南水北调中线工程穿越采空区技术应用研究

□冯 娜 孙大为

（河南省水利勘测设计研究有限公司）

南水北调中线工程穿越采空区技术应用研究

□冯 娜 孙大为

（河南省水利勘测设计研究有限公司）

采空区是地下矿藏被开采出后留下的地下空洞区，从采空区顶板岩层向上形成垮落带、裂隙带和弯曲带“三带”破坏形式。南水北调中线工程禹州长葛段穿越禹州4处煤矿采空区，该段工程采用灌浆地基处理，对灌浆材料、灌浆方式、验收标准进行了研究，结合结构设计优化，全过程安全监测等综合措施，确保工程安全稳定运行，对类似采空区处理和采空区水利工程建设具有一定的参考价值。

南水北调；采空区；灌浆；优化设计

1 工程概况

南水北调中线一期工程总干渠禹州长葛段穿越4处禹州煤矿采空区，累计长度3.11 km，总的采空区面积达212万m2，设计流量314 m3/s。穿越采空区渠道分为全挖方、半挖半填和全填方三类断面形式，渠底宽为24.50～19.50 m，渠道一、二级边坡坡比分别为1∶2 和1∶1.50，外坡坡比1:2，渠道纵比降1/26 000。

沿线所分布的采空区既有20世纪60年代、90年代开采的老采空区，也有5年内新近开采的采空区，所采的煤层有六2、六4煤，每层采深平均约1m，采空区地下埋深从90～290m不等。必须对穿越采空区渠段从基础处理、结构设计、安全监测等进行全面优化处理，确保南水北调总干渠输水及沿线群众的生命财产安全。

2 渠道采空区灌浆处理

2.1 采空区处理原理

埋藏于地下的煤层被开采后，上覆岩层原有的应力平衡状态被破坏，即产生冒落、断裂和弯曲等一系列变形与破坏，影响到地表出现下沉、裂缝、倾斜、水平位移等地表塌陷变形现象，随着采空区面积的扩大，地表发展成凹陷盆地（洼地），即形成地表移动盆地。

禹州煤矿采空区覆岩为软质岩夹硬质岩层，走向近东西，倾向南，倾角12～19°采空区上方岩体的变形，总的过程是自下而上逐渐发展的漏斗状沉落，“三带型”是其开采水平缓倾煤层最普遍的覆岩破坏形式。

由于禹州矿区段主要受已形成采空区的影响，煤层顶板覆岩已经破坏，地面沉陷盆地已经或正在形成，井下工作面巷道受到破坏，采场上部覆岩已经垮落，冒落带业已形成，无法采用井下充填法对采空区进行充填，只能采用地面充填处理措施。结合禹州矿区的实际情况，本次设计采用注浆法对采空区进行加固处理，向采空区的垮落带和裂隙带里注入具有充填、胶结性能的浆液材料，以便硬化后增加其强度和降低渗透性，改善岩土层的物理力学性质，达到加固地基的目的。

2.2 采空区注浆处理

2.2.1 注浆孔的布置、注浆顺序

采空区注浆处理采用充填灌浆和帷幕灌浆相结合的方法进行。注浆顺序为首先对下山及边界实施帷幕灌浆，以减少和阻止注入浆液的流失和浪费，然后对渠道影响范围内的采空区进行充填灌浆。

帷幕灌浆孔采用单排孔，间距2 m。充填灌浆注浆孔采用梅花状布孔均匀布设，根据禹州采空区的情况，设计采用排距18 m，孔距18 m，在施工时根据灌浆试验的注浆效果，调整布孔间距。孔深钻至采空区冒落带煤层底板下1.50 m处。

2.2.2 灌浆材料和灌浆工艺

根据多种材料和配比实验研究，最终确定灌浆材料采用PO42.50级普通硅酸盐水泥和粉煤灰按水∶固＝1∶1，其中水泥∶粉煤灰＝0.15∶0.85，密度为1.32～1.34，结石率86%，无侧限抗压强度0.20～0.30 MPa，每立方米浆液中水、水泥粉煤灰的干料用量分别为667，100和567 kg。后期根据灌浆效果对浆液配比进一步优化，水固比由1∶1调整为0.80∶1。

