京福高速公路复杂煤矿采空区治理技术试验.doc

京福高速公路复杂煤矿采空区治理技术试验 摘要：通过分析京福高速公路徐州绕城西段采空区的工程地质特征及开采特征，针对采空区在各路段的不同影响，分别进行不同治理方案的工程试验研究，以期为今后类似工程提供经济上合理、技术可行的治理技术关键词：高速公路；复杂煤矿采空区；治理技术试验京福高速公路徐州绕城西段起点位于徐州东北的京福国道主干线徐州绕城公路东段王可乐附近，经徐州西北梁庄、拾屯，终止于徐州西南连霍线上的罗岗收费站全长51.087 km线路区是徐州矿务局、江苏天能集团公司的主采区，大煤矿多，采空面积大，既有老采区，也有新采区，且大多系多层重复采动，加上几十年采煤中大量排水，在采空区地表已形成了大面积塌陷区并在部分地段形成积水由于采空区覆岩厚度大，塌陷后碎胀的岩石压实需要一个较长的过程，加上新采区的继续采动（包括一些小煤矿开采大矿剩余的煤柱），使采空区的沉陷将在一个较长时期内仍会继续进行，对高速公路的危害极大因此，对西段采空区必须进行治理1 工程概况路线所涉及到的煤矿均处在徐州煤田西部矿区，主要涉及柳新矿、大刘矿及新河矿采空区为多层开采，主要开采2#、7#、9# 煤层，其次开采1#、8#、10# 煤层，局部开采3#、20#、21# 煤，其中：1#、2# 、3# 煤层产于下石盒子组；7#、8#、9#、10# 煤层产于山西组；20#、21# 煤产于太原组。

各煤层的顶板岩性分别为：1# 煤层顶板为砂岩（局部有1～2 m 的泥岩伪顶）；2# 煤层顶板为砂岩或粉砂岩、泥岩；3# 煤层顶板为砂岩、泥岩；7# 煤层顶板为中粗砂岩或砂泥岩；8# 煤层顶板为泥岩；9# 煤层顶板为中粒砂岩；20#、21# 煤层顶板皆为灰岩这些煤矿开采方式大多为走向长壁式，只在局部地段采用条带式，煤层采取率多在80％左右各煤层平均厚度0.43～2.49 m，采空区埋深70～570 m这些煤矿采空区大部分已冒落塌陷，自下而上形成了冒落带、裂隙带和整体弯曲带，导致采空区上部地表发生变形、产生裂隙及地面塌陷，破坏地面建筑物本路线涉及的采空区与已往高速公路建设中遇到的采空区相比，具有以下特征：1）拟建公路下方的煤层多为急倾斜煤层；2）煤层重复采动，属多层采空区；3）采空区埋深大，采空区埋深在125～620m 之间；4）采空区内发育有多条小断层，虽然，这类断层无活动性，但如附近有开采活动、或注浆施工时可能引起局部的塌陷或错动；5）采空区地面沉陷已形成多处水塘，对这些水塘需进行经济、合理的地基处理，使路基不会产生大的沉降，确保公路工程的安全2 各采空区的稳定性分区2.1 采空区稳定性的评价标准与原则参照《公路下（上）采空区勘察设计规范》（报批稿），公路工程的采空区地表容许变形值规定：①高速公路路基:倾斜T≤±3 mm／m，竖曲率K≤±0.2 1／m，水平变形ε≤±2 mm／m；②公路桥涵，对于简支梁桥，桥位预计采空区地表下沉量与墩台完工后基础计算下沉量(基础最终下沉量与墩台施工期间下沉量之差)之和不得大于容许量，墩台均匀沉降量为20 L (mm)，相邻墩台均匀沉降量之差为10 L (mm)。

