道路穿越煤田采空區預留煤柱的技術措施研究

張 勝，夏炎早，侯文韜

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 前言

隨著社會經濟的發展和城市的擴張，部分礦產被開采后留下的采空塌陷區已經被城市建成區包圍。為了開發和利用廢棄礦區老采空區土地，提高礦區土地利用率，緩解礦區土地資源緊缺的矛盾，開展采空沉陷區土地資源的開發和利用工作已經迫在眉睫。城市道路作為土地利用的先期基礎設施，如何確保其在采空區建設的安全和穩定無疑就成為一項需要重點研究的課題。

1 研究現狀

采空區路基是一種特殊的路基，但目前國內外并沒有關于公路采空區處理的專門的規范規程，相關規范中并未進行明確和詳細的規定，甚至很少有規范涉及該問題。

近年隨著高速公路的大量興建，我國在采空區路基方面的研究也陸續開始起步，對采空區問題進行了一定的研究和探索，但理論基礎和研究手段均不完善，以工程經驗積累為主，以淺層采空區治理居多，國內外也沒有形成專門針對高等級道路下伏采空區處治質量和效果檢驗的技術標準，部分工程浪費現象嚴重，甚至留下工程隱患。

2 治理方案及適用情況

道路穿越采空區在不同情況下可采用的治理的方法如下：

（1）對于沉陷尚未穩定的采空區、經過經濟技術評價和風險評估后認為穿越代價過大或風險過高的采空區，可采取路線繞避或暫緩修建的方式，待條件成熟后再建設。

（2）對于沉陷已經穩定的采空區，當屬于埋深小于30m的淺部采空區時，一般采取開挖回填、網格板墊層、注漿充填、灌注樁支撐、表部加固加深部注漿等方式；當屬于中深部采空區（30～100 m）時，一般采用全注漿充填法或覆巖結構加固補強法；當屬于超深部采空區時則一般采用注漿充填法。

（3）為方便煤礦生產和運輸，部分煤礦在開采時預留了煤柱和巷道。道路穿越煤田采空區時在預留煤柱修筑道路技術上較為可行，相對較為安全。預留煤柱的寬度和煤柱的地質條件決定了可以修筑的道路等級及路幅寬度，對道路寬度超出煤柱穩定區的部分，可通過注漿和提高路基整體穩定措施來確保路基的穩定。

本文通過烏魯木齊外環路東北段穿越六道灣煤田采空區的工程實例，介紹了道路穿越煤田采空區預留煤柱路段確保路基抗變形措施的方法、注漿處理的技術和檢測路基抗變形效果的檢測方案等。

3 工程實例

烏魯木齊外環路東北段道路工程位于烏魯木齊市區東北角，起點為現狀東外環高架道路落地引道，終點至蘇州路南湖路路口與已建高架道路相連，規劃線位經比選后仍需穿越六道灣煤田采空區，穿越采空區段長約1 050 m。該項目的建成，將完成烏魯木齊外環路的全線貫通，在烏魯木齊的路網中具有重要的地位和作用。

3.1 地質狀況

在外環路東北段K9+350-K10+400段，自南向北分布有侏羅系西山窯組（J2x）B1-B33煤層，煤層傾向為 330°、-360°，走向近東西，傾角 65°、-70°，煤層露頭均與上覆第四系地層（厚度小于10 m），呈角度不整合接觸。煤層采空區主要為神華新疆能源公司六道灣煤礦采空區，采空區是近東西向分布于擬建場地中部，寬約700～800 m，開采深度、開采規模、開采范圍均較大，開采煤層主要為侏羅系西山窯組煤系地層中的26層煤。

在煤礦采空區路段，現地面高程為海拔810～825 m，煤礦已開采至540 m高程，分三個水平開采層分期開采，每層采高約100 m，其間為厚約10 m的水平煤柱。每一水平層開采完畢后，采用放頂垮落法處理采空區。至確定道路方案時，該煤礦第一水平層（高程750 m以上），第二水平層（高程650～750 m），已開采完畢，并整體放頂垮落完畢。六道灣路西側井田已停止開采，東側正在進行第三水平層（540～640 m）開采。局部已開采至475 m高程。煤礦已于2010年停采。

