浅谈在长沟煤矿污水处理站泵房天然地基处理中的技术应用

张凡

（山西国辰建设工程勘察设计有限公司，山西阳泉 045000）

传统的生产发展已无法适应新时代的环保要求，环保形势的严峻性和环保工作的重要性也被各个企业矿山深刻认识，环境污染治理已然成为传统能源企业必须高度重视的工作。所以煤矿水污染治理工程，自然需要投入更多的精力和技术来实现良好的处理效果。矿井水处理站作为重要的水污染处理配套建筑，其重要性要求其建筑质量必须不能有丝毫的马虎，由于土层的性质变化较大，适时不同地层条件的处理方法是保证工程质量的决定因素[1]。然而在实际建设中，往往会遇到在不理想的天然地基上建筑，比如地层性质多样，天然地基不均匀，基底下伏存在采空区等多样的复杂的情况，故对地基处理提出了更高要求，本文以在长沟煤矿水处理泵站建设中的所遇到的情况为例，来介绍针对该地区复杂天然地基处理中采用的一些施工工艺。

1 场区天然地层

根据钻探资料、场地踏勘等工程地质资料进行综合分析，场地地层自下而上分别为：石炭系上统太原组（C3t）煤岩及泥岩层，冲洪积成因粉质粘性土（Q3al+pl）及砂质粘性土（Q4al+pl），地表分布新近堆积素填土（Q4ml），揭露的岩土层自上而下分述如下，1层杂填土杂色，松散，以回填建筑垃圾、生活垃圾为主，硬杂质含量大于85%，成份复杂，场区广泛分布，揭露层厚2.5～3.2m。2层砂质粘性土黄褐色，中-粗粒石英-长石质，稍密—中密状态，稍湿，粒径≤50mm含量的大于50%，揭露层厚1.8～4.0m。3层粉质粘性土黄褐色，稍湿，中密，硬塑，硬杂质含量≤25%，土质较均，干强度中等，场区广泛分布，揭露层厚16.9～28.6m。4层泥岩中等风化，浅灰—深灰色，岩芯呈短柱状及块状，较难击碎，属较坚硬岩，中等风化，岩石质量等级为III级，揭露层厚2.3～5.6m。5层煤岩中等风化，黑色，碎块儿状，属较软岩，仅7#钻孔有揭露，岩石质量等级为III级，揭露层厚6.2m。在5层中揭露采空区，采空区距离地表26.7～35.6m，掉钻深度为0.5～1.4m。穿过采空区后揭露6层泥岩中等风化，浅灰—深灰色，岩芯呈短柱状，较难击碎，属较坚硬岩，中等风化，岩石质量等级为IV级，揭露层厚0.5m。

2 采空区

在对下伏地层地质情况勘察的过程中，进一步揭露了其下伏地层中存在采空区，这样为设计施工又提出新的要求，既涉及煤矿老矿区进行建设工程常会遇到的问题——采空区处理问题，所以需要对采空区的情况做进一步的勘察和了解[2]。同样还要对地下水的情况、该地区的土的腐蚀性和该地区地震效应，进行相应的判断和测试[3]。

由于场区地表及周边地区不存在化工类厂区生产及污水排放，结合已有建筑工程经验判定，本场区地基土对岩土层及在岩土层上建筑的基础结构中的钢筋存在微腐蚀性，并且未揭露地下水，可以不考虑地下水的影响。根据《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》表 4.1.3 及《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》表4.1.6，由于基础埋深确定位于3层粉质粘性土，故场地覆盖层厚度为大于5m，场地类别为Ⅱ类，地震特征周期值为0.40s。预估等效剪切波速250≥Vs＞150m/s，属中软土，根据《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》表4.1.1判定为建筑抗震一般地段。在这些结论的基础上我们需要对开空区的范围和深度进行更加具体详细的了解。

经过现场勘察，经场地勘察揭露采空区，采空区距离地表26.7～35.6m，掉钻深度为0.5～1.4m。在其之下进一步揭露了较为稳定的中等风化，浅灰—深灰色，泥岩。通过现场勘察，和室内试验，判断其属较坚硬岩。该地区未揭露到地下水，可不考虑地下水对建筑物的影响。

对于采空区，由于本场区存在15#煤层，根据《阳煤集团长沟煤矿工业场区采空物探解释成果图》及钻孔揭露情况，本采空区以小窑开采为主，采掘方式主要为穿洞扩帮及高落式，采空巷道一般宽4.0m，大多塌落，由于局部多次复采，连通性较好，回采率较高，采空顶板或采空冒落带距地表较浅，对拟建建筑物的使用及安全存在较大隐患。

根据公式：

其中：Ho-巷道单位长度顶板岩层所受压力时，顶板岩层恰好保持自然平衡时的临界深度；B-巷道宽度，取4.0m；γ-岩土的天然容重，取20.0kN/m3；p0-基底处平均附加压力，取 180kPa；ϑ-内摩擦角，取 25°。

