水工建筑物下伏采空区稳定性评价及治理措施研究——以彬长矿区输配水工程为例

屈艳妮，刘 斌，刘小平

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院， 陕西 西安 710001；2.中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077)

彬长矿区是国家规划的黄陇煤炭基地的主要矿区之一。彬长矿区位于陕西省长武县境内，规划面积978 km2。其地处黄土高原沟壑区，属于水资源匮乏地区。长期以来，不仅水资源短缺且开发不足，严重限制了当地的经济发展[1]。为此，修建彬长矿区输配水工程，统筹解决彬长矿区开发及当地城镇生活生产的用水已成为当务之急[2]。

由于彬长矿区被开采后出现大量的采空区，对修建输配水工程带来极大威胁[3]。陕西省水利厅在《咸阳市彬长矿区输配水工程初步设计报告》(简称初设报告)(陕水规计函[2014]78号)的审查意见函和咸阳市发改委在《初设报告》(咸发改[2014]766号)的批复文件中均提出“输水管线局部位于煤矿采空区，应采取处理措施”[4]。通过对输水线路进行复勘发现采空导致地面塌陷、开裂(最大裂缝宽度为1.0 m左右)，致使采空区上方大部分村民房屋墙体、屋顶大梁断裂，成为危房，村民大部分已经搬迁。彬长矿区输配水工程共包括4条线路，约55.5 km，含1处电站、6处泵站、7条隧洞(约11.8 km)。其中最为危险的是位于亭南煤矿201工作面采空区的亭口配水站，主采煤层平均厚度达9.3 m，位于泾河与黑河交汇口偏黑河的漫滩上，受各种因素影响无法采取避让措施，亟需开展其下伏采空区稳定性评价及治理措施研究。

近年来，针对采空区上部修建公路、铁路、工业建筑物后开展稳定性评价及治理措施的研究工作较多[5]。针对稳定性评价，余学义等[6]针对公路下伏采空区的地表残余变形问题，建立了概率积分法的应用程序。谷拴成等[7]针对山区浅埋煤层地表移动变化规律，利用概率积分法建立了修正后的地表沉降预测公式。左建平等[8]针对上覆岩层整体移动规律开展了研究，建立了上覆岩层移动“类双曲线”模型。杨路平采用概率积分法分析了万盛-南川高速公路下伏采空区稳定性。针对治理措施研究，黄健丰研究了火石咀煤矿8712工作面上的红岩河水库，提出了全采空区注浆、库底防渗、监测其移动变形的综合治理技术。陈凯等采用注浆法对建筑物下方老采空区进行治理，取得较好的治理成果。国内在研究采空区上建设工业建筑时，也采用注浆充填的处理措施，如阳泉固庄煤矿装车站、本钢电焊厂等。综上所述，目前国内外的研究主要集中在采空区上方地基的稳定性评价，对于采空区附近的水利工程稳定性评价及治理措施的研究比较匮乏[9]。

本文以位于亭口配水站的下伏亭南煤矿201工作面采空区为研究对象，采用概率积分法分析沿线下伏采空区稳定性，评价现状采空区地表残余变形和总变形规律，判断因下方采空而导致的地基不稳定情况，及对上方配水站的影响程度，并提出合理的治理措施。

1 概率积分法稳定性评价模型

目前针对地基稳定性的研究方法有很多，地表变形预计法( 概率积分法) 、地表移动变形观测法及数值模拟法是几种比较常用的方法。概率积分法是一种定量分析方法，其理论依据清晰，适用性较强，适用范围广。其认为基础主要是随机介质，利用统计学规律，将地下整体的开挖分解为无限小的面积开挖，并计算这些小面积对地表及岩体影响的总和[10]。地表稳定性受到地下开采的影响是连续的，其下沉具有随机性[11]。地表上每个点、不同方向的移动与变形原理如图1所示：

图1 煤层开采空间坐标系

设i为回采工作面中的任一单元，坐标为(x,y,z)，单元i引起空间任意点为A(X,Y,Z)。其中：煤层倾斜角为α，将开挖单元i(x,y,z)转化为平面坐标i′(x′,y′,z′)。其中x′=x，y′=ycosα，z′=z-ysinα，将x′，y′，z′分别代替x，y，z，即可以得到该倾斜单元引起的任意点A(X,Y,Z)的下沉值W(X,Y,Z)。

概率积分法的影响函数是正态分布函数，预测地表的移动变形用积分法来进行。根据国家煤炭工业局指定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》并结合开采沉陷预计理论，其数学计算如式(1)—式(10)：

(1)下沉

(1)

(2)倾斜

(2)

(3)

(3)水平移动

(4)

(5)

(4) 水平变形

(6)

(7)

ωmax=q·m·cosα

(8)

umax=b·ωmax

(9)

(10)

