高速公路下伏采空区工程注浆治理研究

2015-12-19鲍生才

西部探矿工程 2015年3期

关键词：采空区注浆有限元

鲍生才

（华北地质勘查局五一四地质大队，河北承德067000）

·隧道与建设工程·

高速公路下伏采空区工程注浆治理研究

鲍生才*

（华北地质勘查局五一四地质大队，河北承德067000）

由于高速公路建设的不断增多，新建高速公路穿越矿区采空区是不可避免的，采空区对公路建设的不良地质问题引起了各方的重视。为保障经过老采空区上方高速公路的安全和正常使用，减少地表的移动和变形带来的经济损失，地下采空区的治理和处理方法就显得非常重要。以某高速公路下伏采空区工程为背景，基于物探手段探明采空区分布范围及高度，通过有限元软件对采空区注浆处置进行模拟分析，对采空区的治理提出了一些自己的看法。

采空区；注浆；高速公路；治理

1 工程地质条件及开采概况

该煤矿布置有一对主副斜井在5#煤层露头附近向西北沿煤层的倾斜方向开采。开采区域地表标高为59～67m，地下开采5#煤层厚度变化在1.0～12.0m之间，大部分区域为2～7m。煤层向西北倾斜，倾角为24°，局部倾角变化在20°～27°之间。5#煤层以下的其余二层煤分别为十层、十二层、十四层煤，均未开采（详见图1）。

图1 钻孔布置图

2 岩层及岩性分析

通过对钻孔各岩层土样进行试验得出的参数见表1。

表1 计算参数表

3 地球物探技术（图2）

图2 16#孔波速—孔深曲线

探测结论：

（1）高速公路中轴线南北两侧50m范围内，探测区的K3+580～K3+830区段，深度75～90m区间采空区广泛分布。

（2）各采空变形区地球物理异常特征明显。

（3）由于采空区处于充填和半充填状态，其自身的异常特征并不明显。根据采空区和垮落带的相对尺度对应关系，可推断采空区的空间高度在3～8m之间。

4 采空区治理范围

根据物探结果，取治理长度范围为K3+510～K4+ 000。公路地基地面宽度50m，路基保护带一侧宽度10m，松散层厚度15m，采空区上覆基岩厚度65m，松散层移动角40°，走向方向采空区上覆基岩移动角57°，治理宽度根据公式(1)计算得出治理宽度190.1m，综合考虑后，取210m。钻孔布置成梅花形，间排距15m×20m，平均孔深80m，钻入采空区底板以下3m。

式中：L——垂直于公路中线的水平宽度，m；

D——公路地基的地面宽度，m；

B——公路路基保护带一侧的宽度(一般为10m)；

h——松散层厚度，m；

H——采空区上覆基岩厚度，m；

φ——松散层移动角，(∘)；

δ——走向方向采空区上覆基岩移动角。

注浆总量计算公式为：

式中：Q总——采空区总注浆量，m3；

A——注浆总量浆液损耗系数，取值在1.0～1.5之间，这里取1.3；

S——为采空区治理面积，m2，这里取19000m2；

m——采空区煤层厚度，m，这里取4m；

K——煤层回采率，这里取0.8，可以根据现场资料更换；

ΔV——采空区残余空隙率，这里估计取0.5，可根据现场资料更换；

η——注浆充填系数，取值在0.75～0.95之间，这里取0.75；

C——浆液结石率，取值在0.7～0.95之间，一般经验确定，这里取0.8。

整个系统分为服务器端、PC端、移动端APP三个部分，考虑到系统最终会被多个单位、部门使用，为了做大限度降低用户访问门槛，PC端系统采用B/S架构，PC端前台负责与用户交互，展现成果，后台负责数据交互。另外，开发手机端APP，实现贫困专题信息采集，如贫困户位置、照片采集等，同时在APP上还展现部分重要成果，比如贫困户信息查询、地图查看等。

计算得Q总=108927m3。采空区直接注浆示意图见图3。

5 注浆控制方法

5.1 注浆量控制标准

对于采空区注浆来说，要求在治理区域边缘形成相对有效的帷幕体，工程中可以采用分序逐渐加密的原则进行注浆。当单孔吸浆量较大时，可采用间歇式注浆方式或孔口投砂。如果注浆孔布置合理，那么后序孔耗浆量应较前序孔适当递减。采空区注浆终孔可通过注浆量来控制，在某压力下，基岩吸浆率在5～20L/min，采空区吸浆率在20～50L/min，稳定时间在15min以上结束该段注浆。