其中：L 为相邻桥跨中较短跨的跨度(m)，当L＜25 m 时，按25 m 计算对于外静不定桥梁结构，其相邻墩台均匀沉降量之差的容许值应根据沉降对结构产生的附加应力的影响而定2.2 采空区稳定性评价的原则本着宏观分析与稳定性验算相结合的原则，依据《矿山开采沉陷学》基本理论和计算公式，结合煤层倾斜程度、采矿厚度、采矿方式、采取率、采矿时间及钻孔掉钻情况等，通过估算采空区的最大剩余变形量进行评价采空区的剩余变形参数按下列各式估算最大沉降量：Wmax=ηm ；最大剩余沉降量：W=αWmax ；最大剩余倾斜量：T=W/r ；最大剩余竖曲率：K=±1.52W/r2 ；最大剩余水平位移：U=bW ；最大剩余水平变形：ε=±1.52U/r 式中：η 为下沉系数，与矿层倾角、开采方法和顶板管理方式有关，单层开采时全部垮落法一般为0.6～0.8；多层重复开采时最大可达0.95；m 为采厚；r 为地表主要影响半径，与埋深（H）呈正比，与煤层影响角（β）的正切值成正比，即 r=H/tgβ；b 为水平移动系数，取值范围0.25～0.35；α为综合剩余沉降系数，根据地面调查、采矿调查、钻探结果等因素综合确定根据各采空区的稳定性分析计算结果，把不能满足桥和路基对变形需要的采空区划分为不稳定区，而把能满足桥和路基对变形需要的采空区及影响段划分为基本稳定区（见表1）。

3 采空区治理方法3.1 拟定方案由于本地区地质情况复杂，拟定了多种方案并分析其适用条件，主要有桥或板跨采空区方案、支撑法治理方案、注浆治理方案[1~4]、路基抗变形方案及修建后维修的方案1)桥或板跨采空区方案是将桩基放在采空区下部的稳定地层之上，采用桥式或板的方式通过采空区地区，该方案主要是桩基深度大、施工困难、工程费用高2）支撑法治理方案是在采空区形成类似桥基的墩台，支撑采空区不再继续沉降塌陷该方案已在109国道大同采空区治理工程取得成功，但该方法要求采空区必须具有一个极坚硬的顶板，类似的工程地质条件仅分布在山西大同地区，其他地区尚不具备这种条件3）注浆法治理方案是在地面上打孔，通过注浆孔将水泥粉煤灰浆注入采空区，其结石体不仅充填到采空区及上覆岩层的裂隙中，同时阻止上覆岩层进一步的塌陷冒落4）路基抗变形方案是在地表变形较小的采空区路段，当路堤通过时，可在路基底层加铺土工织物，以提高路基整体的抗变形能力，保证公路的安全5）公路修建后维修方案是指在采空区路段可考虑先修建高速公路，然后在运营期间对该路段进行维修该方案一般适用于采空区治理工程投资占公路工程投资比例较大或一、二级公路的情况3.2 方案比较与推荐1）不稳定区。

采用桥跨或板跨方案，桩基应放在采空区底板上，采空区不稳定区范围影响路线长度为621 m，最大深度为75～512 m，就国内现有的技术、施工力量，无法完成如此深的桩基施工，不能作为采空区不稳定区的治理方案路基抗变形方案对于采空区地表变形较大的路段，不能从根本上消除地表的变形量，只适用于地表变形较小的采空区路段建成后维修方案的优点是技术上可行、经济上合理，缺点是维修工作困难、公路运营效益较差注浆法方案工程量较大，工程费用较低，但建成后不需要维修，能保证公路运营的连续性，虽然该方案在深层、富水、多层采空区条件下公路系统尚无工程实例，存在许多技术难点，但在煤炭、冶金、水利系统都有相类似的工程实例，在技术上是可行的结合以往的采空区治理工程经验及上述各方案的比较，推荐注浆法为该线路不稳定区的治理方案2）基本稳定区采空区基本稳定范围影响路线长度为871 m，由于该路段地表变形较小，基本满足公路工程的要求若采用注浆方案，工程费用较大，经济效益较差公路建成后，一般不会存在进行大面积的开采活动或地下水的抽取活动，因而不会对公路产生较大影响，采用路基抗变形方案工程费用较低，技术上可行、经济上合理结合公路系统以往的采空区治理工程经验及上述各方案的比较，可采用路基抗变形方案。

4 采空区治理技术工程试验研究4.1 路基抗变形方案对于基本稳定采空区，在路基底层处铺设一层土工格室土工格室材料主要技术要求为：片材的拉伸屈服强度≥23 MPa；片材的高度≥10 cm；焊距40 cm，高度不小于10 cm；焊缝处抗拉强度≥100 N/cm；格室组间联接处断裂抗拉强度≥100 N/cm4.2 注浆方案为保证采空区注浆施工的顺利实施，遵循先导施工的原则，从该采空区特征和便于试验工程实施两方面考虑，试验治理工程宜选择柳新(南线) K16+690－K16+800 段、大刘主线K34+000－K34+075 段和新河采空区的K40+460－K40+570 段各采空区试验治理工程设计主要如下：5.2.1 柳新(南线) K16+690－K16+800 段 在轴向上长度为110 m，横向上宽度为140 m，以采空区开采深度作为治理深度柳新(南线) K16+690－K16+800 段采空区试验段剩余空洞体积约11 939 m3考虑到灌浆过程中浆液向采空区下伏地层和断层及附近岩层裂隙的渗透损失、空洞因冒落坍塌形成的部分堆积的空隙而渗入的浆液损失，以及试验过程中因注浆工艺与注浆参数的调整而造成注浆浆液的损失，在采空区剩余空洞体积的基础上，考虑50%损失系数。

