淺談榆神供水工程北線輸水隧洞穿越煤礦采空區(qū)處理

權(quán)紅娟

(水利部陜西水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西西安 710001)

榆神供水工程是一項跨流域的大型引水工程，該工程是調(diào)引天橋巖溶水及榆林府谷東部黃河漫灘水向榆神工業(yè)區(qū)(神木縣)供水。各水源地的水通過管道收集至崇塔溝，再經(jīng)過四級加壓輸送至榆神工業(yè)區(qū)。北線輸水線路總長94.24 km，沿線布置水工建筑物22座，其中隧洞8座(總長90 km)、倒虹7座、暗涵3座、加壓泵站4座，設(shè)計凈揚程403.71m，總揚程438.13m。隧洞位于黃土梁峁溝壑區(qū)與沙漠區(qū)過渡地帶，圍巖類別以Ⅳ類為主，局部有Ⅲ類和Ⅴ類，工程設(shè)計流量為8.0m3/s。其中6#隧洞有6.3 km穿越采空區(qū)，采空區(qū)位于隧洞洞頂130～190m以上、8#隧洞有1.698 km穿越采空區(qū)，采空區(qū)位于隧洞洞頂0.3～1m。隧洞為鋼筋砼無壓隧洞，橫斷面形式采用圓拱直墻型，成洞尺寸2.5×3.2m(寬 × 高)，開挖斷面為3.6 ×4.15m，直墻高2.46m，圓拱中心角 122.69°，圓拱半徑為 1.422m。

1 采空區(qū)現(xiàn)狀及穩(wěn)定性分析

1.1 采空區(qū)現(xiàn)狀

6#隧洞全長 38.251 km(樁號 16+199.81～樁號 54+451.31)，沿洞線布設(shè)的煤礦有府谷縣金宏灣煤礦、府谷縣府榆煤礦、七里廟三礦等七家煤礦。其中沿洞線已開采長度有6.3 km，平面延伸一般在800～160 0m，開采煤層底高程1 130～1 180m，隧洞頂板高程997～988m，采空區(qū)位于隧洞洞頂130～190m。其它段局部有壓煤現(xiàn)象。

8#隧洞全長 25.254 km(樁號 66+391.50～樁號 91+645.90)，沿洞線布設(shè)的煤礦有府谷縣膠泥圪撈煤礦、三道河涼水井煤礦、沙渠煤礦等八家煤礦。其中沿洞線已開采長度有1.698 km，平面延伸一般在300～2 600m，開采煤層底高程1 087m左右，隧洞頂板高程1 085.7～1 086.7m，采空區(qū)位于隧洞洞頂0.3～1m。其它段局部有壓煤現(xiàn)象。

1.2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

根據(jù)資料統(tǒng)計6#隧洞采空區(qū)均位于隧洞洞頂130m以上，借鑒高速公路隧洞穿越煤礦采空區(qū)的有關(guān)經(jīng)驗，隧洞縱向受影響范圍為6.5 D，橫向受影響范圍為3 D，本工程隧洞開挖洞徑D=3.6m，即縱向影響范圍為23.4m。同時根據(jù)煤炭行業(yè)經(jīng)驗，采空區(qū)位于隧洞洞頂20m以上，不會影響隧洞的運行安全。所以判斷6#隧洞采空區(qū)對本工程輸水安全無影響，本文不再論述。

8#隧洞采空區(qū)全長1.698 km，平面延伸一般在300～2 600m，平均開采厚度為3～4m，其它具體資料見表1。

表1 8#隧洞采空區(qū)參數(shù)

由8#隧洞采空區(qū)參數(shù)表知，隧洞高程與3段采空區(qū)底板高程基本一致，采空區(qū)埋深較淺(局部25m左右)，開采方式為全跨落法開采。該段隧洞上覆巖層厚25m左右，巖石上為黃土及風(fēng)積沙層，巖石類別為Ⅳ、Ⅴ圍巖。地下煤層未開采之前，巖石在地殼內(nèi)處于自然應(yīng)力平衡狀態(tài)。隨著地下煤炭資源的采出，地表深處形成采空區(qū)而使上覆巖層內(nèi)原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，從而造成巷道周圍巖石的破壞和移動。采空區(qū)直接頂板巖層在自重及其上老頂巖層作用下，逐層由深到淺發(fā)生破壞變形，形成冒落帶、裂縫帶、彎曲帶等，根據(jù)煤炭專業(yè)經(jīng)驗，采空區(qū)冒落帶高度約為采高的3～5倍，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度一般為采高的18～24倍(含冒落帶高度)。

據(jù)官方資料，采空區(qū)內(nèi)幾乎每間房都有大大小小的裂縫，有些采空區(qū)上地表裂縫有一拳頭寬，且近幾年來由于榆林煤礦采空區(qū)引起的地震也時有發(fā)生，地震發(fā)生后有些地方地面塌陷成一個大盆地，塌陷深度有2m左右。

2 隧洞穿越煤礦采空區(qū)的處理

2.1 采空區(qū)范圍確定

采空區(qū)位于隧洞上方，且當(dāng)隧洞頂板巖層厚度大于采空區(qū)底板松動帶(根據(jù)經(jīng)驗松動帶深度為5m)深度加2倍洞徑時，隧洞不做特殊處理，但施工時需加強支護措施;反之需采取特殊工程措施解決。根據(jù)本工程具體情況，全線共有1.698 km位于采空區(qū)影響范圍帶內(nèi)，且洞頂與采空區(qū)底板凈距很小，對該種情況應(yīng)做特殊處理。

