煤礦采空區高速公路路基填筑施工技術

苗春雨

（中交路橋華北工程有限公司，北京）

前言

我國煤炭資源較為豐富，越來越多地區憑借煤炭資源的開發、轉化、利用實現了經濟水平的快速增長。但是，煤炭開采遺留采空區極易引發地質災害，如地表沉降、地面裂縫、采空塌陷等，影響了交通設施基礎穩定性。高速公路橫穿煤礦采空區情況并不鮮見，采用科學手段進行高速公路路基填筑，是降低采空區高速公路安全隱患的有效途徑之一。因此，探究煤礦采空區高速公路路基填筑施工技術具有非常突出的現實意義。

1 煤礦采空區高速公路路基填筑作業項目

一高速公路擬建線路穿越區域兩煤礦采礦權范圍，其中一煤礦尚未開采，未形成采空區；另外一煤礦在高速公路K41+800～K42+400 范圍內存在采空區。采空區煤礦開采方式為地下開采，開采期間已出現伴生地裂縫、采空塌陷、地面沉降等問題。煤礦挖掘后余留地表空洞對高速公路路基沿軸方向的干擾范圍如圖1 所示。

圖1 煤礦采空區對高速公路路基沿軸方向的影響范圍

圖1 中，1 為東側影響帶；2 為煤礦采空區范圍；3為西側影響帶；4 為覆巖，強風化層，厚度不均；5 為煤礦采空區；6 為煤礦采空區影響寬度；7 為高速公路路基。

2 煤礦采空區高速公路路基填筑作業方案

因煤礦采空區已出現伴生地裂縫、采空塌陷、地面沉降等問題，擬選擇綜合注漿法處理。區域邊界優選帷幕注漿鉆孔（相鄰孔之間距離相等），沿著高速公路中心線兩側，圍繞采空區治理區域邊界，均勻布置[1]。注漿（水泥－粉煤灰漿液）填筑寬度需結合高速公路路基范圍內向外側應力擴散角、兩側邊坡保護帶寬度（見圖2）。

圖2 煤礦采空區高速公路路基注漿填筑寬度確定

圖2 中，b 為高速公路一側邊坡及保護帶寬度，m；B 為高速公路路基寬度，m；H 為煤礦采空區埋設深度，m；β 為高速公路路基填筑范圍內向外側應力擴散角，°。根據圖2，可計算煤礦采空區高速公路路基注漿填筑寬度如下：

式中，L 為煤礦采空區高速公路路基填筑寬度，m。K41+800～K42+400 采空區左側路基底寬度為15 m，右側路基底寬度為15 m，保護帶寬度為6 m，覆蓋巖石厚度為40 m，移動角為75°，根據已有數值代入后計算，得出左側路基采空區處理寬度為34.35 m，右側路基采空區處理寬度為34.35 m。

塌陷、沉降、伴生地裂縫區域為注漿鉆孔處理方式，借鑒一般高速公路路基段、路橋過渡段規劃思路，圍繞區段內煤礦采空區分布，以高速公路中心線為依據，考慮路基原設計填筑點位，科學規劃相鄰注漿孔，促使其距離以及距離每排垂向長度相同。在圍巖塌陷沉落位置確定后，可以根據煤礦采空區頂板巖石穩定性，確定注漿填筑深度，具體如下：

式中，H0為臨界深度；B 為高速公路路基寬度，m；γ 為巖石比重，t/m3；φ 為巖石內摩擦角，°；P0為基底單位壓力，kN/m3。

煤礦采空區高速公路路基填筑操作期間，單孔注漿量與擴散半徑、水泥-粉煤灰漿液充填系數、開采厚度具有較大關系。具體如下：

式中，Q 為煤礦采空區高速公路路基單孔注入水泥-粉煤灰漿液量，m3；R 為擴散半徑，m；h 為開采厚度，m；α 為漿液的充填系數。在單孔注漿量一定的情況下，控制采空區邊界帷幕注漿為設計總量的15%，采空區上覆地層沉陷帶及伴生地裂隙內注漿量為設計總量的85%。

3 煤礦采空區高速公路路基填筑作業步驟

3.1 漿料準備

煤礦采空區高速公路路基填筑用漿液擬選擇流動性佳、基本不脫水、制備工藝簡單、原材料來源充沛、成本低、凝結速度快且可形成一定強度固態充填體的水泥-粉煤灰漿液。水泥-粉煤灰漿液用原材料包括水泥、粉煤灰、水、粗骨料、速凝劑等[2]。其中水泥為32.5#及以上礦渣水泥（或普通硅酸鹽水泥），若確定煤礦采空區水對漿液結石體具有中等強度腐蝕性，需選擇符合國家質量標準《抗硫酸鹽硅酸鹽水泥》（GB/T748-2023）的抗硫酸水泥；粉煤灰應達到國家質量標準二級到三級要求；水應符合《混凝土攪拌用水標準》（JGJ63-89）中拌和混凝土用水要求，pH 值大于4；粗骨料最大粒徑應小于1.0 cm，有機物含量小于3；細骨料應為質地堅硬的人工砂或天然砂，粒徑小于2.5 mm；速凝劑應符合《混凝土外加劑》（GB8075-87）的相關要求，若選擇水玻璃作為速凝劑，應確保水玻璃模數超出2.4 但小于3.0，濃度小于45 波美度但不小于30 波美度[3]。

