阳泉西环高速公路下覆煤矿采空区的处置设计案

　　1. 工程地质采矿条件

　　阳泉西环高速公路沿线有5段采空区的沉降变形尚未完成，其持续变形对拟建高速公路产生极大危害，为确保高速公路的安全运营，必须采取工程措施进行治理。文中以阳泉西环高速公路的K1+100～K2+400路段为例说明处置方案。

　　K1+100～K2+400路段经9#和15#煤层采空区，9#煤层平均厚2m，长壁式开采，矿井回采率为15%;15#煤层平均厚6m，平均埋深134m，煤层倾角7°，长壁式开采，采宽150m;矿井回采率约30%，剩余孔隙率约为30%。采深采厚比22～67，地面欠稳定，容易出现塌陷;采宽采深比1.1，煤矿为不充分采动，局部会发生塌陷。该路段路表已出现波段沉陷、裂缝等现象，经综合分析计算，该采空区欠稳定，对路线影响较严重，需治理。

　　2.采空区空洞治理范围的确定

　　2.1 采空区治理长度

　　采空区治理长度为采空塌陷区沿路线延伸方向的边界所确定的长度。

　　2.2 采空区治理宽度

　　公路横向上采空区的治理宽度采用公式，水平岩层采用：

　　L=D+2B+2(H1*ctgφ+H2*ctgβ)，

　　其中，L——垂直公路轴线的水平方向的治理宽度(m);

　　D——公路路基底面宽度(m);

　　B——路基围护带一侧的宽度(m)，(一般路基取10m，桥梁取20m);

　　H1——松散层厚度(m);

　　H2——覆岩厚度(m);

　　φ——松散层移动角，取值45°;

　　β——岩层移动角，取值68°;

　　2.3 采空区治理深度

　　采空区处治深度为地面至采空区(或煤层)底板以下不小于3m。

　　3.采空区空洞体积和注浆量的确定

　　3.1 采空区空隙体积的确定

　　采空区空隙体积即煤层被采出后，原空间经塌陷冒落岩块充填后剩余的空隙。

　　采空区空隙体积采用公式为：V=S×H×K-ΔV;

　　其中，S——采空塌陷区面积(m2);

　　H——煤层厚度(m);

　　K——采取率;

　　ΔV——截至目前已沉降变形的垮落岩石碎胀所重填的体积(m3);

　　3.2 采空区注浆量

　　本项目根据公式Q总=A×V×η/C确定，其中，A为注浆量总量浆液损耗系数，取值在1.0～1.5之间;η为浆液重填系数，取值在0.75～0.95之间，该值宜根据公路工程的性质确定，对于路基范围内的采空区取值在0.75～0.85之间，对于构筑物范围的采空区取值在0.85～0.95之间;C为浆液结石率，取值在0.70～0.95之间，一般由试验确定。

　　经上述公式计算，K1+100～K2+400路段内的采空区的注浆浆液体积为120007m3，其中路基注浆浆液体积为80354m3，桥梁注浆浆液体积为39653m3。

　　4.注浆孔的设计

　　4.1 钻孔布设

　　注浆孔和帷幕孔的排距、孔距设计一般经现场试验确定。本工程综合考虑了采煤方法、覆岩地层结构及岩性、煤层采出率、塌落带和裂隙带以及经验设计。在公路轴线布置1排，孔距20m(桥梁在墩台中心置位布孔)，采空区左右两侧治理边界各布设1排帷幕孔，孔距为20m，其余注浆孔排距20～35m，孔距25m。注浆孔位置如图1;

　　图1 注浆孔平面布置图

　　Figure 1 The layout plan of grouting hole

　　注浆孔的设计深度为地面至15#煤层或采空区底板以下0.5m(能确认层位即可)的深度，注浆孔的注浆长度为采空区最上部完整基岩顶面以下5m至15#煤层或采空区底板，孔口管长度为地表之上1m至完整基岩5m处的深度。纵断面布置图详见图2。

　
　图2 采空区注浆孔纵断面图

　　Figure 2 The sectional drawing of grouting hole

　　4.2 浆液配合比设计

　　根据以往经验和当地材料供应情况，确定注浆浆液为水泥粉煤灰浆，其水固比为1:1.0～1:1.4。一般路基段水泥占固相的15%，粉煤灰占固相的85%;在桥梁段水泥占固相的30%，粉煤灰占固相的70%。这种浆液配合比已经考虑了受采空区充水影响的情况。

　　帷幕孔需根据具体情况，采用较稠的浆液或在浆液中掺加一定量的速凝剂(水泥重量的2%)，使注入采空区的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。

　　5.注浆工艺设计

　　5.1 施工工艺及要求

　　本项目注浆施工从定点到注浆结束，可见施工工艺流程图图3。

　　
图3 施工工艺流程图

　　Figure 3 Process flow diagram of construction

　　施工过程中需注意的几个参数：1)定点时，钻孔实际位置原则上不应超过设计位置的0.5m;2)成孔时，用φ127mm钻头开孔，钻至完整基岩6m后，下入φ114mm套管或焊管护壁，然后变径为φ91mm。在第四系卵、砾石层的钻探过程中采用跟管钻进。用φ89mm钻头，钻至煤层采空区中的塌陷冒落带或煤层底板以下1m。

　　5.2 注浆工艺及其参数

　　采空区治理中注浆是尤为关键的一步，尤其注意：

　　1)施工顺序：按采空区的倾斜方向，先施工采空区底板标高较低位置的注浆孔及构造物工点处的注浆孔，再沿倾斜方向由低向高、由边部向中心展开施工，钻孔分二序次进行。

　　2)注浆过程：注浆时，应避免在短时间内注入大量的水泥粉煤灰浆，当注浆量较大时，应采用间歇式注浆法施工，或在孔口加一漏斗状的投砂器，用浆液将砂或石屑带入孔内，或在浆液中加入水泥重量2%的速凝剂。

　　3)单孔注浆结束标准：在灌浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当泵量小于70L/min时，根据结构物类型和采空区特征，孔口压力在1.0～3.0MPa，稳定10～15分钟，可结束该孔的注浆施工。

　　4)注浆技术的其他指标及参数：注浆及间歇注浆前必须用清水洗孔，压水时间不得小于10分钟;稀浆灌注量取单孔注浆量的30%为宜。

　　6. 结语

　　本项目工作合理的确定了采空区治理范围，施工工艺及采空区注浆量，使地基能有效的承受公路和车辆荷载，保证公路的安全运行。

　　采空区治理还需做好施工过程中的质量检测、变形观测和施工结束后的处置效果检测。

　　采空区治理前应要求沿线正在生产或准备生产的矿井给拟建高速公路留设足够的保安煤柱并严禁越线开采，以确保公路路基的稳定及构造物的安全。

　　参考文献：

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