多煤層采空區注漿加固設計與施工

陳利生

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

多煤層采空區注漿加固設計與施工

陳利生

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

多煤層采空區屬于隱蔽性工程，其結構復雜、穩定性差，若在其上方興建建筑物尤其是高層建筑物時必須采取一定的治理措施，在治理之前首先應對其可行性進行專題論證，進而在論證的基礎上合理組織設計與施工。結合工程實例，對多煤層采空區治理工程中涉及到的問題進行了較深入的研究:結合地質采礦資料并運用鉆孔探測技術，對地基穩定性進行了分析評價；確定了注漿方案、注漿范圍以及注漿孔孔位布置；在施工工藝方面對漿液材料配比、注漿段劃分、漿液擴散半徑以及注漿壓力等參數進行了分析研究；最后運用鉆探和物探技術對注漿效果進行了檢測分析，并結合概率積分法，對各項地表殘余變形參數進行了預計。結果表明：此次注漿達到了預期目的，為地表建筑物的安全運行提供了保障，可為其他類似工程提供一定的參考與借鑒。

多煤層采空區 穩定性分析 注漿設計 施工 效果檢測

近些年來，隨著城鎮化趨勢的快速發展和工業經濟水平的不斷提高，土地需求與土地資源緊缺之間的矛盾日益突出，在許多工業化程度高及人口密集的城市土地緊缺問題已成為制約城市發展的瓶頸[1-3]。尤其在礦業型城市，本來土地資源數量有限，加之資源的開發利用，使原本有限的土地大面積被破壞和占用，鑒于土地資源的緊缺，許多礦業型城市不得不考慮將建筑物建在采空區之上，但采空區上方，尤其是多層采空區上方，建設項目地質災害治理難度大、任務重，目前還沒有統一、成熟的行業標準，因此對此方面治理工程進一步研究探討有著重要的意義。本研究結合工程實例對多煤層采空區的注漿加固與施工進行研究探討。

1 工程概況

擬建廠址位于礦區工業廣場地帶，地下為多層采空區和保安煤柱，煤炭資源已開采枯竭，礦山已停采多年，井下保安煤柱資料情況不很詳盡，特別是解放前開采資料不多，雖采空區冒落沉降已基本完成，但采空區“活化”仍有可能。其具體條件如下。

地質構造：礦區位于煤田東端邊緣地帶，井田中間有2條北東向小型斷裂將礦區分為5個塊段，并有多條羽狀小斷層存在。擬選廠址處在上述2斷層之間地段，該2斷層不屬區域性構造，亦非全新世活動斷裂，對廠址穩定性的影響不大。

煤層及采空區：擬建廠區下方共有12層煤，其中可采煤層為5層，自上而下分別是4，6，7，8，10號煤層，煤層傾角依次為19°，19°，11°，19°，12°，平均采厚依次為1.3，2.2，1.3，3.1，1.5 m,最小采深依次為210，230，300，240，250 m。

水文地質條件：廠區地下水水位變化較小，且淺部地層含水性處于很濕或飽和狀態，因此地下水疏降對地表建(構)筑物地基變形的影響可不考慮。另外，場地賦存的上層滯水，水質良好，對簡易鋼結構廠房不具腐蝕性。

2 采空區現狀分析

由于本工程建筑物最高為6層，建筑荷載載荷較大，對地基穩定性要求較高，手頭掌握的圖紙資料不足以說明地下實際情況，所以非常有必要對重要建構筑物區域深部巖層與老采空區現狀進行鉆探分析，進而掌握采空區及其覆巖的破壞情況，為后期老采空區地基的加固治理設計提供可靠的依據[4-6]。根據地質采礦條件，結合地面建筑物擬建位置，共布置了7個勘察孔，其中車間處4個，辦公樓處2個，服務中心處1個。為了直觀掌握勘察孔內巖層的破碎情況，利用彩色鉆孔電視系統對7個勘察孔的老采空區巖層現狀進行了觀測分析。

