钻孔压力注浆法处治公路采空区的效果探讨

魏义强

(1.山西省交通科学研究院;2.黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室)

0 引 言

山西是中国第一产煤、输煤大省及能源重化工基地，煤炭资源优势得天独厚，储量大、分布广、品种全、质量优、易开采，据测算，含煤地层面积共61 050 km2，占全省总面积的39.1%，在全省一级的118 个县、市、区行政单元中，就有94个分布着煤炭，占80%。产煤大省山西在保证国家煤炭需求的同时，因煤矿采空造成的公路灾害日益严重——路基大面积沉陷、桥隧变形下沉、开裂以及边坡坍塌、滑坡等。太原、大同、阳泉、长治、临汾、晋城等产煤区，受采空塌陷影响的公路日益增多。目前，在修建高速公路时，普遍对高速公路下伏采空区进行治理，并收到了较好的效果，采空区处治的方法有多种，主要有注浆法、干(浆)砌支撑法、开挖法、加固巷道法以及强夯法等，但应用最为广泛的是钻孔压力注浆法，其他方法由于限制条件较多，应用范围相对较窄，本文就目前普遍采用的钻孔压力注浆法处治煤矿采空区工艺谈几点看法。

1 钻孔压力注浆法的原理

钻孔压力注浆法是处治煤矿采空区最常用的方法，是指首先在地表钻孔，然后将一定比例的水泥浆或水泥粉煤灰浆液通过注浆泵、注浆管，经地表钻孔注入到采空区及其上覆岩体裂隙中，浆液经过固化、胶结岩层裂隙带，在采空区空洞内的浆液形成的结石体及其上覆岩层共同形成支撑作用，从而保证采空区上部路基桥隧的稳定。

钻孔压力注浆法应用范围比较广泛，多应用于处治埋深较深、范围较大的采空区、上部为桥隧等重要构造物，对变形比较敏感的情况以及矿层开采后发生了较严重的垮落、采空区充填程度较高、下部空间相对狭小的地段等等。采空区经压力充填处治后，地面以下原先存在的松散层、裂隙带、冒落带甚至尚未冒落的采空区空洞、孔隙均随着浆液的充分扩散、填充并结石胶结成一个整体，具有较稳定的整体力学性能，适宜修筑桥隧、路基等构造物。

2 钻孔压力注浆法处治的适用条件

(1)对于充分采动条件下近水平煤矿采空区处治效果较好

充分采动是指地下煤层采出后，地表下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大值，此后开采工作面的尺寸再继续扩大时，地表的影响范围相应扩大，但地表最大下沉值不在增加，地表移动盆地将出现平底。也就是说，充分采动条件下，煤矿采空区已经基本被上覆岩层垮落填满，此时的沉降主要受残余裂隙的影响。用钻孔压力注浆法注浆，浆液一般比较稀，流动性能优良，可以很好地在覆岩裂隙内流动固结。另外，在注浆压力作用下，浆液能够更充分地扩散到更远、更细小的裂隙内。浆液经过固化、胶结使破碎的覆岩胶结成相对较大的岩体，从而对上覆岩层产生支撑作用，保证路基的稳定性。

(2)煤层埋深较浅，采动较充分，采空区未充水或仅有少量充水条件下

浅埋深煤层较充分开采后，上覆岩体三带分布明显，地下煤层开采结束，经过一段时间后，地表沉陷逐渐减小，并趋于稳定。采空区内未充水或者少量充水条件下，用钻孔压力注浆进行采空治理时，根据已有设计方案，煤层埋深较浅时确定的治理范围比较小且能够满足加固覆岩及采空区的需要，浆液能够扩散至整个设计范围内，固结后可以很好地起到支撑作用保证路基的安全。减少路基变形使其在规范要求变形范围内。

(3)对地表变形要求较严格的地段处理效果较好

桥隧对地基变形要求较高，运用现有设计方案，进行全填充钻孔压力注浆，把整个桥隧下面的采空区及上覆岩体裂隙带用浆液填充起来，浆液固结后对桥隧能起到较好的支撑和保护。

3 压力注浆法存在的主要问题

(1)处治范围较大，费用相对较高。

目前，采空区治理长度是以采空区塌陷区沿路线延伸方向展布范围为准，即路线延伸方向空洞长度，治理宽度为路基范围加上两侧的围护带再以围护带边界为起点按岩层应力扩散角考虑所确定的宽度，即

式中:B 为治理宽度;A 为路面宽度;D 为围护带宽度;h 为松散层厚度;H 为基岩顶到采空区底板的垂直距离;φ 为松散层移动角;β 为基岩移动角。

从上式可以看出，随着采空区深度的增加，采空区治理范围增大很多，当采深较大时，采空治理范围会很大，注浆治理费用将会很高。而据研究当采深达到一定程度时，采煤活动对地表的影响会减小，这与现有的设计思路也相悖。