图3 采空区直接注浆示意图

5.2 注浆压力控制标准

采空区注浆，由于存在残留空洞及大裂隙、离层，开始时不需要压力（p=0）也能注入大量浆液，但在后序注浆时，需要有一个压力控制标准，以在该稳定压力下，注浆率不大于某一个限值，达到限定的时间作为终止注浆的标准。根据经验，采空区注浆，在孔口注浆压力为0.5～2MPa，当基岩吸浆率在5～20L/min，采空区吸浆率20～50L/min，稳定时间在15min以上或周围有冒浆现象时可以结束注浆。对于分段注浆孔，各段注浆压力与裂隙、孔洞发育程度、充填程度及充水情况有关，由于采空区的塌落裂隙，上段注浆压力不能太大，以1MPa以内为宜；下段注浆（尤其深层注浆）压力可以适当升高，可达到2.0MPa以上。

由于地质条件复杂，现场施工时，往往采用注浆率与注浆压力相结合的控制方法。对于边缘注浆孔，经常出现某钻孔注浆时间较长、耗浆量很大、注浆压力不上升等现象，此时就应该采用定量控制的方法，间歇注浆，直至起压满足压力结束标准为止。对于中间注浆孔，为达到设计充填程度，一般采取定压控制方法。

5.3 注浆排水

为减小地下水在施工时可能造成的危害，采取如下措施：

（2）利用地下水作为施工用水，边排水边施工注浆，抽注结合；注浆时，注浆管下伸至距采空区顶板一定高度处（一般3～5m）左右。

（3）施工时应对注浆压力值进行严格控制，为避免上覆岩层结构的破坏，采用间歇式注浆法，多次注浆和少量注浆相结合。

（4）地下水阻力对边缘孔注浆流失起到一定阻挡作用，要先施工边缘孔，再中间孔，施工时抽排结合。

（5）在施工过程中要对注浆压力的变化情况进行严格地监测，当发现压力值突变或发现地表出现裂隙、隆起现象时，应立即停止注浆。

6 注浆后采空区残余变形预测

6.1 有限元软件模拟预测

建立三维模型进行注浆模拟，注浆充填材料为水泥粉煤灰浆，充填体有限元参数取值为：弹性模量E= 15MPa，泊松比为μ=0.25，内摩擦角φ=34.6°，粘聚力C=100kPa，饱和密度D=1700kg/m3。高速公路中心线移动曲线见图4，高速公路中心线变形曲线见图5。

图4 高速公路中心线移动曲线

图5 高速公路中心线变形曲线

由对比知注浆后残余变形量减沉76.7%，但注浆参数为根据相关文献选取，减沉效果只能做可行性分析，要想预测更加准确必须经过现场注浆试验提取材料力学参数。注浆前后三维模拟采空区地表残余最大变形值预测见表2。

6.2 经验公式预测

首先引入注浆减沉率的概念，所谓注浆减沉率，是指在某一具体地质开采条件下，注浆减少的地表最大下沉量与不注浆时地表最大下沉量之比。

表2 注浆前后三维模拟采空区地表残余最大变形值预测表

根据高廷法[1]教授提出的减沉公式为：

式中：r——减沉率；

Φ——减沉体积系数，中硬岩层一般取1.2～1.4，这里取1.3；

K塌陷——塌陷体积系数，应充分采动时，取0.7～0.8，这里取0.75；

Kv——注采比。

注采比是离层内压实湿灰体体积与对应井下采出空间体积之比，由于涉及到注浆试验和井下采出空间的体积，这些均无可靠依据和具体数值，所以为借鉴其它实际相关工程和估算值。本工程分析为老采空区沉陷，所以井下采出空间体积换为现有空洞体积。当浆液在注浆密度1.12t/m3，注浆压力在1～3MPa时分别预测控制爆破与充填注浆和离层充填注浆后的沉陷变形。注入干灰=注浆量×0.3，压实湿灰体=注入干灰× 0.695，以上所取系数均取自相关工程开滦集团公司已完成的唐山矿3696综放面、3694综放面的注浆减沉工程的经验。计算得出如下结果：注浆量108927m3，空洞体积64800m3，注入干灰40847.6m3，压实湿灰体28389.1m3，Kv=0.438，计算得r=76%。

由开滦集团公司已完成的唐山矿3696综放面、3694综放面的注浆减沉工程的经验来看，该预测方法是相当较保守的。

综合经验公式与有限元软件模拟结果，取二者平均值，即减沉76.4%。运用前述分析结果得出的最大残余沉陷为344mm，则注浆后还有344×(1-76.4%)= 81.2（mm）的残余变形，与三维数值模拟结果接近。