通過對1～7號勘察孔鉆孔電視觀測資料進行分析，對擬建廠址老采空區上覆巖層的現狀以及老采空區的冒落狀況有以下認識：服務中心(1號勘察孔)區域下覆巖層破碎，且有冒落老采空區分布；辦公樓區(2、3號勘察孔)在140 m深度以下，巖層的完整性較差，裂隙發育，裂隙主要為高角度縱向裂隙為主，有明顯受煤層開采的影響痕跡；生產車間區域(4～7號勘察孔)，在200 m深度以下，巖層完整性變差，有大量橫縱向裂縫出現，有破碎巖石出現且碎石間空隙較大，疑似進出垮落帶上部，特別是215 m深度以下有明顯的空洞、碎石存在，在外部荷載和地震等外力影響下，老采空區活化的可能性是存在的。

由上述勘查結果可知擬建廠區下方采空區及其覆巖結構復雜、穩定性差，在施加建筑荷載后易發生失穩活化，故為確保擬建建筑物的安全運行，必須對其進行注漿加固處理。

3 注漿方案總體設計

3.1 治理方案的選擇

結合鉆孔電視，利用勘察孔對采空區及其上覆巖層的破壞現狀進行了探測。結果顯示：擬建廠區下方采空區較多且連通性好，上覆巖層裂縫帶范圍較大，巖層松軟破裂，容易實現漿液均勻擴散，比較容易控制注漿范圍,故本次注漿加固治理采用分段下行式注漿充填法[7]。施工時應采取邊注漿邊檢測、間歇式反復注漿、必要時適當加密注漿孔布置的方法，盡量使采動裂隙充分得到充填加固，保證注漿質量。

3.2 注漿范圍的確定

根據理論計算，擬建廠區下方老采空區裂縫帶頂部距地表的最小深度為179 m。但在補勘孔施工過程中，根據鉆孔漏水情況與鉆孔電視實測裂隙發育情況分析，自115～135 m深度以下，巖層裂隙已開始與井下老采空區溝通，鉆孔沖洗液漏失，特別是生產車間位置，巖層受老采空區采動影響破壞位置距地表較淺，需要加強治理。

根據擬建建筑物的面積加上相應的圍護帶寬度確定受護邊界后，此次注漿水平方向治理范圍按沖積層移動角和基巖移動角采用垂直剖面法進行確定。縱向起始深度為115 m，縱向治理范圍為115 m至采空區煤層底板處。

3.3 注漿孔位布置

根據擬建廠址勘察孔的勘察結果及鉆孔布置情況，結合以往采空區治理實踐經驗，確定在治理范圍內注漿孔按均勻布孔方式布設，注漿孔間距為40～50 m。將原勘察孔轉為注漿孔，在治理范圍內共布置17個注漿孔。臨時車棚處結構簡單，抵抗變形能力強，故不作特別處理，注漿孔布置與建(構)筑物位置相互關系如圖1所示。

圖1 注漿孔布置與建(構)筑物位置相互關系Fig.1 The relationship of grouting holes and buildings (structures)

3.4 注漿量的確定

采空區加固注漿的注入量與采空區的高度、地層性質、采空區冒落狀況以及覆巖破壞情況有關，同一地區各孔相差也很大，準確預計注漿量存在一定困難[8]。但根據漿液有效擴散半徑、老采空區上覆巖層殘余空隙率等參數，可以估計出各注漿孔的最大需要注入量，經計算本次采空區治理工程平均單孔注漿量為1 764 m3，預計總的注漿量約為29 988 m3。

4 采空區注漿工程實施

4.1 注漿材料及配比

本著經濟合理、技術可行的原則，此次注漿選擇水泥、粉煤灰材料，其固相比(水泥與粉煤灰的比例)選為1∶3，注漿過程中，漿液的水灰比隨注漿時段的不同分為1∶1，0.8∶1，0.6∶1。初期注漿以稀漿為主，以利于漿液擴散。待掌握特點后，逐漸提高漿液濃度。

為確定注漿結實體的強度是否滿足實際要求，按規定對各配比的注漿結實體進行了強度檢驗，試塊強度變化如圖2所示。

圖2 試塊強度變化Fig.2 The strength changes of test blocks◆—漿液水固比1∶1；■—漿液水固比0.8∶1；▲—漿液水固比0.6∶1