式中：ωmax为充分开采的最大下沉值，mm，它只与开采矿层的法线厚度m(单位mm)以及矿层的倾斜角度α(单位(°))有关；q为矿层充分开采的下沉系数；b为水平移动系数；r为盆地走向主断面的主要影响半径，m；β为开采影响角；θ为开采影响传播角，一般与最大下沉角值接近(°)。

2 采空区稳定性评价

2.1 研究区概况

彬长矿区输配工程年供水7 179 万m3，工程中亭口配水站位于亭口水库坝址区下游，黑河右岸一级阶地上。亭口配水站主要建筑物包括进水闸、汇流池、主副厂房、出水管道、冲沙闸、冲沙管道、溢流井以及中塬沟反调节蓄水泵站、附属设备用房和配水站综合办公大楼及活动场等，而彬长矿区输配水工程的配水站位于某煤矿201工作面上。

某煤矿井田面积35.55 km2，煤矿2002年开始筹建，2005年12月投产，服务年限50.5 a，开采4#煤层，煤层平均厚度15 m，采高9.3 m。采用长臂后退式综采放顶煤采煤工艺，顶板全部跨落法管理。

201工作面开采时间为2010年8月20日至2011年4月20日，图2为4#煤采层，由南向北变厚，倾角2°，煤层底板埋深为460 mm～480 mm，平均为470 m，工作面倾向长度109.4 m，排进距离636 m，采空面积70 436 m2。

采空区覆岩结构见图3，覆盖层厚度10 m～12 m，平均厚度11 m，基岩厚度438.35 m～442.10 m，平均厚度约440.23 m，煤层顶板以砂岩为主，局部为泥岩或砂质泥岩，采空区“三带”发育特征明显，垮落带高度17.4 m，导水裂隙带高度142.1 m，裂采比15.3，采空区部分被垮落体充填，钻探掉钻明显，采空区剩余空洞体积为168 742 m3。

图2 配水站采空区平面分布图(治理范围图)

图3 配水站采空区工程地质断面图

2.2 地表变形计算

根据大佛寺40108、40301工作面、胡家河40101工作面及小庄煤矿401201、40202工作面观测数据计算结果，并结合《建筑物下、水体下、铁路下及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(煤行管字(2000)第81号)相关规定及要求确定相关经验系数[12]。

由此确定，针对某煤矿201工作面采空区所采用的地表剩余变形和未来开采地表变形参数(见表1)。计算与处理地面物、开采范围及地表位移变形等数据，预测现有采空区的变形，包括总变形和残余变形，见表2。

2.3 稳定性评价

根据表2计算结果发现，某煤矿201工作面采空区地表残余变形结果为：最大下沉量为266.00 mm，最大倾斜量为1.16 mm/m，最大曲率为±0.008 mm/m2，最大水平位移为79.8 mm，最大水平变形为±0.529 mm/m。未来变形结果为：最大沉降量为7 800 mm～13 000 mm，最大倾斜量为31.985 mm/m～61.986 mm/m，最大竖曲率为±0.199 mm/m2～0.449 mm/m2，最大水平位移为2 730 mm～4 550 mm，最大水平变形为±16.90 mm/m～32.76 mm/m。

表1 概率积分法预计参数

表2 配水站受残余沉陷与未来开采影响移动与变形值

根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》[13](GB 51044—2014)、《采空区公路设计与施工技术细则》[14](JTG/T D31—03—2011)及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[15]中规定的采空区稳定性评价标准如表3所示[16]。

依据采空区地表剩余变形计算结果及表3评价标准，发现某煤矿201工作面采空区尽管倾斜量、曲率、水平变形满足稳定要求，但是下沉量不满足稳定要求，综合评定认为其残余变形不满足稳定要求，处于不稳定状态，具体评价见表4。201工作面采空区对亭口配水站存在影响。再分析采空区地表未来变形预测值，发现201工作面采空区尽管倾斜量、曲率、水平变形、下沉量均不满足稳定要求，亭口配水站在未来面临极大威胁。综上所述，亟需针对201工作面采空区开展重点整治。

表3 采空稳定性评价标准

表4 稳定性评价结果

3 采空区治理措施

注浆法和非注浆法是采空区治理主要方法。其中，非注浆法形式多样，主要包含干浆砌法、砌方法和开挖回填法等等[17]。注浆法是在地面上打孔，将水泥粉煤灰浆注入采空区及上覆岩体裂隙中，浆液会在其中固化，不仅对岩层裂隙带起胶结的作用，同时浆液会在采空区内形成完整的结石体，对上覆岩层起支撑作用，遏制了岩层塌陷冒落的继续发展，确保了地表的稳定。注浆法是目前在治理采空区时应用较广、效果较好的方法[18]。适用于埋深不同且不具备人工进洞施工的采空区[19]。

3.1 治理范围

根据《“三下”采煤规程》，本次治理以拟保护范围外轮廓为保护边界，保护带宽度取20 m，第四系松散层移动角θ= 45°，基岩移动角δ= 70°[20]，计算最外总体治理范围，计算如图4所示。