当H＜Ho时，地基不稳定；

Ho＜H＜1.5Ho时，地基稳定性差；

H＞1.5Ho时，地基稳定。

经过计算得：Ho=27.94m

15# 煤层采空区至地表距离 H=34m，27.94＜34＜41.91（Ho＜H＜1.5Ho），故地基不稳定。

需要对采空区进行治理后，可判定为稳定场地，适宜建筑。

3 天然地基概况选取及处理办法

拟建生活污水处理站天然地基持力层1层填土，1层填土承载力低，压缩性高，不能作为天然地基持力层，2层的砂质粘性土层与3层粉质粘性土，堆积时间较久，承载力较大，可作为天然地基持力与下卧层。水池的天然地基持力层为3层粉质粘性土，3层粉质粘性土堆积形成时间较久，层位稳定分布广泛，压缩性低，可作为天然地基持力层。

由于存在天然地基承载力不足，需要对天然地基及下伏地层存在的采空区进行处理后才可满足建筑要求。

针对天然地基承载力不足问题，需要进行地基处理，以及选择合适的基础形式，针对泵房，建议采用条形基础，基底置于2层砂质粘性土，超挖部分采用灰土，灰土选用三七灰土换填至基底标高。水池采取混凝土基础，基底置于3粉质粘性土上。

灰土换填相对于其他材料具有密实度高，变形沉降影响小，相对于桩基础来说成本低廉材料易于获取，配比容易掌握，技术要求不高等诸多优点，在多数条件允许的小型建筑建设中较为常用，是比较方便实施的地基处理方法，在夯实后结合国内外及本场区采空区治理经验，本场地采空处理建议采用压力灌注水泥粉煤灰浆的方式进行治理。通过打孔下注浆管管方式注浆管根据采空区范围采用间距为0.8～2.0m间距的梅花孔进行注浆管排布，将注浆管压入至穿透采空区顶板后，对采空区冒落带、裂隙带、残留空洞灌浆，能有效充填采空区空洞、空隙，对冒落松散岩石及裂隙进行充填、胶结、加固，使得采空区的变形破坏得到阻止，从而使采空区地基达到稳定。采用打孔下注浆管灌注的方式进行填充有诸多环境和经济方面的优势和便利条件，首先可以选用过火矸石及燃烧完全的煤粉。来源稳定，在现代精细化生产和开采处理的条件下，本身的颗粒度就已经接近可以直接使用的标准，经过进一步加工，就是很好的原始材料，达到可以满足治理效果的程度。此外其形成的浆液悬浮度、黏着度、附着力、沉淀情况也容易控制。根据现场需要的程度配合其他不同性质媒介剂，对于配比的变化控制较为容易，可以有效控制其流量流速，对效果预测用量提供了有利的条件，可以保证充填效果。其次，其阻燃的特性针对放顶冒落后存在封堵填充不密实，空隙存在诱导空气透入导致残留的煤炭及矸石自燃的可能，通过水泥粉煤灰浆液的加压填充使其对采掘残留的煤炭碎块和矸石进行包裹覆盖胶结，使煤炭与矸石之间产生隔离层，并且通过压力尽可能的挤压空隙裂隙中的存在的空气，降低氧气在采空区中的残留体积，减少空气中氧气与残留的煤炭及煤矸石接触，从而降低采空空间内的自燃可能性，为采空区治理效果提供安全保障。最后，在经济层面上讲，比采用桩基穿透采空区也在施工成本和施工方式方面有着非常明显的经济优势，对天然地基的扰动相对较小，可操作性较强。配合基底换填，形成较为均匀的分布状态，有利于建筑的地基稳固和沉降平均，甚至微小沉降。有利于建构筑物的整体结构稳定。对于基坑支护面积也降低了许多成本，相对于整体开挖来说基坑深度和施工方式也相对容易可行在安全性方面也大大提升很多，减少了很多不可控安全风险。

为了保证控制灌注效果，在灌注的过程中也可继续采用物探手段，对填充的范围和填充的密实程度进行检测和控制，在预定边界采用分次地震波数据对比、取样等方法，来为施工过程和结果提供依据，从而大大的提升对下伏采空区空洞区域的填充状况、材料使用方量、填充范围的控制，对采空区处理中出现的问题也可以及时的发现，减少施工过程中不可控因素对施工结果造成的不良影响。

4 结语

建筑质量关系的到生产的安全，是维护煤矿正常生产秩序进行的重要保障，作为事关关环境重要设施，煤矿污水处理站的建设也是煤矿建设中必须要配套进行建设的建筑，其功能的特殊性，使得其建设所选的位置会受到很多因素的干扰。在复杂地质条件的天然地基上建筑往往也会面对很多自然和未知人工干预带来的问题。本文结合实际建设中所遇到复杂地质条件提出针对性的处理方法，希望能给类似建设条件中碰到采空区治理的问题的情况，提供一些有利的参考。