采空區高速公路路基漿料配比見表1。

表1 煤礦采空區高速公路路基漿料配比（重量比）

由表1 可知，粗骨料占水泥重量比為40%，水與漿料配比為1:1，水泥用量為127 kg/m3。根據表1，技術人員可以先將水泥投入一級攪拌機內，先后加入清水、速凝劑攪拌，攪拌5 min。同時將粉煤灰加入另一臺一級攪拌機內，加入清水，均勻攪拌，攪拌5 min。隨后開啟放漿閥門，將水泥攪拌物、粉煤灰攪拌物同時投入二級攪拌機內，利用減速機將水泥、粉煤灰與粗骨料、細骨料均勻混合，持續攪拌10 min。

3.2 成孔操作

根據前期測量確定鉆孔位置駛入鉆機，調整鉆機水平度、立軸垂直度與孔位偏差[4]。

確定鉆機孔位偏差小于2 mm 時，借助φ130 mm鉆頭鉆至完整基巖5 m 下（或采空區底板下3 m 位置），初次鉆孔孔徑在140 mm±10 mm 之間。區域邊界帷幕注漿鉆孔以及采空塌陷、沉降、伴生地裂縫區域注漿鉆孔參數見表2。

表2 煤礦采空區高速公路路基填筑鉆孔參數

根據表2 鉆孔至完整基巖8 m～10 m 后，下入φ130 mm 護壁管，轉為φ91 mm 鉆頭清水循環鉆至煤礦采空區塌陷帶，一次變徑后終孔孔徑超出91 mm。整體鉆孔需遵循先鉆設帷幕灌漿孔，再鉆設采空區注漿孔的順序，鉆孔布設平面圖見圖3。孔打設整個過程中，操作者應注意測斜，相鄰測點間隔50 m，及時根據檢測結果調整，避免每100 米孔傾斜率超出2°。

圖3 鉆孔平面布置

圖3 中，1 為高速公路路基邊界線；2 為采空區；3為帷幕孔；4 為注漿孔；5 為墩臺邊界線；6 為擬建道路；7 為道路軸線。由圖3 可知，煤礦挖掘后余留空洞區的高速公路路基注漿填筑鉆孔可劃分為帷幕鉆孔、充填注漿鉆孔，共布設4 排，成排對稱，對稱中心與高速公路中軸線重合。對稱中心兩側為2 排充填注漿孔，每排充填注入水泥-粉煤灰漿液的孔與高速公路中軸線垂向長度一致，相互毗鄰的注漿孔之間的中心長無差別；高速公路最外側為2 排帷幕注漿孔，每排帷幕注漿孔與高速公路中軸線的垂向距離相等，相互毗鄰的帷幕注漿孔之間距離相等，與充填注漿孔之間的距離也相等。

3.3 注漿操作

終孔后，利用前期準備漿液澆筑孔口管，即借助φ50 mm 鋼制注漿管注入漿液。具體操作時，技術人員應先將一個圓形法蘭托盤焊接到φ50 mm 鋼管前，再將鋼管下入注漿孔由130 mm 變為91 mm 位置（巖層與土層分界位置）。同時松動φ130 mm 護壁管后完全抽出。

將護壁管抽出后，技術人員可以利用清水沖洗孔壁，沖洗時間超出5 min，并開展簡單壓水試驗。在檢驗注漿管路密閉性達標后，將孔壁、裂隙完全疏通。確認孔壁、采空區伴生地裂隙無堵塞后，注入前期拌和的水泥-粉煤灰漿液，促使注漿管與注漿孔邊壁之間固結。正式注漿時，技術人員應先經砂漿泵將前期拌和漿液注入煤礦采空區邊界帷幕孔，或者在孔口增設漏斗狀投砂器，經投砂器將漿液帶入孔內，減緩帷幕孔注漿速度，打造地下包圍型基礎。在投砂器出現漿液溢出情況時，技術人員應立即停止投砂，并將投砂器口封堵。

在經帷幕孔注漿打造地下包圍基礎后，技術人員可以借助4 MPa 及以上泵送加壓方式，貫徹低壓、稠漿、小泵量、多間歇的原則，將前期拌和水泥-粉煤灰漿液注入采空區注漿孔，注漿管路及其連接部位均應承受最大注漿壓力的1.5 倍～2.0 倍。

4 煤礦采空區高速公路路基填筑效果

路基填筑進入尾聲時，借助物探彈性波測井方式檢測填筑效果。即隨機選擇已處置煤礦采空區范圍內2 個注漿孔之間設置檢查孔，取注漿后地基芯樣，取芯樣為注漿孔與帷幕孔的4%±1%，采空區取芯量應超出總孔數的30%，其他部位芯樣采取率超出總孔數的60%。進行無側限單軸抗壓測試，得出采空區處理后無側限單軸抗壓強度檢測結果見表3。

表3 煤礦采空區高速公路路基填充芯樣單軸抗壓強度（MPa）

由表3 可知，煤礦采空區高速公路路基填筑后芯樣單軸抗壓強度超出0.2 MPa，達到路基處理要求，表明高速公路路基填筑效果達標。

5 結論

綜上所述，地下煤炭資源大量開采形成的采空區廣泛分布，對高速公路路基填筑造成了較大的威脅。對于已發生伴生地裂縫、采空塌陷、地面沉降等問題的煤礦采空區，傳統路基填筑方法不再適用，技術人員可以選擇綜合注漿法進行處理。在表層處理后，將摻雜粉煤灰、水泥、粗骨料的漿液全部充填到采空區覆巖裂隙、塌陷、沉降位置，促使整個煤礦采空區所處地基恢復到接近以往應力狀態，為高速公路工程安全平穩運行提供保障。