根据上述计算方法，亭口配水站布在采空区，确定亭口配水站201工作面采空区治理面积为57 860 m2。

3.2 注浆参数

3.2.1 注浆量计算

煤层被采后形成的采空区经过冒落后，注浆充填注浆量估算方法为：

图4 采空区治理范围计算示意图

Q总=S×m×K×ΔV×A×η/C

(11)

式中：S为采空面积；m为煤层厚度；K为煤层回采率；ΔV为剩余变形量；A为浆液消耗系数；C为水泥粉煤灰的结石率，充填系数为η。

采用实际采厚代替煤层厚度，采出率按调查、钻探及资料综合确定，剩余变形量按钻探及物探资料综合选取。采空区回采率K取100%。由于浆液有10%的损失，浆液的消耗系数取A=1.10。水泥粉煤灰的结石率为C=75%，采空区及上覆岩层裂隙、缝隙中浆液的充填系数为η=85%[21]。

经表5计算，亭口配水站采空区注浆量约66 362 m3。

表5 采空区治理注浆量计算表

3.2.2 浆液配合比

本次设计注浆浆液为水泥粉煤灰稳定浆液[22]。水∶固相配合比：1∶1～1∶1.2。水泥与粉煤灰配合比分别为2∶8、3∶7、4∶6、6∶4。具体见表6。

3.2.3 注浆压力

注浆压力应以不使地层结构破坏为原则，通过现场注浆试验确定注浆压力。确定采空帷幕孔及一般注浆孔注浆压力控制在1 MPa～1.5 MPa[23]。

3.2.4 注浆孔布设

本次设计在采空区注浆边缘设置帷幕钻孔，孔间距为25 m，布设帷幕孔10个；采空区范围内部钻孔按照梅花型布设，钻孔间排距为40 m，注浆孔42个[24]。

布设钻孔58个(其中帷幕孔16个、内部注浆钻孔42个)，钻孔孔深按平均450计算，预计进尺26 100 m。

3.2.5 注浆工艺流程

注浆材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝剂等组成。在施工时，充填灌浆垂直钻孔采用一次成孔，施工先外部边界封堵，再内部灌浆充填的施工顺序。钻孔时，按照“分区域，分序次、间隔”的方法进行。每个区域先施工先导性钻孔，后内部钻孔施工的原则进行。注浆时，先灌注浓度大的浆液，再灌注浓度小的浆液，且应根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。

3.3 治理效果

为了检测充填灌浆治理质量，借鉴已成工程采空区治理检测经验，检测采用物探的波速测试，钻孔检测，孔内电视检测，结石体强度检测的方法[25]。

钻孔取芯检测：结合物探手段对治理进行检测，在治理的采空区范围内钻孔取芯检测，检测采用孔内电视测试仪[26]，对孔壁图像采集并记录在计算机上，观测到采空区及其冒落段浆液结石体明显，同时取样钻进过程中无掉钻、循环液无漏失等,且基岩段每回次岩芯采取率大于90%，说明充填体回填密实且与顶板基岩面紧密接触，治理效果良好。

表6 浆液配合比计算表

结石体强度检测：钻孔取芯得到的浆液结石体，标准养护 72 h 后送试验室按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[27](JTG E30—2005)进行室内无侧限抗压强度测试，结石体抗压强度均不低于0.6 MPa。

采空区充填灌浆治理后：倾斜值i=0.544 mm/m～0.568 mm/m，属于稳定等级；曲率值k=0.005 mm/m2，属于稳定等级；水平变形值ε=0.254 mm/m～0.265 mm/m，属于稳定等级；水平移动值U为29.19 mm，属于稳定等级；下沉量w=95.07 mm，属于稳定等级；以上各参数均满足处理后的采空区场地变形允许值(见表3)，说明下伏采空区充填取得了良好的效果[28]。

4 结 论

煤矿采空引起的沉陷使工程建筑物在建设和使用中存在较大的安全隐患。受采空区引起的地面变形的地质灾害影响，一般会使建筑物在建设和使用中，导致建筑物破损甚至坍塌，不能发挥正常使用。而目前国内针对水工建筑物下伏深层煤炭采空沉陷问题研究的很少，没有可以遵循的规范和成熟技术，一般依据借鉴三下规范、矿山开采沉陷学和工程经验。文中通过论述深层煤层采空区的勘察结果、稳定分析，得出水工建筑物下伏的采空区分布、塌陷型式，判定工程建设场地的稳定性和适宜性，结合水工建筑物基础类型，提出深层煤炭采空区采用垂直钻孔，全胶结法灌浆充填治理方案的合理性，并通过地表变形监测，以及钻孔取芯、孔内电视成像、物探及强度检测进一步论证了治理效果良好，为类似工程对采空区治理勘察、分析其稳定性和危害性及治理措施提供借鉴经验。