高速公路采空区治理工程设计、施工与监控

吴小兵

（山西路杰公路工程技术咨询有限公司，山西 太原 030012）

1 工程概况

太原—佳县高速公路东段第二十二合同段煤矿采空区治理工程位于山西省娄烦县游镇赤七华村，起止里程EK88+680～EK88+920，治理长度240 m。地貌单元属黄七梁峁及山间河谷区，地层主要由第四系黄七及卵石，基岩为二叠系的泥岩、砂岩及石炭系的煤系地层。该区是已停采的采空区，煤层的大面积采空区受星罗密布的巷道影响，导致建筑裂缝、地面塌陷，这种情况严重威胁到区内村民生命财产的安全，业主要求采取有效措施来解决此问题。

2 治理工程的设计

2.1 治理方案的选择

参考山西大运、长晋、祁临等高速公路煤矿采空区治理工程的成功经验，经综合比较，本治理工程采用了全充填压力注浆的治理方案。该方案的特点是施工简便、安全度高。其具体方案是在地表上打孔，通过注浆泵、注浆管将水泥粉煤灰浆注入到采空区巷道及覆岩体裂缝中，浆液经过固化，胶结岩层裂缝带，同时采空区的浆液形成的结石体对覆岩层形成支撑作用，保证地基稳定。

2.2 采空区治理范围的确定原则

采空区治理范围包括采空区治理长度和采空区治理宽度。

2.3 注浆孔的设计

采空区注浆孔的设计深度为开孔层采空区（或煤层）底板以下3 m处，注浆孔的注浆长度为最上部完整基岩下6 m至注浆孔底板的深度，注浆管的长度为地面上1 m至完整基岩6 m处。

（1）帷幕孔布设。为了防止在压力注浆过程中浆液的四处漫延，为此设计了帷幕孔。

（2）注浆孔布设。注浆孔在帷幕孔中按3.5 m左右间距布设12排孔，孔距3～4 m，在采空区或采掘巷道密集、地面变形严重段按低值布设，采掘巷道稀疏。

2.4 浆液配合比设计

根据以往煤矿采空区治理工程的成功经验，确定注浆液为水泥粉煤灰浆，其水固比1：1.0～1：1.5，水泥含量占固相的15%，粉煤灰占固相的85%，帷幕孔中加水泥质量2%的速凝剂，帷幕孔根据具体情况采取较稠的浆液或在浆液中掺加水泥质量的2%速凝剂，使注入采空区的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。

3 施工方案

本工程项目包括建立注浆站、注浆孔钻探成孔、浇筑孔口管、注浆、质量检查等。

3.1 钻探设备

钻探施工先后投入GJ-2003型钻机14台，GT-1503型钻机6台，完成完整钻孔382个，其中帷幕孔29个，取芯钻孔76个，设计总进尺34 380 m，设计注浆量22 497 m3。

3.2 注浆施工设备

注浆施工投入BW250型注浆泵4台，90 kN发电机组2套，QY15-26潜水泵5台，泥浆搅拌机6台，管道运输，封孔装置等。

3.3 建立注浆站

根据施工组织设计工期计划安排，本工程施工区域以及工程数量，在施工区域内修建注浆站2个，注浆站包括：蓄水池1个、每个搅拌站设置一级搅拌池2个，二级搅拌池1个、共6个搅拌池，电源总控制柜2个、水泥库栅、粉煤灰库栅和其他配套设施。

4 主要设计工艺及技术要求

（1）工艺流程：

测量定点→成孔及下套管→下注浆管、观察注浆情况，抽样试验。

浇筑孔口管→间歇式注浆→停止注浆备料，拌制浆液。

（2）孔位误差小于1.0 m，特殊情况可在5.0 m范围内调整。

（3）注浆孔开孔直径为φ130mm钻头开钻，钻至完整基岩5m后，放入φ130 mm套管护壁，变径为φ91 mm钻至采空区塌落带或煤层底板以下0.5 m终孔。

（4）做好钻探原始记录和岩心编录工作，在钻孔施工过程中，如发现漏水、掉钻、埋钻等现象要详细记录其深度、层位和耗水量。

（5）注浆材料及质量要求。①注浆材料是由水、水泥、粉煤灰、速凝剂、砂和碎石组成。②施工拌制用水采用当地深井水，为生活饮用水，其质量符合《砼搅拌水标准》，施工时用定量器计量。③水泥采用32.5级矿渣硅酸盐水泥，其质量应符合国标（GB175—2007）的规定。④粉煤灰质量符合《用于水泥和砼中的粉煤灰》（GB1596—91）国家级标准。⑤速凝剂可采用水玻璃等。⑥砂和碎石参照有关标准。

