工程场地下伏采空区墩台治理技术研究

尚 卫 东

(1.太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024; 2.山西宏厦建筑工程第三有限公司，山西 阳泉 045000)

工程场地下伏采空区墩台治理技术研究

尚 卫 东1,2

(1.太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024; 2.山西宏厦建筑工程第三有限公司，山西 阳泉 045000)

以晋城煤业集团拟建90万m3/d煤层气液化工程场地下伏房柱式开采小窑采空区治理工程为背景，运用钻探方法，详细探明了煤层气液化工程场地采空区的分布和空间形态，根据下伏采空区3号煤层顶板岩层组成结构特征，提出采用混凝土墩台式支撑处理采空区的治理方案及施工工艺，后期检验钻孔数据分析表明本工程采取的混凝土墩台治理工艺对大部分小窑破坏区充填效果及浆液固结程度较好。

工程场地,小窑采空区,墩台治理,现场实测

1 工程概况

晋煤集团拟建煤层气液化工程建设规模90万m3/d，工程占地位于晋城市东北王台矿北侧，占用面积8万m2左右，由于王台矿为老矿井，致使所用场地内存在一定范围的采空区。

场区北部即为王台铺煤矿建矿初期首采区，3号煤层于1962年—1969年进行了开采，回采率60%左右，采煤方法为长壁炮采，采煤后3个～5个月，地面产生过较多的裂缝、塌陷等现象，该区域内当时为耕地，破坏耕地近100亩。

拟建场区南部于1985年—1989年对原留保护煤柱进行了开采，采煤方法以房柱式开采为主，该区域煤炭资源回采率50%左右，由于顶板较好，开采面积较大，俗称“礼堂式”开采。据调查访问，当时采空区地面破坏形式主要为塌陷坑和槽，其形状以圆形、条形和椭圆形居多，塌陷坑的深度一般0.6 m～3 m，最大达5 m，塌陷周围一般都伴有地裂缝，长度3 m～30 m，宽度5 mm～500 mm。

在我国很多重点采煤区域，大量科技研究人员为了对废旧矿区内荒置的工程场地与土地进行再次开发与利用，提高矿区煤炭开采后土地的利用效率，缓解采煤地区紧张的用地压力，从而进行了大量的基础研究工作，并且对一些主要铁路和公路干线下伏采空区，以及工程场地下伏采空区进行了成功治理[1-6]。

为了减小该场地下伏采空区对工程场地后期拟建建(构)筑物的影响，保证该场地上建(构)筑物和设备的安全使用，因此，有必要对该煤层气液化工程场地内的采空区区域进行研究和分析，采取合理有效的治理方案，降低或消除采空区破坏和地表下沉带来的不利影响，进而提高该场地的安全使用效率。

2 采空区工程勘察方案及成果

2.1 采空区勘察设计方案

为了取得较好的治理效果，首先需要利用各种不同的勘察技术掌握采空区的分布范围和内部空间结构特征，本工程的勘察以钻探为主，辅之以必要的原位测试及室内土工试验。具体方案如下：

1)钻孔间距：根据场地建筑物平面布置图，场地的东部为生产区，对地基沉降变形较敏感，安全等级为一级，钻孔间距控制约40 m；场地的西部主要为辅助生产及办公区，建筑安全等级为二级，在西部建筑物钻孔间距可适当加大，间距控制约50 m。

2)钻孔的深度：向采空区内施工的钻探钻孔深度根据内部揭露岩层结构不同而略有差别，遇到采空区时只需施工至采过的3号煤层底板；遇实体煤时应施工到3号煤层底板下部3 m深度。

3)取土、岩试样和原位测试：取土、岩试样和原位测试钻孔的数量不少于全部勘探点总数的2/3，钻孔取土样的间距为2.0 m～3.0 m；取岩样的间距控制在3.0 m～4.0 m左右，根据具体情况确定。

