煤矿采空区场地注浆设计及治理效果检测分析

王彦君

(江苏地质矿产设计研究院，江苏 徐州 221006)

煤矿采空区场地注浆设计及治理效果检测分析

王彦君

(江苏地质矿产设计研究院，江苏 徐州 221006)

拟建徐州工业园区南湖小学场地下存在多层采空区，对建筑物的影响较大。根据项目规划、煤层开采情况和场地岩土工程条件，在场地稳定性评价的基础上，提出了场地采空区地基注浆治理设计，确定了采空区治理范围、深度、注浆孔平面布置及工作量、注浆施工工艺顺序、注浆主要材料及浆液比级。注浆施工结束后，采用钻孔取心、波速测试、室内单轴抗压强度试验和钻孔压水试验等方法对场地注浆效果进行了综合检测，所得检测结果均达到预期的注浆效果，场地注浆充填治理的质量达到了采空区治理设计要求，可为类似场地注浆治理工程施工提供参考。

地基稳定性；帷幕注浆；钻探检测；波速测试；室内分析；压水试验

近年来，随着经济快速发展，城市建设用地越来越紧张，采空区内的土地被逐步利用。很多房屋建在煤矿老采空区。山西南部、安徽淮北、河北唐山等地对老采空区进行注浆处理后，在老采空区上建房逐渐增多[1-3]。徐州市贾汪区煤矿开采已有一百多年历史，采空区分布范围广，在采空区上搞城市建设已成为常态。拟建徐州工业园区南湖小学场地位于20世纪80-90年代之前煤矿开采的老采空区上面，采空区地层的残余持续沉降威胁建筑的安全和稳定，因此采空区的处理迫在眉睫，钻孔注浆充填固结处理煤矿采空区塌陷是一种经济快捷的有效方法。

1 场地地质及工程地质条件

徐州工业园区南湖小学拟建场地位于徐州市贾汪区206国道以西，夏桥二路以北，阚山电厂专用铁路以东。主要建设教学楼3幢、食堂艺术楼1幢、行政办公楼1幢、实验楼1幢，楼高均为4层，图书馆1幢，楼高2层，总建筑面积19 027m2。拟采用框架结构，天然地基浅基础，基础埋深暂定2.0m。

1.1 采空区分布及煤层开采情况

拟建场地开采了二叠系下石盒子组1煤、3煤，石炭系太原组17、20、21煤，山西组7煤因煤层变薄不稳定未开采。1煤、3煤分布于1煤、3煤露头线以东地区，平均总厚度2.5m，开采深度10～40m(<50m)，属浅层采空区，采深采厚比<30；17、20、21煤全区分布，平均总厚度2.20m，开采深度>280m(>200m)，属深层采空区，采深采厚比>80。

拟建场地1煤、3煤开采始于解放前，为房柱式开采。韩桥煤矿于1961-1995年开采1、3、17、20、21煤，在20世纪80-90年代，南庄井、泉东井等小煤矿复采边角残煤，各小煤矿于2001年关停，开采方式为主要为长壁炮采，全垮落法管理顶板， 拟建场地内采空区形成时间>15a(图1、图2)。

图2 拟建场地地质剖面Figure 2 Proposed site geological section

1.2 工程地质条件

拟建场地地表被第四系土层覆盖，第四系以下基岩为二叠系-石炭系，岩层倾角5°～10°。根据场地工程勘察资料，场地20.0m深度范围内地层为人工填土、黏性土、页岩组成，土(岩)层共分6个层次(表1)。

表1 岩土层主要特征

2 采空区地基注浆设计

根据采空区特征判别法、活化影响因素分析法等方法[4]进行稳定性评价分析得出场地3煤露头线以东地区，采空区埋藏浅，采深采厚比<30，发生活化后，对建筑物的影响较大，应采取注浆充填加固处理措施。采取注浆充填加固处理措施时，注浆深度应穿过3煤采空区底板，注浆范围应考虑注浆深度内采空区对建筑的水平影响范围，并在基础及上部结构采取必要的抗变形措施。

2.1 采空区治理范围

由图1、图2可知，拟建场地内的多层建筑及体育场看台区域位于3煤采空区范围，考虑采空区对建筑物水平方向的影响，采空区治理范围主要针对上述拟建建筑物所在范围，并适当外扩[5]。经计算，本次注浆范围在建筑物基础边线外扩12～18m。

2.2 采空区治理深度

采空区治理深度根据钻孔取心情况及揭露的1煤、3煤底板深度确定。注浆深度处理应至3煤采空区底板，深度为19～41m，场地北部深度约40m，以实际钻孔揭露的3煤采空区底板深度为准。

2.3 注浆孔平面布置及工作量

注浆处理采用帷幕包围注浆法，即先施工建筑物外围的第一序帷幕注浆孔，再施工建筑范围内的充填注浆孔。第一序帷幕注浆孔基本孔距按15m布置。第二序充填注浆孔按建筑物范围布置，孔距为12～18m。针对场地东北部区域，需要处理1煤、3煤两层采空区，适当加密注浆孔。