（6）注浆系统。构成：料场，以及搅拌池（机）、二级搅拌池（机）、注浆泵、管道运输、封孔装置等。

（7）配置要求。①料场：堆放材料的料场地要平整，运料车辆正常通行，使材料便于运输、搬运，要求设有防潮层、防雨措施。②搅拌池：能满足正常施工要求，池的形状为圆柱体，中间装置搅拌机，使得搅拌后的浆液均匀。③搅拌机：要求能满足正常施工要求，搅拌后浆液均匀。④水池：要根据施工注浆总量要求，建立多个水池。⑤注浆泵：注浆泵压力应大于注浆最大设计压力的1.5倍。⑥压力表：注浆用压力表最大指数小于10 MPa。⑦封孔装置：封后孔口管采用直径150 mm钢管，在管子前端焊接一圆形法兰托盘（托盘直径120～130 mm之间），下入孔内变径处。用泥浆泵注入水灰比1：1.4～1：1.0的纯水泥浆。⑧注浆管：采用直径50 mm钢管，丝扣联结。⑨投砂漏斗：附有筛网和球形阀，对于空区要较大部位投入适量的砂或石屑。⑩浆液搅拌时间不小于5 min，将搅拌好的浆液用注浆泵送入孔内进行注浆。輥輯訛先施工帷幕孔，再施工注浆孔，注浆钻孔分序，间隔进行施工。由采空区底板较低孔向较高孔施工。輥輰訛注浆时采用注浆浓度先稀后稠的方法，注浆开始前应用清水冲洗钻孔，冲洗时间应不小于10 min。輥輱訛注浆及间歇注浆前必须用清水洗孔，时间不小于10 min。輥輲訛对于窜浆的钻孔，可采用双泵双孔注浆。輥輳訛稀浆注浆注量宜为取单孔注浆量的30%。輥輴訛当注浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当空口注浆压力在1～1.5 MPa，泵量小于70 L。輥輵訛当帷幕孔注浆量较大时，选用砂浆泵送浆液或孔口加一漏斗状的投砂器，用浆液将砂或矿渣带入孔内，投砂时为防止堵孔，应避免在短时间内投入大量的砂，当投砂器溢浆时，停止投砂封堵投砂器口，继续注浆直至起压达到设计要求。

5 终孔标准

从试验孔上段、下段注浆过程来看，注浆孔口压力达到0.4MPa，地面出现冒浆。由于采空区的埸落裂隙，上段注浆压力不能太大，以0.6 MPa为宜，下段注浆压力可以适当升高至1.0 MPa以上。

6 注浆过程的监控

注浆施工属于隐蔽工程，因此，质量控制主要靠施工过程的监控，在注浆过程中采用传统的控制方式，即流量控制法和压力控制法等。对注浆过程的施工质量以及有关施工记录的技术资料加以整理分析，初步判断注浆质量。对注浆过程的注浆压力、浆液浓度、吸浆量等变化情况进行分析，判断注浆工作是否正常。

6.1 注浆工程质量检测方法

（1）钻孔取芯和孔内测试：在注浆区进行钻探，检测注浆段的充填、加固效果。注浆前，在注浆过程中和注浆试验孔需检查孔内的重力测井和放射性测井，测试了地层的各种物性和电性参数，采用跨孔法进行了弹性波速测试。

（2）高密度电阻率勘探：检测注浆前后地层电阻率变化，分析注浆层位和范围。地面分别在注浆前、边缘孔注浆完成后、注浆完成后7 d，注浆完成后28 d、注浆完成3个月时进行了5次高密度电法勘探测试。

（3）地表岩移观测，在治理路段设置了沉降观测点，对治理段的变形进行监测。主要检测注浆后地表沉陷的变化，从而分析注浆效果。

6.2 检测结果

注浆工程结束后，在注浆加固范围内共布置了76个检查孔。通过取样观察，每个检查孔均未出现注浆之前的掉钻漏浆现象。在灰岩段的岩溶裂缝中和采空区裂带段见到了柱状水泥、粉煤灰块和水泥粉煤灰结石，表明浆液充填地层良好。

7 结束语

煤矿采空区治理工程是一项比较复杂的隐蔽工程，其工程质量直接影响到整个高速公路的质量。所以，采空区治理要以设计及规范为依据，不仅抓好施工工艺，还要把施工过程中的监控及检测方法当做重点来保证工程质量。