煤矿采空区公路稳定性及注浆治理技术分析

2021-04-12朱济初

西部交通科技 2021年2期

朱济初

摘要：文章采用数值模拟与理论分析相结合的方法，对公路下伏煤矿采空区的稳定性进行分析，并针对采空区沉降变形特性，提出采空区注浆治理施工工艺。结果表明：（1）相比煤矿开采，采空区采取充填注浆后的沉降变形量明显减小;（2）地表沉降量均随荷载的增加而增大，但在充填注浆后的沉降差较小（对应力的敏感性较小）;（3）从采空区注浆治理范围、注浆量、注浆材料、钻孔设计等方面对煤矿采空区的施工工艺进行了阐述;（4）工后检测数据表明，采取充填注浆治理措施后，地基的工程特性得到有效提升，表明治理效果较佳。

关键词：煤矿采空区;公路;稳定性;沉降变形;注浆技术

0 引言

地下煤层开采完成后会留下大量的地下采空区，在这些地区的地表修建道路、房屋、水利等工程项目时极易带来安全隐患[1-4]。研究煤矿采空区的沉降变形机制，对工程项目基础稳定性的合理准确评估和提出有效治理措施具有重要意义[5-7]。

董博针对采空区公路工程勘察工作，对瞬变电磁法、地震反射波法和活性炭测氡法等三种物探方法的适用性进行了对比分析[8];魏建柄通过地址调查手段，对公路下伏采空区的地质条件和变形特性进行了分析，并提出了相应的治理措施[9];仝刚太[10]、曹欣宇[11]等对贵阳绕城高速公路下伏煤矿采空区的稳定性进行了评估和危害性分析，为线路比选提供了设计依据;张卫兵则通过对比两种不同成孔成桩方案，提出旋挖钻机成孔及双钢护筒进行煤矿采空区域楼房基础施工[12]。

本文以广西某公路下伏煤矿采空区治理工程为例，在前人研究经验和理论基础上，运用数值模拟与理论分析相结合的方法，对该公路下伏煤矿采空区的稳定性进行探讨，并提出回填注浆治理方案，相关经验和技术可为类似地质的公路项目建设提供参考。

1 工程概况

广西某公路工程下伏煤矿采空区，根据现场勘查资料显示：该采空区地层的倾角约为3°～10°，文章分析时煤层倾角取均值5°，煤层的平均厚度约为5 m，回采的实际长度约为185 m，宽度约为300 m，煤层的平均埋深约为40 m，沿路线方向治理长度约为1 020 m。该区域岩层自上而下分别为粉质黏土、页岩1、砂岩、页岩2、煤层以及泥岩。各地层的物理力学参数见下页表1。

2 稳定性分析

2.1 数值模型的建立

采用FLAC3D数值分析软件建立该区域的计算模型，模型的长、宽、高分别为400 m、300 m和70 m，模型本构关系选用摩尔-库伦屈服准则，上边界为无约束的自由工作面，下边界固定横向和竖向位移，左右两边界固定水平向位移（见图1）。由于采空区埋深为40 m，故决定采用充填注浆法对该区域进行治理，充填体的物理力学参数见表2。

2.2 开采与回填沉降变形分析

对充填前后的采空区地表沉降变形进行模拟分析，结果见图2。从图2中可以看到：当煤层回采完成后，在回采区中心位置会产生较大的沉降变形，最大变形量约为2.25 m，很可能造成路面大面积坑槽或者塌陷。当对回采区进行充填注浆后，采空区上方的最大沉降位移值仅为0.144 m，满足公路路基沉降变形相关要求。采空区在采取充填注浆施工后，可以起到较好抑制地表沉降变形的作用。

2.3 开采加载与回填加载沉降变形分析

由于公路路面运营后将处于动态的荷载作用中，因此，对不同路面荷载作用下的地表沉降变形进行了对比分析，结果见图3。从图3中可以观察到：在相同的路面荷载作用下，开采后加载的地表沉降量明显大于回填后的地表沉降量。开采加载情况下，地表沉降对荷载的敏感性较高，即随着荷载的增大沉降量不断增加，从0.15 MPa时的2.35 m增加至0.25 MPa时的2.58 m。而当进行充填注浆后，地表沉降量对路面荷载的敏感性明显降低，抗变形能力明显增加，其在0.15 MPa下的最大沉降为0.2 m，在0.25 MPa时的最大沉降为0.25 m。可以预见的是，当充填材料的强度和刚度足够时，回填后的沉降变形将更小，但是这不利于工程成本的控制。一般而言，在注浆过程中按一定比例加入碎石毛石等材料后，即可满足相关技术要求，取得很好的治理效果。