土层中进行标准贯入试验，试验点的竖向间距，原则上按2.0 m～3.0 m 考虑。

进行钻孔深度范围内剪切波速试验，试验间距为1.0 m，作为划分地层和定性评价岩土性质的一种对比手段。

2.2 工程场地采空区勘察成果

根据收集到的“王台铺煤矿已采3号煤层采掘工程平面图和地质地形图”，结合本次勘探钻孔揭露场地内围岩岩性特征和已做过的场地物探资料，得出在本液化气场地范围内存在4块不同特征的采空区，其中2号、3号和4号3块采空区为小窑采空区。

2号采空位于场地的中北部，场地内该采空区面积约为12 967 m2。其特点为：顶板整体性好，没有完全塌落；钻探时从地面至煤层顶板以上范围内基本不漏水，岩芯除表层由于风化作用较为破碎外，基本完整，采取率75%以上，呈长柱状；钻至采空层位突然掉钻，浆液全部流失，洞中无充填物，掉钻高度1.2 m～1.7 m，平均为1.5 m。

3号采空位于场地的中西部，场地内该采空区面积约为3 362 m2。其特点：顶板整体性好，完全没有冒落；钻探时从地面至煤层顶板以上范围内基本不漏水，岩芯除表层由于风化作用较为破碎外，基本完整，采取率75%以上，呈长柱状；钻至采空层位突然掉钻，浆液全部流失，洞中无充填物，掉钻高度1.65 m。

4号采空区位于场地的南部，场地内该采空区面积约为14 517.2 m2。其特点：顶板整体性好，完全没有冒落；钻探时从地面至煤层顶板以上范围内基本不漏水，岩芯除表层由于风化作用较为破碎外，基本完整，采取率75%以上，呈长柱状；钻至采空层位突然掉钻，浆液全部流失，洞中无充填物，掉钻高度1.2 m～3.8 m，平均为2.8 m。

3 小窑采空区稳定性评价

本工程采用《岩土工程勘测设计手册》中的经验公式对本场地内的2号、3号和4号小窑采空区地表稳定性进行判定，具体公式如下：

其中，A为采空区投影在底板上的面积，m2；Lc为采空区投影在底板上的周长，m；H为采空区冒落顶板的垂直深度，m；γ为采空区上覆顶板岩层容重，kN/m3；φ为采空区上覆顶板内摩擦角，(°)；q为地表新建建(构)筑物施加的重力，kPa。

通过将本场地内2号、3号和4号小窑采空区相应的现场实测数据代入上述公式，得出2号、3号和4号采空区对应地表安全稳定系数均小于1.5，出于该工程场地地表安全考虑，通过计算所得安全稳定系数至少应在2.0以上，所以，利用该公式的判定结论为上述3个采空区地表全部处于不稳定状态。

4 采空区混凝土墩台式治理施工技术

4.1 墩台设置数量及位置

2号采空区布置51个墩台，重要建筑物地段补强16个，小计67个墩台；3号采空区布置7个墩台；4号采空区布置53个墩台，重要建筑物地段补强3个墩台，小计56个墩台。合计墩台数量130个。

4.2 墩台施工工艺过程

1)钻孔施工放样。

钻孔施工位置按照采空区治理综合平面图上的孔位和坐标，首先采用全站仪逐个钻孔进行测量，利用木桩对钻孔位置进行编号标记，并且要求钻孔施工位置误差控制在1.0 m以内。

2)钻孔施工。

a.钻孔结构。

钻孔开口部分孔径为168 mm，进入基岩岩层内部3.0 m后变为孔径为150 mm，直至进入3号煤采空区底板岩层。

b.钻进方法。

在场地第四系地层中采用泥浆循环护壁回转钻进，岩石钻进采用清水浆液循环回转钻进，在填矸区域必须进行套管护壁，套管间可以丝扣连接或直接焊接。

c.钻孔深度。

钻孔穿过场地内部采空区域掉钻地段，继续钻进至完整煤层底板深度3 m左右，并需要经过现场监理及技术人员进行鉴定和验收才能终止。

d.墩台底板冲洗。

钻孔后，对孔底5 m～10 m范围内的塌落松散破碎煤岩采用高压泵输送清水进行冲洗，管路选用φ50 mm的钢管或耐压2 MPa以上的PVC塑料管，保证高压泵压力在0.2 MPa，管路端头位于钻孔底板上部1.0 m附近，每个钻孔底板冲洗时间为5 min。