注漿工程充填體強度測試主要是通過抗壓強度的測試，得出充填體的強度參數，設計要求漿液結實體單軸抗壓強度≥0.3 MPa，由試驗結果可知，結實體強度符合設計要求。

4.2 注漿參數的確定

4.2.1 注漿段劃分

勘察孔鉆探施工與鉆孔電視觀測的結果顯示，在孔深120～300 m的深度范圍內，巖層裂隙比較發育。為保證老采空區裂隙巖層加固質量，需要采取分段注漿方式，鉆孔鉆進一段，注漿一段，由外向里依次推進；終孔后，由下而上分段復注。根據以往注漿實踐經驗，確定注漿段高度為25 m。

4.2.2 注漿擴散半徑

漿液有效擴散半徑與注漿壓力、漿液稠度、漿液初凝的速度、注漿材料、注漿方法、空區充填壓實程度，以及注漿孔穿過或揭露采空區的不同部位等有關，一般應通過現場試驗確定[9-11]。漿液在采空區中的擴散距離一般為5～50 m。根據類似工程推測此類工程注漿設計的有效擴散半徑選擇25 m左右是合理的，充填效果較好，本次注漿孔注漿設計的有效擴散半徑為20～25 m。

4.2.3 注漿壓力

注漿壓力與注漿處的被注巖體結構、漿液黏度、凝膠時間長短等多個因素有關，很難確定一個統一的標準，一般通過現場注漿試驗確定，通常注漿壓力越大擴散半徑越大，注漿效果越好。鑒于采空區附近多為塌落堆積物且巖層破碎較為嚴重，故可適當降低注漿終壓，選為1.0～1.5 MPa。

4.2.4 注漿工藝及施工

采空區注漿工程的施工工藝一般工序：施工前的準備—施工注漿孔—建立注漿站—注漿系統耐壓試驗—鉆孔沖洗及壓水試驗—制漿注漿—觀測孔注漿工藝—觀測與記錄—注漿結束后的壓水試驗—關閉注漿系統—提取注漿塞—封孔—分析注漿效果。

上述工藝中注漿孔的施工在整個過程中起著至關重要的作用，其施工方法是：在地表沖積層階段，以開孔直徑鉆進至未風化基巖內部8～10 m，下直徑127 mm套管護壁；以下以120 mm直徑鉆進至120 m深度，灌注水灰比為0.6∶1 或更濃的加水玻璃的水泥漿，其水泥漿柱高度不小于8 m，下入直徑110 mm的止漿管，待水泥漿終凝或24 h后再變徑至91 mm鉆至第一注漿段設計深度，然后開始注漿。等該段注漿完畢、水泥漿終凝后掃孔并鉆至第二注漿段設計深度，進行下一段注漿。如此多次重復,直至注漿結束。

5 注漿效果檢測分析

為檢驗注漿效果是否達到預期目的，本項目選擇了鉆探與物探相結合的方法進行了效果檢驗，并在在檢驗的基礎上運用概率積分法，對注漿加固處理前后的地表殘余變形參數進行了對比分析，最終對本次注漿加固的效果進行評價。

5.1 鉆探檢測結果

檢查孔一般布置在巖石破碎或坍塌最嚴重的部位，同時也要兼顧漿液擴散半徑最小部位或注漿加固效果欠理想部位[12-13]。本次注漿效果檢測最終確定2個檢查孔，I號檢查孔設在1車間的南部，II號檢查孔設在服務中心大樓的東南部。

I號檢查孔設計深度為260 m，終孔深度為260 m。在鉆進過程中沖洗液有少量間歇性漏失，沒有出現大幅度沖洗液消耗現象，進尺比較正常。在246 m左右沖洗液攜帶上來大量粉煤灰，說明漿液已達到此處。II號檢查孔施工到155 m時沖洗液完全消耗，158 m處孔內開始少量返水，但是沒有發現見軟現象，在240 m左右孔內返出大量粉煤灰，說明注漿已涉及到該位置，該孔按照設計要求為取芯孔，實際取芯率為89%。2個檢查孔在鉆進過程中均未發現明顯的掉鉆、落鉆及異常進尺現象。結合鉆孔電視觀測可知，檢查孔附近區域巖層充填效果明顯，有大量注漿結實體存在的痕跡，驗證鉆孔的充填率達到85%以上。這說明注漿參數選擇合理，工藝可行，注漿達到預期目的。

