新疆公路急傾斜煤礦采空區處治施工工法★

姚建強 毛玉坤

(中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

我國地大物博，在廣袤的疆域內礦產資源極其豐富，其中新疆維吾爾自治區的含煤地層面積預計約為30.7萬km2，煤炭預測資源量2.19萬億 t，約占全國總量的40%，居全國之首。近年來，隨著我國“一帶一路”發展戰略的出臺，一帶一路沿線地區公路工程建設呈現出空前盛世。作為產煤大省的新疆在公路建設過程中不可避免的要穿越一些已采采空區及待采區，而烏魯木齊礦區是我國急傾斜煤層最大的礦區，幾十年的強力開發，形成了大量的采空區。受地下采空影響使得上部路基出現失穩、地表變形、采空塌陷等次生災害，將給公路建設及安全運營造成極大安全隱患。因此，在公路選線、建設前需要對待采區采取避讓，對已采區無法避讓時必須進行采空區處治，確保公路建設和運營的安全性。

目前，采空區工程治理常用的手段有：注漿加固法、干(漿)砌支撐法、開挖回填法、巷道加固法、強夯法、跨越法等[1]。根據以往實施的工程項目經驗，在緩傾角、單層采空區的治理施工中，采用注漿加固法取得了較好的治理效果，加固后有效提高了路基整體穩定性，減小了由地下采空引起的地表變形、沉陷。前人大多針對急傾斜采空區的變形機理、加固措施、穩定性分析等方面進行了較為系統的研究[2-5]，取得了一定成果，但是在急傾斜煤礦采空區施工處置方面尚未形成一套切實可行的施工工藝。本文筆者在總結過往施工經驗的基礎上，結合急傾斜煤層采空區治理工程實例，提煉出一套適用于急傾斜煤層采空區處治的施工工法，希望對新疆地區急傾斜煤礦采空區處治施工起到促進作用。

1 工程概況

烏魯木齊繞城高速(東線)公路項目采空區治理工程DCKQ-2標段位于測設里程K21+220～K21+880，屬低山丘陵區，總體地勢南高北低，海拔高程在778 m～893 m之間，現區域內存在四帶西南至東北向煤田采空塌陷區，局部已回填，可見較多塌陷坑。采空區段內煤層厚度0.7 m～64.0 m，煤層走向65°～70°，傾角45°～86°，出露的主要地層有侏羅系下統八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)、侏羅系下統西山窯組(J2x)、第四系(Q3,Q4)。根據探井、鉆孔揭露，擬建場地地層主要由雜填土、黃土狀粉土、卵石、基巖、煤構成。開采方式以地下單層或多層水平開采為主。

注漿法是指用鉆孔形成地下通道，采用一定的壓力，把水泥粉煤灰、水泥黏土或水泥黃土等混合料漿液注入地下采空區的垮落帶和冒落帶中，漿液以充填、滲透等方式，將松散的巖塊或裂隙膠結成一個結構穩定、強度高的“結石體”整體或條帶式、墩臺式結石體，從而提高采空區上覆巖層(地基)的穩定性。注漿加固法具備以下特點：

1)設備和工藝使用靈活；2)工期短、見效快、適用范圍廣；3)加固深度易于控制。

根據注漿漿液的充填方式分為：全充填注漿法、條帶式充填注漿法和墩臺式充填注漿(或混凝土)法。根據設計文件，本項目采空區治理工程所采用的注漿施工工法為全充填注漿法施工，即：孔口封閉全孔一次注漿法以及孔口封閉自上而下分段水泥粉煤灰注漿法。

2 施工工法總結

2.1 施工工序劃分與流程

采用注漿加固法進行采空區工程治理時，主要工序可分為：施工準備、孔位測放、鉆孔成孔、澆筑孔口管、注漿終孔、注漿效果檢測與變形檢測、竣工資料整理與移交等。

2.2 注漿孔施工

注漿孔成孔施工流程如圖1所示。

注漿孔施工過程除按照上述流程嚴格操作外，尚需注意以下幾點：

1)注漿孔位應滿足設計文件要求，若鉆孔不能放在設計孔位時，可視具體情況予以調整；2)鉆機場地應及時平整并牢固的固定在孔位處；3)鉆孔施工中應嚴格按照設計要求完成，同時詳細記錄孔內施工情況，最后對已成鉆孔進行清水沖洗。