經對路線的綜合比選，確定外環路東北段從現有六道灣路（寬約12 m）通過，六道灣路以下為煤礦建井時建的中央石門位置（主巷道），且六道灣路是該煤礦主要出入道路，根據國家采煤相關規范規定，煤礦在現六道灣路面以下位置預留了安全保護煤柱。

該煤柱分布于六道灣路之下，從地面至高程650m處，煤柱寬130m，斷面呈矩形，高程540～650 m段，煤柱斷面呈梯形，寬度自130 m至250 m，呈65°角放坡。該煤柱內分布有六道灣煤礦中央石門，為南北向分布的三層煤礦運輸主巷道，即分別位于高程750m、650m、540m處，巷道斷面呈拱型,寬約4 m，拱頂高約3 m，均已進行砌襯，其中650 m、750 m處為片石砌襯，540 m處巷道為錨噴支護，3條巷道運行時間15～50 a不等，均處于穩定狀態。

3.2 穩定性評價

根據六道灣煤礦多年沉降觀測資料，確定采空區影響范圍，該觀測資料表明，采空區破壞邊界、變形邊界、穩定邊界取決于采空區頂、底板（走向邊界煤層）的破壞角、變形破裂角和穩定角及采空深度。

根據觀測資料結果，采空區頂、底板破壞角分別為34°、66°，采空區頂、底板變形破裂角分別為30°、64°，煤層走向破壞角為 85°、變形破裂角為70°，采空區頂、底板穩定角分別 29°、60°，煤層走向穩定角為67°，詳見圖1所示。根據各角度不同，將受采空區影響范圍分別劃分為破壞區、移動區、變形區、穩定區。

根據上述評價模式，現有煤柱地表均為移動區和變形區，完全穩定區位于地表下約17 m處，具體破壞移動區、變形區、穩定區在現有斷面上的分布情況見圖2所示。

圖1 采空區穩定性評價模式

圖2 采空區中央煤柱示意圖

3.3 治理方案

該工程設計階段對穿越采空區段進行了多方面論證，考慮到采空區沉陷已經穩定，在分析了繞避方案、采用橋梁結構跨越方案、營運后維修等方案的可能性和經濟性后，考慮到現有安全煤柱寬度130 m，大部分處于移動區和變形區，即發生坍塌、冒落等突然變化的可能性較低，主要表現為緩慢的、長期性的變形和移動，最終確定路線從預留煤柱上穿越采空區。穿越采空區路段為地面快速路加兩側輔道，路幅寬度為47.5 m，位于預留煤柱的移動區內，且淺層存在少量采空區。治理方案采用注漿方案，將煤柱移動區內裂隙和淺層采空區填充加固，加強其整體性；并結合路基采取抗變形措施的綜合方案。路基抗變形措施經比選采用鋪設1.2 m天然級配砂礫加3層土工格柵的方案。

3.4 注漿處理

注漿處理需研究解決漿液配合比和注漿工藝及設計參數。

3.4.1 漿液配合比試驗

根據該工程的巖土工程條件，尤其是預留安全煤柱巖體破碎情況，注漿目的以固結注漿為主，確定注漿漿液為純水泥漿，同時添加部分添加劑，改善漿液性能。在漿液配合比室內實驗階段，選用52.5R、42.5R普通硅酸鹽水泥、G級中抗硫酸鹽油井水泥作為巖體灌漿加固材料進行比較。同時對添加劑采用水玻璃、膨潤土加減水劑、纖維素進行比較，并采用不同的水灰比進行對比試驗。

漿液配合比試驗根據漿液流動度、結石率、抗壓強度、初凝時間和終凝時間等技術指標綜合判定。經61組穩定漿液配合比試驗結果對比，發現三種水泥比重差別不大，52.5R普通硅酸鹽水泥漿液的粘度高于其他兩種水泥漿液，凝結時間也小于其他兩種水泥；G級中抗油井水泥漿液的流動度最大，這是由于它的細度最小造成的；結石率方面52.5R普通硅酸鹽水泥漿液和42.5R普通硅酸鹽水泥漿液差別不大，均高于G級中抗油井水泥漿液；在強度方面3種水泥漿液強度均大于5.0 MPa,滿足穩定漿液要求。但使用42.5R普通硅酸鹽水泥作為注漿漿液主要材料，僅材料費即可節約約30%。水灰比由0.6∶1到1.5∶1變化時，漿液的流動度、凝結時間遞增，而粘度、比重、結石率、抗壓強度遞減。在相同品種水泥，相同水灰比的條件下，以水玻璃為外加劑的漿液其結石率明顯高于其他外加劑的漿液。