5.2 物探檢測結果

根據注漿孔的分布情況及注漿范圍布設了3條測線，每條測線長度320 m，經觀測分析可知，注漿后測線中視電阻率值較注漿前相比有一定幅度的提高，相對低阻異常在視電阻率剖面上的范圍大幅度減小甚至消失，僅在一車間東南部存在小部分的低阻異常現象，由此說明經注漿加固處理后巖層均一性得到提高，達到了注漿的目的。

5.3 地表移動變形分析

注漿可以有效地抵抗和減小地表變形，但其不能絕對地防止地表變形，故注漿后地表仍存在一定程度的殘余變形，在進行建筑設計前為確保安全非常有必要對注漿后的采空區殘余變形參數進行預計分析[14-15]。根據部分礦區的現場實測研究結果分析，結合本礦地質采礦條件及地表移動特點，運用概率積分法對注漿前后采空區上方地表移動變形各個參數進行預計，預計結果如表1所示。

表1 注漿前后地表殘余變形參數最大值Table 1 Maximum surface residual deformation parameters before and after grouting

可見經過注漿治理后，項目區地表移動變形明顯降低，為廠房安全投產提供了保證。

由鉆探、物探資料以及概率積分法計算結果可知，通過注漿加固處理提高了老采空區上覆巖層裂縫區巖體的整體性，加強了上覆巖層的承載能力和抗擾動能力，有效地減小了地基在外載及其他因素影響下產生過大沉降和變形，將老采空區及其上覆巖層殘余變形對上方建(構)筑物的影響降低到了允許范圍內。

6 結 論

(1)多層采空區結構復雜、可預測性低，治理難度大，在對其進行穩定性評價時，宜準確掌握其地質采礦資料，對不確定及關鍵部位應結合鉆探或物探資料去驗證，根據實測資料合理選擇治理方案。

(2)在采空區上方建設大型工業建筑物和設施，已經有很多成功的實例。對本項目來說，其特殊之處是地下開采煤層較多，擬建建筑物荷載大。經對注漿效果的檢測證明：采空區進行注漿處理后，老采空區上覆破碎巖體得到一定的加固，其穩定性和承載能力得到加強，抗外載擾動能力提高，能夠大大提高地基穩定性，確保建筑物建成后的安全運行。

(3)由于多層采空區十分復雜，殘留煤柱、殘留巷道、煤層傾角等因素均有可能影響注漿漿液的流動和擴散，所以在檢查孔的施工過程中，仍然有可能出現掉鉆、異常進尺等情況。在檢查孔施工結束后，應利用鉆孔電視對上覆巖層裂隙充填情況進行進一步的確認，對遺漏或注漿效果不理想的部位應及時進行追加注漿。

[1] 張繼棟，崔 艷，白中科.土地復墾對礦區土地資源可持續利用的影響[J].金屬礦山，2010(12)：144-147. Zhang Jidong，Cui Yan，Bai Zhongke.Impact of land reclamation on sustainable utilization of land resources in mining areas[J].Metal Mine,2010(12)：144-147.

[2] 李樹志.我國采煤沉陷土地損毀及其復墾技術現狀與展望[J].煤炭科學技術，2014，42(1)：93-97. Li Shuzhi.Present status and outlook on land damage and reclamation technology of mining subsidence area in china[J].Coal Science and Technology,2014,42(1):93-97.

[3] 付 飛，張 健.城市化快速發展與土地資源有效利用的關系分析[J].城市發展研究，2010，17(9):1-3. Fu Fei，Zhang Jian.Rapid urbanization and the relationship between the effective use of land resources analysis[J].Urban Studies，2010，17(9):1-3.

[4] 王亞軍,賀江洪,閆鵬陽.老采空區地基穩定性附加應力-概率積分法評價[J].金屬礦山,2013(2)：135-139. Wang Yajun，He Jianghong，Yan Pengyang.Foundation stability evaluation of old goaf based on additional stress and probability integration[J].Metal Mine,2013(2):135-139.

[5] 胡炳南.采空區地基穩定性研究及其技術對策[J].煤炭工程，2010(11)：13-15. Hu Bingnan.Study on stability of building foundation above mining goaf and technical countermeasures[J].Coal Engineering，2010(11):13-15.

[6] 李召龍，吳 侃.荷載作用下采空區附加沉降的相似材料模擬研究[J].金屬礦山，2012(3):56-59. Li Zhaolong,Wu Kan.Study of similar material simulation on goaf extra subsidence under load[J].Metal Mine,2012(3):56-59.