3)钻孔灌注混凝土墩台。

a.选用灌注材料。

本工程场地内的混凝土墩台设计抗压强度在20 MPa以上，灌注强度等级为C25的商品混凝土，配置的混凝土产品坍落度控制在10 cm～20 cm之间。

b.灌注系统。

混凝土采用混凝土罐车运输，钻孔灌注采用输送泵和导管组成连接系统，导管型号为直径108 mm的地质套管，输送泵额定输出量不低于60 m3/h。

c.灌注墩台。

墩台成台方法计划采用分层灌注的方法，一般每层堆筑混凝土高度宜为0.5 m～1.0 m，并根据钻孔摄像观测和测绳量测结果对单层灌注高度予以调整。

4.3 采空区治理效果检测

为了检测小窑采空区混凝土墩台治理效果，在施工结束后1个月，施工16个检验钻孔进行效果检测，所选的检验孔位置位于场地内预建的建(构)筑物范围内。

钻孔检验主要是通过观察钻探钻进时治理后的采空区围岩循环浆液返浆情况，分析治理后的冒落围岩和裂隙岩体充填胶结质量，评价采空区注浆的施工质量。现场绝大部分钻孔进尺情况为钻进浆液循环正常、无漏水、吸风、卡钻、掉钻现象，孔底部可见水泥粉煤灰冒落物混合结石体，自检钻孔情况综合分析表明，本次采空区治理施工注浆对采空区冒落裂隙充填质量良好，对采空区冒落段冒落物起到了较好的胶结作用。

5 结语

1)本工程勘察工作主要运用钻探方法，综合确定在本场地范围内存在4块采空区，其中2号、3号和4号3块采空区为小窑采空区。

2)结合岩土工程经验公式对本场地下伏小窑采空区稳定性进行评价，表明3号煤采空区有突然塌陷至地表的可能。

3)根据下伏采空区3号煤层顶板岩层组成结构特征，对采用的混凝土墩台治理方案及施工工艺过程进行了设计，并提出了技术保障措施，必要时对设计方案需做出及时合理的调整。后期检验钻孔表明充填效果及浆液固结程度较好。

[1] 李娟娟，潘冬明，胡明顺,等.煤矿采空区探测的几种工程物探方法的应用[J].工程地球学报，2013(6)：728-732.

[2] 李 维.小煤窑采空区综合勘察与地基稳定性评价[J].山西建筑，2017,43(8):56-57.

[3] 张 沛，尹楠楠.综合物探方法在煤矿采空区勘察中的应用[J].城市建设理论研究，2016(6):16-17.

[4] 贾新果，孙春东.基于变形监测的采空区注浆加固治理效果评价[J].煤炭工程，2016，49(8):74-78.

[5] 潘立文，伍 松.全胶结注浆法在煤矿采空区治理工程中的应用[J].中国地质灾害与防治学报，2010，21(1)：47-51．

[6] 赵仲霖.碾子沟煤矿采空区注浆治理技术的应用与研究[J]．煤炭技术，2014，33(10):303-305.

Studyontreatmenttechnologyofpiergovernanceofminedoutareaunderengineeringsite

ShangWeidong1,2

(1.CollegeofMiningEngineeringofTUT,Taiyuan030024,China;2.AcerArchitecturalEngineeringCo.,Ltd,ShanxiThird,Yangquan045000,China)

In this paper, Jincheng coal group proposed 900 thousand cubic meters / day of coalbed methane liquefaction field underground room and pillar mining small coal goaf governance engineering background, using drilling method, distribution and space form with proven site of coalbed methane liquefaction of goaf, according to gob under 3# coal seam roof strata structure the concrete pier, supporting the processing of mined out area treatment scheme and construction technology of post test drilling data analysis shows that this project has taken concrete pier treatment process for most small kiln damage zone filling effect and slurry consolidation degree is good.

engineering sites, small kiln goaf, pier governance, field measurement

2017-10-06

尚卫东(1972- )，男，在读工程硕士，高级工程师

1009-6825(2017)35-0057-02

P624

A