3 注浆治理工艺

3.1 注浆治理范围的确定

根据我国公路路基相关规定，在采空区发生塌陷情况下，为保证上方路基及路面不发生开裂下沉等现象，需要对采空区治理宽度及范围进行确定（见图4）。根据本工程采空区的实际情况以及公路的设计标准，得到本公路工程采空区沿煤层走倾向的治理范围见式（1）：

3.3 钻孔注浆施工

3.3.1 注浆材料的选择

本工程注浆材料选用水泥-粉煤灰复合浆液，所使用的配制材料主要有Ⅱ级粉煤灰和PC32.5水泥。为保证采空区的充填扩散效果，同时确保结石体的抗压强度，需要在漿液中掺入适量的骨料，骨料掺入比例需根据钻孔及钻孔窥视结果确定。根据现场实际情况，选用中粗砂+豆石（0～5 mm）作为浆液投放骨料。

3.3.2 钻孔布置

钻孔分为帷幕和充填注浆两种，孔深为47 m，左右两边各布置一排帷幕孔，中间布设两排注浆孔，充填注浆孔的排距为15 m，帷幕孔的排距为42 m，充填注浆孔和帷幕孔的纵向间距为18 m。钻孔顺序为先帷幕后充填注浆孔。钻孔直径为146 mm，当钻至稳定基岩3 m以下时，在成孔孔内下放直径为114 mm的套管，套管与钻孔孔壁之间采用纯水泥浆封闭。待水泥浆终凝后，将直径为91 mm的钻头继续进行钻孔。当钻孔达到煤层底板1 m以下时，停止钻孔，然后进行注浆施工，见下页图5。

3.3.3 注浆施工

先进行帷幕孔注浆施工（注浆压力为0.5～1.0 MPa），帷幕孔钻注结束后，再进行充填注浆孔钻注。投砂量宜为注浆总量的40%，当孔口起压后，应该立即停止投砂。单孔最大注浆量约为337 m 3。当注浆泵的压力达到1 MPa以上、注浆量<50 L/min且持续时间>15 min以上时，即可停止注浆。充填注浆孔的注浆量达到设计最大值时，即可停止注浆施工。

4 工后效果检测

采用钻孔检测及物探相结合的方式，对该路基治理段进行了质量检测（见图6和表3）。从图6中可以对比看到：经注浆充填后，钻孔在采空区得到了较为完整的注浆结石体，采空区裂隙和空洞得到有效充填，空洞顶板和注浆填充体相互之间接触良好，地基的工程特性得到有效提升，其天然状态的平均抗压强度为17.5 MPa，饱和状态的平均抗压强度为17.2 MPa，孔内注浆段的平均剪切波速度均>250 m/s，满足工程建设和运营的相关要求。

5 结语

（1）煤层回采结束后，竖向沉降变形量为2.25 m，采取充填注浆后沉降变形量仅为0.144 m。随着路面荷载的逐渐增大，沉降变形逐渐增加，开采加载情况下，地表沉降对荷载的敏感性较高，充填注浆后，地表沉降量对路面荷载的敏感性明显降低。

（2）通过计算分析，得到该采空区的治理范围为68.7 m，充填注浆量为78 908.9 m 3，并从钻孔施工和注浆施工等方面对注浆治理技术进行了分析。

（3）工后检测结果表明，采取充填注浆治理措施后，地基的工程特性得到有效提升，运营期间未发生大面积开裂和沉陷，表明治理效果较佳。

参考文献：

[1]侯常春.高层楼房地基下伏双层煤矿采空区治理方法[J].西部探矿工程，2019，31（8）：11-15.

[2]任琴雪，牛鹏飞.水工隧洞穿越煤矿采空区处理措施的研究与应用[J].山西水利科技，2019（1）：15-19.

[3]刘占梅.虎头石煤矿土地整理地表沉陷稳定性评价[J].地质灾害与环境保护，2019，30（2）：101-106.

[4]王欣文.西峪煤矿采空区公路滑坡的稳定性分析和工程治理[J].工程建设与设计，2019（9）：94-96.

[5]陈明刚，李贤飞.煤矿采空区地表稳定性评价探究[J].江西煤炭科技，2019（3）：149-151.

[6]安文伟.煤矿采空区稳定性分析与研究[J].煤矿现代化，2019（6）：116-118，121.

[7]唐鹤鸣.大型缓倾煤矿采空区稳定性评价研究[J].岩土工程技术，2019，33（4）：202-207，217.