[7] 李學良，李樹志，李鳳明.采動地基注漿加固治理技術研究[J].金屬礦山，2011(11)：33-36. Li Xueliang，Li Shuzhi，Li Fengming.Research on grouting consolidation of foundation over abandoned mine goaf[J].Metal Mine,2011(11)：33-36.

[8] 崔玖江，崔曉青.隧道與地下工程注漿技術[M].北京:中國建筑工業出版社，2011. Cui Jiujiang，Cui Xiaoqing.Grouting Technology of Tunnel and Underground Engineering[M].Beijing：China building Industry Press,2011.

[9] 孫 峰，張頂立，陳鐵林.基于流體時變性的隧道劈裂注漿機理研究[J].巖土工程學報，2011,33(1)：88-93. Sun Feng，Zhang Dingli，Chen Tielin.Fracture grouting mechanism in tunnels based on time-dependent behaviors of grout[J].China Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(1):88-93.

[10] 熊 偉，何滿潮.軟巖巷道冒落區注漿技術[J].金屬礦山，2005(2)：16-18. Xiong Wei，He Manchao.Grouting technology for collapsed zone in soft rock tunnel[J].Metal Mine,2005(2):16-18.

[11] 孫斌堂，凌賢長，凌 晨，等.滲透注漿漿液擴散與注漿壓力分布數值模擬[J].水力學報，2007，37(11)：1402-1407. Sun Bintang，Ling Xianchang，Ling Chen，et al.Numerical simulation for diffusion and pressure distribution of permeation grouting[J].Journal of Hydraulic Engineering，2007,37(11):1402-1407.

[12] 張玉軍.鉆孔電視探測技術在煤層覆巖裂隙特征研究中的應用[J].煤礦開采，2011(3)：77-80. Zhang Yujun.Bore-hole TV exploration technology and its application in researching characteristic of fissure in overlying strata[J].Coal Mining Technology，2011(3):77-80.

[13] 曲相屹,李學良.鉆、物探技術在采空區注漿效果檢測中的應用[J].金屬礦山，2013(2)：151-155. Qu Xiangyi，Li Xueliang.Application research of drilling and geophysical prospecting in detection of grouting effects in goaf area[J].Metal Mine,2013(2):151-155.

[14] 煤炭科學研究院北京開采研究所.煤礦地表移動與覆巖破壞規律及其應用[M].北京：煤炭工業出版社,1981. Beijing Research Institute of Coal Mining，Central Coal Mining Research Institute.Coal Mine Movement and Failure Principle of Overlying Rock[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House,1981.

[15] 魏 好,鄧喀中.傾斜多煤層條帶開采地表移動規律研究[J].金屬礦山，2009(5)：16-19. Wei Hao，Deng Kazhong.Study on the surface movement law in strip mining of inclined multiple coal seams[J].Metal Mine,2009(5):16-19.

(責任編輯 徐志宏)

Design and Construction of Grouting Reinforcement for Multi Strata Goaf

Chen Lisheng

(TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCorp.，Tangshan063012，China)

Multi-strata coal goaf belongs to concealed works.Due to its complex structure and being lack of stability，some measures should be taken if constructing new buildings especially high buildings on surface of goaf.Before governance，the feasibility for constructing was argued firstly，and based on the argumentation，reasonable design and construction were made.Combining with engineering example，some concerning issues in governance of multi-strata coal mined-out area were deeply studied.Based on the geological and mining data and using drilling detecting technology，the foundation′s stability was analyzed and assessed，and the grouting range，grouting scheme，and holes arrangement were determined.In the process of construction，such parameters as the material ratio of grout，grouting section division，grouting pressure and others were studied.Finally，grouting effect was tested with the use of drilling and geophysical technology，and the surface residual deformation parameters were estimated with probability integral method.The results showed that the grouting reached the expected target and provided guarantee for the safe operation of surface buildings.This research can be used as a reference for design and construction of similar project.

Multi-strata goaf，Stability analysis，Grouting design，Construction，Effect detection

2014-02-03

“十二五”國家科技支撐計劃重點項目(編號：2012BAC13B03)。

陳利生(1978—)，男，主任，工程師，碩士。

TD853

A

1001-1250(2014)-05-010-05