水泥粉煤灰浆液的结石率为80%，浆液对采空区及上覆岩层中裂隙、裂缝的充填率为70%，则估算出最终注浆体积大刘采空区试验段影响路线长度75 m，注浆体积约 1 1939×70%÷80%×1.5=17 909 m3注浆孔：注浆孔沿公路轴线安排布设，排距拟定为20 m，沿公路横向上每排孔距拟为20~30 m，横向上最边缘为一排边缘注浆孔，孔距约20 m在试验过程中，应根据试验结果对排距和孔距做适当的调整注浆孔设计的深度为地面至采空区冒落带，注浆孔的灌注长度为采空区最上部岩层至采空区底板，孔口管长度为地面以下25 m 处的深度，注浆孔的平面位置为近三角形检查孔：检查孔数量为 2 个，检查孔长度为原地面至采空区底板的深度5.2.2 新河采空区K40+460－K40+570 段在轴向上长度为110 m，橫向上宽度为220 m，以采空区开采深度作为治理深度新河采空区试验段剩余空洞体积约为 21 764 m3，按上述设计原则，考虑30%损失系数水泥粉煤灰浆液的结石率为80%，浆液对采空区及上覆岩层中的裂隙、裂缝的充填率为70%，则估算出最终注浆体积新河采空区试验段影响路线长度110 m，注浆体积约为21 764×70%÷80%×1.3=24 757 m3。

注浆孔：注浆孔沿公路轴线安排布设，排距拟定为20 m；沿公路横向上在路基范围内以中轴线为中心向两侧布置2～3 排孔，孔距拟为20 m；路基外侧至治理边界，依据地质、采矿等工程地质条件，孔距拟为30～40 m，横向上两侧最边缘为一排边缘注浆孔，孔距约20 m在试验过程中，应根据试验结果，对排距和孔距做适当的调整注浆孔设计的深度为地面至采空区冒落带，注浆孔的灌注长度为采空区最上部岩层至采空区底板，孔口管长度为地面以下25 m 处的深度注浆孔的平面位置为近三角形检查孔：检查孔数量为 2 个，检查孔长度为原地面至采空区底板的深度5 采空区治理试验工程施工路基抗变形方案目前已开始施工，煤矿采空区注浆试验工程已基本完成，在注浆试验工程中初步结论如下1）煤矿采空区充填孔布设的方法如下：①注浆孔首先应布置在距离工作面边缘内20 m 范围以内，以充填采空区边缘的空洞和欠压密区；②对于急倾斜煤层上山方向，应在采空区边缘设计注浆孔，以充填采空区上边缘区的空洞；③对于断层发育区域应布置注浆孔，以加强该部分破裂岩体；④对采空区内部，宜将注浆孔沿倾斜方向布设，注浆孔走向方向间距、充填带宽度和不注浆带宽度按相应公式计算。

2）应根据帷幕孔与注浆孔的性质和孔内空洞、裂隙发育情况确定不同的浆液配比注浆浆液水灰比控制在0.8~1.2 之间注浆施工过程中，应先注入少量稀浆（30%的设计量，水灰比2~1），后注入稠浆（70%的设计量，水灰比0.8~0.9)3）注浆钻孔施工顺序为：先施工路线两侧帷幕孔，再施工中间的注浆孔，注浆孔中先施工巷道两侧的注浆孔，注浆孔分二序间隔进行施工对于倾斜-急倾斜煤层采空区注浆治理工程，其顺序为：进行地下水流向的下游排孔的注浆－在该区域路基范围以外的影响区进行注浆－在路基范围内上游进行注浆－在该区域路基范围以外的影响区进行注浆4）试验表明，空巷、采空区和煤柱情况下注浆浆液具有不同的扩散特征对于新河矿，空巷及附近钻孔内的浆液扩散距离可达10～30 m，采空区注浆浆液的扩散。