根据建筑物实际，场地共布置注浆孔106个，其中帷幕注浆孔44个，充填注浆孔62个，具体孔位设计情况见注浆钻孔及检测孔平面布置示意图(图3)。

2.4 注浆施工工艺

为确保注浆工程质量 ，避免浆液大量跑出注浆区域，减少注浆量，注浆工程采用由下山往上山，先边界后中间的施工顺序[6-7]，边界孔、帷幕孔用稍稠浆，加入不同量的速凝剂来调节水泥粉煤灰浆液的凝固速度，以便形成帷幕区，将处理场地相对隔离。中间孔用稍稀浆，场区内注浆顺序为一排孔先中间后两端，其余隔孔注入，留出一定的排水孔，以利于场地充填的水的排出。对于多层采空区，注浆治理顺序原则上为先治理上部采空区，逐层向下注浆处理。

注浆过程中，发现地表冒浆、漏浆，应根据具体情况采取嵌缝、表面封堵、低压、浓浆、限时、限量、间歇注浆等方法处理。

2.5 注浆主要材料及浆液比级

注浆浆液采用水泥粉煤灰浆液。注浆材料主要为复合硅酸盐32.5级水泥，粉煤灰(质量等级为三级及以上)添加剂水璃玻[8]。

图3 注浆钻孔及检测孔平面布置示意Figure 3 A schematic diagram of grouting boreholes and detection boreholes layout plan

(1)第一序帷幕注浆孔浆液水固比级：1∶(0.7～1.1)，固相水泥粉煤灰比级：30∶70，浆液中掺水泥用量0.1%～0.5%的水玻璃。

(2)第二序充填注浆孔浆液水固比级：1∶(0.8～1.1)，固相水泥粉煤灰比级：30∶70，根据区段掺水泥用量0%～0.5%的水玻璃。

(3)加密孔及第三序充填注浆孔浆液比级参照第二序充填注浆孔。

3 注浆效果分析

拟建场地采空区注浆治理施工23d，共施工注浆钻孔106个，总钻探进尺约3 300m，注浆量为6 780m3。

3.1 注浆效果检测要求

为检验注浆效果，采用钻孔取心、波速测试、室内单轴抗压强度试验和钻孔压水试验等方法对场地注浆效果进行综合检测[9]，采空区治理后的检测要求为：

(1)检测孔的数量不小于注浆孔总数的2%且不小于3个，孔深进入处理煤层底板不小于2.0m。检测孔钻探回次进尺控制在1.50m，全断面取心[10]。

(2)通过钻探取心对水泥粉煤灰结块心样进行室内无侧限抗压强度试验[11]，注浆结石体的无侧限抗压强度应不小于0.5MPa。

(3)在检测孔内注浆段进行波速测试，注浆段剪切波波速应大于250m/s。

(4)对检查孔进行岩层压水试验检测注浆充填情况，进行注浆体透水率计算。

3.2 注浆效果检测及分析

3.2.1 钻探检测结果及分析

本次钻探检测孔施工4个，分别为JC01-JC04孔，位置见图3。综合情况如下：

(1)进尺速度及岩样完整性。根据钻探情况，场地强-中等风化页岩总体上较破碎-较完整，风化程度为强-中等风化，钻进施工中进尺平稳缓慢，取心率在80.0%～92.0%，岩石质量指标RQD在30%～60%。

(2)浆液充填情况。施工的检测孔注浆段均可见短柱状、碎块状注浆结石体充填。

(3)钻探情况。施工的4个检测钻孔中钻进过程中进尺平稳，正常返浆，未发现掉钻、吸风现象。

综合以上分析可以发现：本次施工钻探孔4个，满足且超过了检测孔个数不少于钻孔总数2%的要求。钻探过程中钻探进尺总体上较平稳缓慢，均未发生孔壁掉块引起的掉钻、卡钻、埋钻及漏液、吸风现象。钻探显示1煤、3煤采空区及冒落裂隙带已被水泥粉煤灰结实体充填，所取浆液结石体呈短柱状、碎块状，说明1煤、3煤采空区及冒裂带的裂隙、空洞等已被充填，不存在未被充填的空洞及较大的空隙。钻探取心结果也说明在采空区治理层及裂隙发育的层位浆液充填程度和与围岩的胶结程度较好，达到了预期的效果。

3.2.2 波速测试结果及分析

在现场施工的4个检测孔JC01、JC02、JC03、JC04，对其均进行了波速测试，受采空区影响4个检测孔岩石(注浆体)波速测试结果分别为v1、v2、v3、v4(表2)。

表2 采空区影响范围内岩石注浆体波速测试结果统计

根据波速测试数据统计分析，采空区注浆段的波速值均较高，在567.3～664.9m/s，均大于250m/s，波速测试结果为合格。在测区各测试孔间地层的波速均有变化，注浆前低速地层的波速均有不同程度的提高，说明波速检测的采空区及冒落裂隙带区域已被水泥粉煤灰浆液凝固成的水泥结石体充填密实，充填效果较好，达到了设计要求。