2.3 澆筑孔口管施工

1)多層采空區。

治理多層采空區時，采用孔口護壁管(也是注漿管)封閉自上而下式分段注漿方法，見圖2。

2)單層采空區。

治理單層采空區時，采用孔口法蘭盤封閉全孔一次性注漿方法，見圖3。

2.4 注漿施工

注漿施工流程如圖4所示。

施工過程中應注意以下幾個方面：

1)對于急傾斜煤層采空區注漿施工時，應按采空區的傾斜方向及開采水平工作面高低，先施工采空區底板標高較低位置的帷幕孔，再沿傾斜方向由低向高、由邊部向中心展開施工，采用二序次間隔法(間隔一孔)施工并超前注漿孔注漿2孔～3孔；2)在注漿過程中，由于串漿或其他原因造成堵孔，必須掃孔后再注漿。在注漿過程中，應對鄰孔孔深、水位埋深進行觀測；3)當受注段(或孔)注入量大(大于或接近設計量)，仍不升壓時，壓水試驗或沖洗空隙、裂縫(或裂隙)壓入水量大或產生虹吸現象時，應采用間歇注漿；4)當注漿過程中，注漿壓力或注入量突然增大或減小時，應立即查明原因，采取相應的措施；5)孔內空洞較大(高度大于1 m)時或注漿量大，注漿難以結束時應采用孔內投入少量粗骨料，濃漿、限量、間歇注漿，漿液中加速凝劑等方法處理。

3 注漿效果檢驗

在采空區注漿施工完成一個月后，采用地面高密度電法和地面瞬變電磁法輔以鉆孔剪切波速相結合的物探方法等進行注漿效果檢測，檢測效果如下：

1)檢測受檢部位鉆孔均未發生漏水、掉鉆、埋鉆等現象。現場鉆探采取的巖芯表明，漿液結石體與上覆巖層膠結緊密，注漿填充效果較好。對采取的四組水泥結石體巖芯進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果分別為：1.96 MPa,0.98 MPa,2.53 MPa,1.67 MPa，平均值1.79 MPa，滿足規范要求。

2)高密度電法檢測結果表明：淺部采空區呈現從地表向深部延伸的半圓或半橢圓異常體；深部采空區呈現從最底部向上延伸的中低阻半圓或半橢圓異常體，注漿后電阻率明顯提高，整體在80 Ω～100 Ω以上，表明充填效果明顯。

3)瞬變電磁法結果表明：測線整體視電阻率相對較低，下部主要為中～微風化層，視電阻率值相對較高，整體電阻率較未注漿區域有所提高，結合鉆探資料推測該測線位置注漿效果整體較好。

4)孔內剪切波速結果表明：受檢孔注漿前后剪切波速有明顯的提升，對比分析可得較未注漿前提高比例約為30%，結果表明注漿效果較好。

4 結語

通過烏魯木齊繞城高速(東線)公路工程采空區治理工程的實施，針對急傾斜煤礦采空區采用上述方法進行施工取得了較好的加固效果。此外，根據綜合物探手段對注漿后的采空區進行治理效果檢測，結果表明：治理前后路基穩定性得到了有效提高、地表變形趨于穩定。筆者認為急傾斜煤礦采空區治理施工工法的形成對新疆地區今后類似項目的實施起到了積極促進作用，具有一定的推廣意義。

[1] JTG/T D31—03—2011,采空區公路設計與施工細則[S].

[2] 張志沛.急傾斜煤層采空區地基加固治理技術[J].山西礦業學院學報,1996(4):328-333.

[3] 郭良春.烏市東二環急傾斜煤層采空區穩定性與處治方案分析[D].西安:西安礦業學院,2017.

[4] 張夢醒.高速公路下伏急傾斜煤層采空區致災機理與處治技術研究[D].西安:長安大學,2015.

[5] 李萬峰,侯俊領,張 坤.高壓預注漿在急傾斜煤層綜采面過斷層組中的應用[J].能源技術與管理,2015(1):62-63.