采空區(qū)類型屬于采掘不規(guī)則、頂板垮落不充分、難以進(jìn)行準(zhǔn)確定量計算的老采空區(qū)場地，勘察前期結(jié)合擬建場地，進(jìn)行穩(wěn)評。

2.2 條件判別法分析

采空區(qū)處治施工結(jié)束后，采用終采時間、頂板管理等條件對采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行判別已失去意義，由于采空區(qū)處治與未處治最大差異為剩余空洞量，所以該次條件判別法采用采深采厚比和地表移動變形特征對處治后采空區(qū)場地穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

3 穩(wěn)定性評價

3.1 穩(wěn)定性主要參數(shù)變化

根據(jù)該項目采空區(qū)治理工程勘察設(shè)計文件，采空區(qū)處治后最大的變化為充填采空區(qū)后剩余空洞量，按最初勘察確定的房柱式采空區(qū)回采率為40%，處治前剩余孔隙率為回采率的50%，設(shè)計充填率為85%，處治后剩余孔隙率理論上將由20%降為3%；依鉆芯檢測綜合情況與最初的勘察穩(wěn)評資料對比分析，處治前最大掉鉆高度約4.2 m，處治后揭示到最大掉鉆高度0.3 m。房柱式采空區(qū)按采深采厚比、地表移動變形等對比分析判定如下。

3.1.1 采深采厚比穩(wěn)定性判定

參照《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》4.2 條規(guī)定，評價標(biāo)準(zhǔn)如表1。依據(jù)處治前后剩余空洞高度（處治前空洞高4.2 m，處治后空洞高按0.63 m 計），以50 m、100 m、150 m、200 m 等4 個采深（根據(jù)計算結(jié)果處治后100 m 以下均穩(wěn)定，故分析至200 m）進(jìn)行穩(wěn)定性評價如表2。

表1 不規(guī)則柱式采空區(qū)場地穩(wěn)定性等級評價標(biāo)準(zhǔn)

表2 參照公路房柱式采空區(qū)處治前后穩(wěn)定性分析評價表

根據(jù)以上計算結(jié)果，處治前房柱式采空區(qū)早期穩(wěn)定性均為不穩(wěn)定；處治后房柱式采空區(qū)為欠穩(wěn)定-穩(wěn)定，二者臨界深度為72 m。

3.1.2 按地表移動變形特征判定

在房柱式采空區(qū)處治之前，煤柱與空洞巷道相間分布，即使發(fā)生變形也屬于非連續(xù)性變形，采空區(qū)處治之后，大量剩余空洞被冒落碎屑和結(jié)石體所充填，煤柱與冒落充填物接觸較充分，原非連續(xù)變形逐漸被盆地邊緣的連續(xù)變形所替代，可參考地表移動變形特征對采空區(qū)場地穩(wěn)定性進(jìn)行評價，見表3。

表3 房柱式采空區(qū)處治前后穩(wěn)定性分析評價表

3.2 煤巖柱穩(wěn)定性定量分析法

擬建場地西部區(qū)域采空區(qū)房柱式開采形成，根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》，分別對綜合樓、辦公樓、宿舍樓棟下伏房柱式采空區(qū)的煤（巖）柱進(jìn)行穩(wěn)定性評價，見表4。

表4 煤柱安全穩(wěn)定性系數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)

式中：Pu為巖柱能承受的極限荷載，kN；Pz為巖柱實際承受的荷載，kN；γ0為上覆巖層的平均重度，kN∕m3；H1為煤巖柱埋深，m；Bh為保留煤巖柱條帶寬度，m；Bz為采出條帶寬度，m；M為采出煤層厚度，m；σm為煤巖柱的極限抗壓強(qiáng)度，kPa。

該次計算中參數(shù)煤巖柱埋深采用樓座范圍內(nèi)取芯檢測數(shù)據(jù)，煤巖柱極限抗壓強(qiáng)度、上覆巖土平均重度均采用該場地原穩(wěn)評單位煤礦采空區(qū)場地穩(wěn)定性評價報告數(shù)據(jù)，煤巖柱長度、煤巖柱寬度采用樓座范圍原采掘資料代表性煤柱，考慮到原采出條帶寬度、煤層礦房巷道原始高度已因冒落坍塌及處治充填大幅縮小，剩余空洞寬度與高度顯著降低，原始巷道寬度一般約3.5 m，處治后采出條帶剩余寬度按原寬度35%取值，即Bz=1.2 m，處治后采掘巷道剩余高度0.6 m 取值，即M=0.6 m，煤巖柱穩(wěn)定性分析計算結(jié)果見表5。

表5 樓棟煤巖柱穩(wěn)定性分析計算結(jié)果

4 擬建工程對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響分析

4.1 根據(jù)荷載臨界影響深度定量評價

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》12.3.3 條[5]，擬建工程對采空區(qū)的影響程度，根據(jù)建筑物荷載及影響深度等，采用荷載臨界影響深度判別法、附加應(yīng)力分析法分析評價采空區(qū)場地適宜性。荷載臨界影響深度定量評價工程建設(shè)對采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度的評價標(biāo)準(zhǔn)見表6，當(dāng)HD≥H時，荷載對采空區(qū)影響程度大；當(dāng)HD＜H≤1.5HD時，荷載對采空區(qū)影響程度中等；當(dāng)H＞1.5HD時，荷載對采空區(qū)影響程度小。

表6 根據(jù)荷載臨界影響深度定量評價工程建設(shè)對采空區(qū)穩(wěn)定性影響程度的評價標(biāo)準(zhǔn)