3.2.3 室内试验结果及分析

检测钻孔施工时在注浆段采取7件水泥粉煤灰结石体心样，进行天然单轴抗压强度试验，在力学实验室将结石体心样加工成标准试件进行抗压强度检测，测试结果如下表3。

表3 水泥粉煤灰浆液结石体天然单轴抗压强度统计

从表3可看出，水泥粉煤灰结石体天然单轴抗压强度为1.35～1.69MPa，平均值1.52MPa，均大于设计单轴抗压强度不小于0.5MPa的要求，抗压强度检测结果满足设计要求。

3.2.4 钻孔压水试验结果及分析

对检测钻孔的6个试验段进行了压水试验，用专门的止水设备把规定长度的钻孔试验段隔离出来，然后用固定的水头向这一段钻孔压水，水通过孔壁周围的裂隙向岩体内渗透，本次压水试验每个试验段长度为5m，根据试验段内压入水流量、作用于试段内的全压力、试段长度分别计算透水率，结果见表4。

表4 钻孔压水试验结果

根据检查孔的钻孔压水试验结果分析，透水率小于1 lu，达到设计注浆质量要求。

综合上述分析认为：通过注浆处理1煤、3煤采空区及冒落裂隙带已被水泥粉煤灰结实体充填，所取浆液结石体呈短柱状、碎块状，说明了在采空区治理层及裂隙发育的层位的浆液充填程度和与围岩的胶结程度较好。采空区注浆段(注浆体位置)波速值较注浆前低速地层的波速均有不同程度提高，剪切波波速在567.3～664.9 m/s，均大于250 m/s。所取的7件水泥粉煤灰结石体的力学强度试验，其天然单轴抗压强度均大于0.5 MPa。钻孔压水试验透水率小于1 lu。采用多方法检测技术，综合检测结果相互印证，均说明注浆处理采空区达到了治理设计要求。

4 结论

通过注浆治理施工及检测分析，取得如下认识：

(1)设计场地采空区治理范围、深度和注浆孔平面布置合理有效。采用注浆施工工艺顺序正确，注浆主要材料及浆液比级的选择，符合当地实际情况。

(2)对采空区场地注浆治理工程采用钻孔取心、波速测试、室内单轴抗压强度试验和钻孔压水试验等方法进行检测，检测方法优势互补，检测结果相互验证，能更好的反映注浆效果。

(3)通过检测，场地注浆充填治理的质量达到了采空区治理设计要求。在保护人们生存环境的同时, 可缓解建设项目用地紧缺的局面，也可为类似场地注浆治理工程施工提供参考。

[1]张学亮.注浆法在煤矿采空区地基处理中的应用[J].山西建筑, 2007 , 33 (14) :114-115.

[2]章利宽.煤矿采空区的注浆处理[J].工程建设与档案 , 2005 , 19 (6)：475-476.

[3]于连顺，王宗，等.注浆法在煤矿采空区处理中的应用[J].土工基础 , 2016 , 30 (2)：115-118.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部. GB51044-2014煤矿采空区岩土工程勘察规范[S].北京：中国计划出版社，2014.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ79-2012建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[6]国家能源局.DL/T 5148-2012水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].北京：中国电力出版社，2012.

[7]中华人民共和国国土资源部.DZ/T0285-2015矿山帷幕注浆规范[S].北京：中国标准出版社，2015.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ/T211-2010建筑工程水泥--水玻璃双液注浆技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50202-2002建筑地基基础工程施工质量验收规范[S].北京：中国计划出版社， 2002.

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ/T 87-2012 建筑工程地质勘探与取样技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[11]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 50266-2013工程岩体试验方法标准[S].北京：中国计划出版社，2013.

CoalmineWorked-outAreaSiteGroutingDesign,GoverningEffectDetectionandAnalysis

Wang Yanjun

(Jiangsu Design Institute of Geology for Mineral Resources, Xuzhou, Jiangsu 221006)

Under the proposed Nanhu Primary School site in the Xuzhou Industrial Park have multiple layers of worked-out area underground, thus impacted buildings above. Based on project plan, coal mining situation and site geotechnical condition, according to site stability assessment, put forward groundwork governing design. Then determined worked-out area governing range, depth, grouting boreholes layout and workload, grouting operation sequence, main materials and slurry proportioning. After the grouting operation, using borehole coring, wave velocity measurement, laboratory uniaxial compressive strength test and borehole packer permeability test carried out integrated detection to check site grouting effect. All detected results have confirmed the expected grouting effect, achieved worked-out area governing designed requirements. The study can provide reference for similar site grouting governing projects construction.

groundwork stability; curtain grouting; drilling detection; wave velocity measurement; laboratory analysis; packer permeability test

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.11

1674-1803(2017)11-0054-06

A

王彦君(1971—)，女，高级工程师，硕士，现从事岩土测试、建筑工程质量检测、质量管理工作。

2017-07-25

樊小舟