基于上式的设计，没有考虑煤层的开采方式，统一采用一个模式显得有点过于保守，造成很大的浪费，当煤层开采方式为长臂式，煤层较厚时基于以上公式进行设计是必要的。当煤层开采方式是房柱式开采方式，或者其他部分开采方式时，煤层开采后其影响移动角相对很小，仍采用上式设计难免造成很大的浪费。

(2)对于充水采空区或部分充水采空区处治效果有待商榷。

采空区充水时，首先会对注浆量有所影响，可能因为充水缘故使浆液注入有很大困难。另外，即使浆液在压力下能够注入，其结石率、扩散情况可能会和设计有很大差别，地下水体不会被带压浆液挤走，浆液注入充水采空区内固结后其上必有相当的水量，随着时间的推移这部分水会逐渐散失掉，从而在覆岩内，甚至采空区内留下空隙、空洞，最终会引起地表发生残余变形。所以充水采空区采用钻孔压力注浆的办法治理，其效果有待商榷。

(3)对于采厚较高，变形不明显，回采率较低的采空区治理效果差。

采厚较高，变形不明显，回采率较低的采空区，地下一定存在着大量的空洞，这种情况下，采用现有的钻孔压力注浆法处置此类采空区时，由于下面空洞很大，加上浆液具有很强的流动性，要想达到理想的效果实际很难做到，地下空洞较大浆液要填满空洞才能达到预期的效果，这在实际中仅仅靠浆液进行填充是很难做到的，加上浆液的流动性，会使好的浆液流走散失，所以此类采空区仅用现有的钻孔压力注浆法进行单一方法治理效果不是很好。

(4)煤层倾角较大的采空区治理效果差。

对于煤层倾角较大的采空区，煤层开采后，底板倾角较大。采用钻孔压力注浆的方法进行注浆时，由于帷幕孔的围堵情况具体不明在重力作用下，浆液会向一个方向流动，若地下采空区空洞较多，则浆液向下方流动的量和速度会更大，这时在欲治理区域内，浆液滞留固结的量会很少，从而达不到较好的治理效果。

(5)浆液扩散范围实际难以控制，实际填充情况与设计思路难以对应。

由于采空区属隐蔽工程，虽然采空区探测技术已经有很大的进步，但煤层开采后地下情况难以从地表清楚得知，加上地下水体以及采空区空洞等的影响，很难控制浆液的扩散，致使浆液最终扩散的范围和设计的初衷有出入。

4 结语及建议

(1)公路下伏采空区的治理方法较单一，以钻孔压力注浆全充填法为主，往往根据经验进行设计和布置注浆工作，盲目性很大，有时造成较大的浪费，也带有一定的风险度。所以现有的设计思路有待进一步改进与完善。

(2)采空区治理范围的问题，据研究采空区地表沉降问题的影响因素有多种，其中开采方式对其影响最为严重，煤层开采后，覆岩的破坏按照破坏角向地表延伸，在破坏角之外的部分为张拉裂隙带，其破坏程度和煤层开采方式覆岩坚硬程度有直接关系。当采煤方式为房柱式开采时，只采煤房煤柱用于支撑覆岩，这种情况下，采煤对覆岩的破坏不会向外扩展，仅仅影响到被采煤层上方的覆岩。在采空治理过程中只需要治理线路内有采空的部分，没有采空的部分可以采用减少注浆孔的方式次重点治理。

(3)采空区治理注浆材料的问题，目前公路采空区治理注浆材料以水泥粉煤灰为主，也有水泥粘土或者水泥黄土浆材。在以后的采空治理过程中，应探索新材料以降低成本同时达到较好的治理效果。

(4)关于倾斜采空区治理问题，当煤层倾斜程度较大时，采用钻孔压力注浆法治理时应考虑浆液的流动方向的一致性，考虑帷幕围堵的效果，可以在注浆次序和注浆位置上进行优化，首先进行倾斜下方的帷幕注浆，然后从上边开始注浆，使浆液尽量留在治理区域内，减少浆液的流失从而达到较好的治理效果。

(5)目前注浆治理中，治理浆液过稀凝固速度慢。所以浆液注入采空区和覆岩裂隙内后，需要很长时间固结，这段时间内浆液可能会流失很多，达不到设计预想的治理效果。公路下伏采空区治理是一项系统工程，其包括采空探测、稳定性评价、治理技术和质量监控。前期探测十分重要，探明采空情况，我们有针对性地采取相应的治理措施才会达到较好的效果。在采空区内应注入高粘稠浆液，膏体物质或者骨料，在覆岩裂隙内应用现有技术进行注浆加固。

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