2.2 采空區(qū)處理措施

由于目前水工隧洞的采空區(qū)處理方案在國內(nèi)尚無規(guī)范可遵循，本工程隧洞穿越采空區(qū)處理方案主要借鑒國內(nèi)高速公路隧洞過煤礦采空區(qū)處理方法，即采用全充填式注漿結(jié)合襯砌相配合方法:在隧洞地表鉆孔，將水泥粉煤灰漿液注入受護范圍內(nèi)采空區(qū)及上覆巖體裂隙中，漿液固化后巖石形成整體，再進(jìn)行隧洞開挖，開挖后進(jìn)行隧洞襯砌。

2.3 隧洞受護范圍

隧洞的受護范圍包括受護對象和安全保護帶，受護對象為隧洞兩側(cè)開挖線以外各1m范圍內(nèi)(本工程開挖寬度3.6m)，參考其它工程經(jīng)驗，安全保護帶寬取15m，即本工程受護范圍取隧洞中心線向兩側(cè)各17.8m(取18m)，總受護寬為36m。

2.4 注漿設(shè)計

注漿設(shè)計包括采空區(qū)的處理長度、寬度、深度，根據(jù)地質(zhì)資料及采空區(qū)相關(guān)資料推算采空區(qū)空洞體積，計算注漿量，根據(jù)注漿量布設(shè)注漿孔。

2.4.1 采空區(qū)處理長度確定

由于本工程采空區(qū)均為老礦區(qū)，且開采方式基本為全垮落法開采，根據(jù)對采空區(qū)的綜合分析，本采空區(qū)長度為沿線隧洞受影響的采空區(qū)全長1.698 km向兩側(cè)分別延伸一個受護范圍寬36m，即總處理長度為1.77 km。

2.4.2 采空區(qū)處理寬度

由于本工程采空區(qū)高度基本與隧洞開挖頂高程重疊，所以擬采空區(qū)處理寬度同隧洞受護范圍36m。

2.4.3 采空區(qū)處理高度

處理高度為采空區(qū)跨落帶與導(dǎo)水裂隙帶高度之和，同時考慮煤層開采對底板的破壞，底板處理深度根據(jù)已有工程經(jīng)驗取地板以下5m。根據(jù)煤炭專業(yè)經(jīng)驗，采空區(qū)冒落帶高度約為采高的3～5倍，采高約為4m，即冒落帶高度為12～20m，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度一般為采高的18～24倍，但該段隧洞頂上覆巖層厚25m左右，巖石層以上為黃土及風(fēng)積沙層，黃土層不存在導(dǎo)水問題。故采空區(qū)處理深度只能為洞頂巖石層(25m)和洞身及洞底松動帶(9.2m)，即處理深度約為35m。采空區(qū)處理圖見圖1。

2.4.4 采空區(qū)空洞體積分析及注漿量計算

空洞體積為擬處理采空區(qū)的煤層體積乘以回采率，減掉采空區(qū)因頂板跨落而引起的變形量。根據(jù)有關(guān)資料，開采較早的煤礦由于生產(chǎn)力低下，回采率僅為50%左右。變形量根據(jù)工程經(jīng)驗、地表變形等有關(guān)資料綜合分析確定為60%。

依據(jù)采空區(qū)回采率、變形量計算空洞體積;依據(jù)采空區(qū)的空隙體積、漿液的充填率和結(jié)石率計算采空區(qū)注漿所需漿液體積。計算公式如下:

式中:V空為采空區(qū)空隙體積，m3;V漿為采空區(qū)注漿體積，m3;S為采空區(qū)面積，m2;h為煤層厚度，m;α為回采率;α1為已發(fā)生的變形量;A為漿液損耗系數(shù);1.1;η為注漿漿液對采空區(qū)及其上覆巖層中裂隙的充填率:1.0;η1為注漿漿液的結(jié)石率;1.0

經(jīng)計算采空區(qū)空隙體積、注漿體積見表2。

表2 采空區(qū)空隙體積，注漿體積計算成果表

2.4.5 封邊孔注漿量計算

封邊孔注漿量單孔注漿量計算:V單=AπR2ha(1－a1)η/η1。式中:V單為單孔注漿量，m3;R為擴散半徑，取孔距的一半;2.5m。其它符號意義同前。

通過計算單孔注漿量為17.3m3。

2.4.6 注漿孔布置

在隧洞的兩側(cè)，沿受護范圍邊線，布設(shè)封邊孔，孔距5m，漿液配合比參考高速公路采空區(qū)處理經(jīng)驗及當(dāng)?shù)夭牧先?水:水泥:粉煤灰=1:0.4:1.6，由于封邊孔以外采空區(qū)范圍很大，為了防止?jié){液流失，在漿液中添加速凝劑;封邊孔之間布設(shè)灌漿孔，灌漿孔縱橫向間距均為10m，為了確保漿液能有效填充孔周圍裂隙，灌漿孔梅花形布置，漿液配合比:水:水泥:粉煤灰=1:0.24:0.96。封邊孔及灌漿孔設(shè)計深度為地面至洞底以下5m，注漿深度為洞頂以上基巖面至洞底以下5m。具體布置見圖1。

圖1 采空區(qū)處理圖

3 結(jié)論

通過對采空區(qū)變形穩(wěn)定分析，同時參考高速公路煤炭采空區(qū)處理的工程經(jīng)驗和煤炭專業(yè)設(shè)計人員的咨詢，對榆神供水工程北線輸水隧洞穿越煤礦采空區(qū)處理，采用針對性的全充填式注漿方法。由于現(xiàn)階段水工隧洞的采空區(qū)處理方案在國內(nèi)尚無規(guī)范可遵循，文中的很多理論及方法，依據(jù)的是高速公路穿越煤礦采空區(qū)的成功處理經(jīng)驗。期待隨著科技的發(fā)展，能提出更有效、更經(jīng)濟的處理措施。

［1］建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程，2000.