贵州某高速公路跨越煤矿采空区的治理方案研究

2020-09-08谭化川许源华

黑龙江交通科技 2020年8期

谭化川，许源华

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳 550081)

1 工程概况

该项目受起点接线及地区城市规划的影响，须穿越一煤矿采空区，工程以桥梁形式跨越采空区。由于该区煤矿开采时间长，开采规模大，地下煤矿巷道密布，矿井多，煤层开采以后形成的采空区范围广，桥梁的桩基难以避让，桥梁工程与采空区平面关系见图1。桥梁设计为30、40 m跨径连续T梁，桥面净宽单幅11.7 m。项目桥梁穿越的采空区分别有复兴煤矿采空区及煤矿的运输巷道采空区。

图1 煤矿采空区分部及治理平面设计图

2 采空区形成背景及分布特点

场区地处贵州高原西部，属侵蚀-剥蚀地貌单元，沟谷地形，亚热带湿润季风气候区。场区地层岩性为上覆盖1～6 m厚的第四系残坡积层粉质黏土、坡积块石土；下伏二叠系上统龙潭组薄层状泥岩、炭质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩及煤层。场区位于扬子准地台-黔北台隆-遵义断拱-毕节北东向构造变形区，场区地震动反应频谱特征周期为0.4 s，地震动峰值加速度值为0.05 g，对应地震基本烈度为Ⅵ度。

2.1 煤矿采空区

该煤矿于2008年开采，2013年停采。矿区面积约1.482 1 km2，设计开采标高+1 600～+1 100 m，生产规模15万吨/年，设计回采率80%，采矿方法为走向长壁后退式采煤法，巷道宽3 m、高3.4 m，顶板管理方法为全部陷落法。开采煤层有M31和M32煤层，M31煤层平均厚度1.78 m，M32煤层平均厚度1.65 m，煤层倾角9°，顶板岩性为泥岩、泥质粉砂岩及炭质泥岩，地下已形成大面积采空区，采空区埋深70～260 m，地表见多处塌陷坑及地裂缝，民房大量开裂，场地稳定性差。

2.2 运输巷道

桥梁从采空区之间留设的保安煤柱上通过，下伏基岩内有运输巷道及通风井分布，埋深106～124 m，井巷密集，且与路线小角度相交。该区域地表局部地段见宽约1～3 cm裂缝，部分房屋墙面出现轻微开裂。

3 采空区稳定性评价

3.1 采空区顶板稳定性评价

采空区顶板岩性为薄层状泥岩、炭质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩，属于软弱覆岩，煤层最大采深H=260 m，采厚M=3 m，采深采厚比H/M=86.7。场区内采深比小于240 m地段为不稳定场地，采深比在240～260 m为欠稳定场地，须进行工程处治。

3.2 采空区影响范围确定

(1)煤矿采空区的影响评估评估参数的选取：复兴煤矿采空区为老采区，设计回采率80%，煤矿围岩为薄层状泥岩、炭质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩，形成的采空区类型为软弱覆岩，其中上山移动影响角γ=70°，下山移动影响角β=δ-kα=70°-0.6×9°=65°，δ水平矿层移动影响角，γ倾斜矿层上山移动影响角，α为矿层倾角；k为常数：坚硬覆岩k=0.7～0.8，中硬覆岩k=0.6～0.7，软软覆岩k=0.5～0.6。

采用上述边界角在横断面上作图，见图2：从采空区边界做与水平线成边界角的斜线，此线与地表的交点为边界点，通过多组横断面做出连续多个边界点并连线可得出移动盆地的边界，见图1中的采空区影响边界。预测表明，桥梁部分墩柱位于采空区影响范围之内，采空区变形对桥梁危害极大，须对采空区进行处治，确定场地稳定后方可建设。

图2 煤矿采空区治理典型横断面C-C’

(2)巷道采空区的影响评估：对于单一巷道式采空区，采用极限平衡分析方法计算维持巷道顶板稳定的临界深度Hcr及稳定性系数Fs，评价时分为覆岩为松散岩体和覆岩为非松散岩体两种情况，综合该区地层岩性判定覆岩为非松散岩体，根据采空区资料计算稳定性系数Fs=1.45，场地欠稳定，影响桥梁结构安全，须采取工程措施处治。

4 采空区治理方案

4.1 治理范围

根据规范及前人研究治理经验，采空区治理宽度为平行于桥梁两侧边缘外围护带+禁采区的范围；长度上：桥台外围护带+禁采区范围。具体范围可通过纵、横断面进行作图法来确定。经过勘察资料综合分析，该场区内覆盖层移动角取45°，采空区上山移动影响角取7°，下山移动影响角取65°，使用断面作图法得桥梁工程场区采空区治理范围，其中围护带宽度取20 m，沿左幅桥边界左侧外移98 m为桥梁左侧禁采区，沿右幅桥边界右侧外移87 m为桥梁右侧禁采区；通过连接多组相邻断面确定的禁采点形成沿桥梁工程的禁采区，具体范围见图1，禁采区范围内的采空区均需要进行治理，确保桥梁工程的结构安全。

4.2 采空区治理方案研究

主要治理方案有注浆法、支撑法、开挖回填法、巷道加固法、强夯法、跨越法等。支撑法、开挖回填法、强夯法、巷道加固法适合埋深较浅的采空区；埋深较深的采空区适合使用注浆、及跨越法进行处置。场区内采空区的埋深70～260 m、巷道埋深106～124 m，采空区埋深较深，经综合比选，选择注浆方式进行采空区治理。

(1)注浆孔方案布置：划分为巷道、采空区注浆两区域，巷道注浆又分为桥梁工程围护带内注浆及围护带外注浆，围护带内注浆孔沿巷道布设，孔间距10 m；围护带外注浆孔沿巷道布设，孔间距20 m。采空区注浆孔分为帷幕孔及注浆孔，帷幕孔沿采空区治理边界布设，孔间距10 m，注浆孔排距及间距均为15 m，呈梅花桩布置。采空区注浆孔布置详见图。

(2)注浆方量计算：综合煤矿开采资料及实际勘察情况，采空区剩余空隙率取0.5；巷道回采率取1，采空区回采率取0.8；浆液损耗系数取1.2；充填率取0.95；浆液结石率取0.95，采空区面积约1 160 m2，采用规范推荐公式计算注浆总体为2 534 m3，注浆材料为水泥粉煤灰浆，水固比按1∶1到1∶1.3，其中水泥占固相30%，粉煤灰占固相70%，最终计算需要水泥680 kg，粉煤灰1 600 kg，水1 720 kg。巷道注浆总体积为20 202 m3，需要水泥5 424 kg，粉煤灰12 763 kg，水13 721 kg。

(3)注浆施工工艺：场地整平后，按照注浆区顺序依次放孔，开口孔径不小于130 mm，上部进入基岩6 m下入直径为130 mm的套管，变径为91 mm钻至跨落带或者煤层底板以下1 m处终孔。钻孔每50 m测斜一次，每百米孔斜不能超过1°，取芯孔数量为注浆孔、帷幕孔的5%，采空区部位钻孔取芯率不小于30%，巷道部位钻孔取芯率不小于60%。成孔后，巷道注浆采用依次成孔、自上到下，一次全灌注施工；采空区为多层采空区注浆，采用下行法注浆施工工艺，自上到下，分段成孔，分段注浆。