臨界開采深度的計算模型見圖2，該次計算利用原穩(wěn)評單位前期穩(wěn)評資料參數(shù)，假定處治后巷道寬度減小為1.2 m（與煤巖柱計算一致），其余參數(shù)不變，則處治后HD=7.0 m，1.5HD=10.5 m。

圖2 臨界開采深度的計算模型

式中：HD為臨界深度，m；P0為建筑物基底壓力，單層取20 kPa；B為巷道寬度，m；γ0為頂板以上巖層的重度，kN∕m3；φ為頂板以上巖層的內(nèi)摩擦角，（°），由巖樣剪切試驗求得。

根據(jù)處治后與前期勘察結(jié)果比對，擬建場地房柱式采空區(qū)剩余巷道埋深均大于10.5 m，因此該工程建設(shè)所形成的荷載對下伏采空區(qū)活化因素影響小。

4.2 附加應(yīng)力影響深度判別法

工程建設(shè)對采空區(qū)的影響主要是地面建筑物形成的荷載對采動破碎巖體地基的擾動。對建筑地基下伏采空區(qū)而言，可能因地面建筑加載引起下伏采空區(qū)內(nèi)冒落帶、裂隙帶、剩余空洞等破碎巖體產(chǎn)生二次活化位移，繼而導(dǎo)致建筑物地基下沉或變形加劇，冒落帶和裂隙帶與建筑物荷載影響深度的關(guān)系見圖3。

圖3 冒落裂隙帶與建筑物荷載影響深度的關(guān)系

地基中的自重應(yīng)力與矩形基礎(chǔ)下的附加應(yīng)力：

式中：σc為自重應(yīng)力，kPa；γi為第i層土的重度，kN∕m3；hi為第i層土的厚度，m；n為從地面到深度z處土的層數(shù)。

矩形基礎(chǔ)下的附加應(yīng)力計算采用角點(diǎn)法計算：

式中：σz為附加應(yīng)力，kPa；P0為矩形面積均布垂直荷載，kPa；α為角點(diǎn)下豎向附加應(yīng)力系數(shù)，是L∕B、z∕B的函數(shù)，L為基礎(chǔ)的長邊。

利用原穩(wěn)評計算數(shù)據(jù)（評價取土層平均厚度20.0 m，土層平均重度取20 kN∕m3，巖層平均重度取25 kN∕m3），擬建工程為5F、4F、3F 建筑，按照最高的建筑物計算建筑物附加應(yīng)力影響深度。單層建筑物基底壓力按照20 kPa 進(jìn)行計算，建筑考慮樁基礎(chǔ)埋深為20.0 m，土層厚度取20.0 m，計算結(jié)果見表7。

表7 擬建5F荷載影響深度

建筑物地基附加應(yīng)力最大影響深度為基底下26 m，距地面深度為46 m。該場地內(nèi)房柱式采空區(qū)埋深均大于46 m（埋深小于46 m 的采空區(qū)不在建筑物下部），因此，建筑附加應(yīng)力對采空區(qū)影響小。

根據(jù)荷載臨界影響深度與附加應(yīng)力影響深度等兩種分析評價方法，擬建場地建筑物附加應(yīng)力影響深度及荷載臨界影響深度均小于采空區(qū)埋深，即場地內(nèi)建筑物所產(chǎn)生的附加應(yīng)力對處治后的采空區(qū)影響深度較小，建筑物所形成的附加應(yīng)力在正常工況條件下不會引起采空區(qū)活化。

5 穩(wěn)定性分析評價結(jié)論

a）依據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》（GB 51044—2014），采用開采條件判別法、采深采厚比變化穩(wěn)定性法等定性因素進(jìn)行分析判定[6]；同時通過煤巖柱穩(wěn)定性定量分析法，對處治后場地采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評價。采空區(qū)處治之后場地內(nèi)較大的剩余空洞很少，因此場地已由原處治前不穩(wěn)定場地轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定場地。

b）參照《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》4.2 條規(guī)定[7]，依據(jù)處治前后剩余空洞高度，處治后房柱式采空區(qū)大于72 m 為穩(wěn)定場地，小于等于72 m 為欠穩(wěn)定場地；由于該場地采空區(qū)埋深絕大多數(shù)大于72 m 的臨界高度，故處治后采空區(qū)穩(wěn)定性總體評價較好。

c）經(jīng)對擬建場地綜合樓、辦公樓、宿舍樓下伏房柱式采空區(qū)的煤（巖）柱進(jìn)行穩(wěn)定性演算分析，場地內(nèi)煤柱安全穩(wěn)定性系數(shù)Kp均在2.0 以上，與注漿之前穩(wěn)定性系數(shù)提升較大。通過演算，該采空場地處治后穩(wěn)定性較好，判定為穩(wěn)定-較穩(wěn)定場地。

d）依據(jù)建筑荷載臨界影響深度定量計算，場地建筑附加應(yīng)力對采空區(qū)自身穩(wěn)定性影響較小。

6 結(jié)語

本文針對灌漿處治后的房柱式采空區(qū)開展穩(wěn)定性評價研究，參考國標(biāo)和公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中處治前的穩(wěn)定性評價方法，對處治后的老采空區(qū)地基穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價研究。研究結(jié)果表明：場地建筑物附加應(yīng)力影響深度及荷載臨界影響深度均小于采空區(qū)埋深，場地已由原處治前不穩(wěn)定場地轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定場地。本文開展了勘察前期與施工結(jié)束穩(wěn)定性評價分析，建立了煤礦老采空區(qū)地基注漿處治后穩(wěn)定性評價方法，為類似工程提供了技術(shù)借鑒。