根據上述試驗結果，最終確定以42.5R普通硅酸鹽水泥為主要材料，水灰比1∶1，添加劑為3%水玻璃的漿液為現場注漿漿液配合比。同時為避免漿液往加固區兩側擴散的無效加固，在兩側增設帷幕注漿孔，使用水灰比為0.9∶1的以42.5R普通硅酸鹽水泥為主要注漿材料的漿液為帷幕孔注漿漿液。

3.4.2 注漿試驗

室外試驗工程針對不同煤層分布選定3塊試驗場地分別進行了現場注漿試驗。在試驗過程中，根據注漿處理方案要求，對需通過試驗確定的各個方案、方法和設計參數，均進行了對比試驗，同時進行了施工工藝試驗，確定如下注漿的主要工藝和參數:

（1）注漿孔平面布設時，應在最外側布設兩排帷幕注漿孔，其余鉆孔為充填固結注漿孔。

（2）治理寬度78m，其中兩側安全寬度各15 m。注漿孔孔距為6.0 m，等邊三角形布設。治理深度從現狀地面標高起始，最小處理深度為40 m，最大處理深度為55 m。

（3）注漿方法采用自下而上分段純壓式注漿和孔口封閉純壓式注漿相結合的綜合注漿法。

（4）注漿分段長度為10 m，必要時可合并注漿段直至采用孔口封閉式注漿。

（5）注入率為 70～100 L/min。

（6）各注漿段終止注漿條件為：對帷幕注漿孔，注漿段的注入率為70～100 L/min時，注漿壓力達到設計壓力并維持10 min，結束注漿；對充填、固結注漿孔，注漿段的注入率為70～100 L/min時，注漿壓力達到設計壓力并維持15 min，結束注漿；距注漿孔口3.0 m以遠冒漿，結束注漿；各類注漿孔，注入率控制為70～100 L/min，當注漿段的孔口注漿壓力陡升，超過設計壓力值后，難以維持穩定，繼續上升，可直接結束該段注漿。

3.5 檢測和監測

對注漿效果的檢測一般可采用高密度電法、綜合探管測井、聲波測井、檢查孔鉆孔取芯壓水試驗等檢測方法。試驗研究結果表明，檢查孔鉆進取芯是注漿質量檢測中最有效、最直觀、最權威的手段，是其他檢測方法的基礎。地球物理測井可以有效地判斷注漿施工質量，是注漿施工質量檢測的有效手段。其中縱波波速、密度和巖體強度指數與注漿質量相關性較大。而高密度電法和壓水試驗做為注漿質量檢測使用效果并不明顯，并不適宜。

根據現行國家規范相關規定，結合國內外類似工程經驗，確定本工程質量檢測頻率為注漿孔總數的3%。

在采用路基抗變形處理方案處理的路段，設置地面水準觀測網和鉆孔巖體變形監測網。水準觀測網沿道路每50m設置2點，分別布設在道路機動車道上。監測鉆孔布設在道路綠化帶內，每150m布設1組，鉆孔深度65 m。在鉆孔中埋設巖體變形觀測儀，定期觀測巖體變形和路面沉降情況。

4 結語

烏魯木齊外環路東北段已經建成通車，工程施工時按設計要求布設的監測網也開始了監測。經過通車后近一年的運營和監測，未發現路基及預留安全煤柱巖體發生不利于道路運行安全的變形，說明該工程采用的治理措施和手段是有效的。

[1]童立元,劉松玉,邱玨.高速公路下伏采空區危害性評價與處置技術[M].南京：東南大學出版社，2006.

[2]孫忠弟.高等級公路下伏空洞勘探、危害程度及處治研究報告集[M].北京：科學技術出版社，2000