灌浆压力采用1.00～1.50 MPa，可满足采空区处理要求。当孔口压力在1.00～1.50 MPa，泵量＜10 l/min，稳定10 min，结束该孔注浆。

2.2.3 灌浆处理效果检测

为检测灌浆效果，灌浆完成后应打检查孔取样试验，同时采用地质CT，检查孔注浆检测灌浆效果。对基岩段进行取芯，取芯结石体的抗压强度≥1 Mpa，且各检查孔的岩芯采取率与附近取芯孔的采取率相比明显提高。对孔底以上40 m范围内进行弹性波检测，95%以上的检测区域检测波速应达到2 500 m/s以上。检查孔注浆的单位注入干料量小于该单元的平均单位注入干料量的25%，即满足灌浆要求。

3 采空区段渠道结构设计

3.1 土方填筑

填方段渠道为避免因采空区沉降引起拉裂，渠堤土方填筑过程中增加土工格栅分层填筑，层距为50 cm。利用土工格栅特殊的网眼结构与粘性土形成咬合作用，起到增加土体抗拉、抗剪的作用，且土工格栅为柔性材料，能较好地适应土体变形，从而提高填方渠道适应不均匀沉降变形的能力。

挖方段为改善地基条件，提高地基抗变形、抗渗稳定性，一级边坡全断面超挖2 m，然后回填粘性合格土料并加设土工格栅，层距为50 cm。同时，增设20 cm厚砂石排水垫层，结合直径为30 cm的强渗软透水管，以加强排水，提高渠道堤防的整体稳定性。

3.2 衬砌结构

对于渠道防渗、减糙衬砌结构较为常用的有水泥土、砌石结构及混凝土衬砌结构，考虑南水北调全线统一的要求及结构的耐久性、适应地基的变形能力的要求。在煤矿采空区段衬砌采用现浇混凝土衬砌型式，渠坡厚度为12 cm，渠底厚度为 10 cm。为适应采空区地基的变形需求，纵横伸缩缝间距均为 2 m，缝宽1 cm，均为通缝。缝上部临水侧2 cm采用密封胶封闭，下部均采用闭孔塑料泡沫板充填。

防渗设计选用强度高、均匀性好的加厚机织布复合土工膜作为防渗材料，规格为700 g/m2的两布一膜，膜厚为0.30 mm。

4 采空区监测

采空区监测包括采空区变形监测和工程监测。前者从宏观上监测采空区的变形，后者重点监测去南水北调工程安全稳定。两者相辅相成，共同监测工程的运行状况。

4.1 采空区变形监测

采空区地表变形监测线综合矿层走向、开采方法及上覆地层产状，平行和垂直煤矿层走向成直线布置，长度覆盖地表移动变形范围。

同时，考虑到禹州矿区部分采空区埋藏较深、上覆岩层较厚，因此，采空区布置多点位移计监测采空区变形，监测深度测至采空区底板以下。在采空区顶板以上不同高程设置多点位移计测点，观测深部岩体的位移，评价上覆岩体“三带”的分布范围及发展趋势，预测对工程的影响。

4.2 工程监测

针对主体工程渠道和建筑物工程，进行渠道堤防沉降、渗流、边坡变形监测。建筑物的垂直位移、水平位移，倒虹吸管身不均匀沉降，穿堤建筑物与堤防的接触渗流监测。

应用系统工程理论方法，综合利用所搜集的各种信息资料，在各单项监测成果的整理、分析和反馈的基础上，对各项资料和成果进行综合比较和推理分析，评判工程的安全状态，制定防范措施和处理方案。

5 结论

采空区上大型水利工程建设在国内尚属首次，为了确保工程的安全稳定运行，本工程对采空区进行灌浆处理，对灌浆材料、灌浆方式和灌浆质量验收标准等方面进行研究和应用。结合水利工程的特殊性，对渠道土方填筑、结构设计进行优化等多项综合措施，提高渠道适应不均匀变形的能力和抗渗、抗滑稳定性。为以后采空区处理及采空区上水利工程建设积累了经验。同时，应进一步加强工程后期采空区处理渠段的安全监测，确保工程监测资料的连续性，对监测成果应及时加以分析、整理和保存，为工程的运行管理和维护提供依据。

［1］刘吉永，杜艳珍，冯瑞军. 煤矿采空区对南水北调中线工程的影响分析［J］.河南水利与南水北调，2008（4）：3-4.

［2］白文博，周兵。高填方渠堤土工格栅加筋技术研究［J］.人民长江，2014，45（10）：73-75.

TV68

A

1673-8853（2017）10-0033-02

冯娜（1985-），女，工程师，主要从事水利工程设计工作。

2017-7-21

编辑：刘长垠