煤礦采空區公路穩定性及注漿治理技術分析

朱濟初

摘要：文章采用數值模擬與理論分析相結合的方法，對公路下伏煤礦采空區的穩定性進行分析，并針對采空區沉降變形特性，提出采空區注漿治理施工工藝。結果表明：（1）相比煤礦開采，采空區采取充填注漿后的沉降變形量明顯減小;（2）地表沉降量均隨荷載的增加而增大，但在充填注漿后的沉降差較小（對應力的敏感性較小）;（3）從采空區注漿治理范圍、注漿量、注漿材料、鉆孔設計等方面對煤礦采空區的施工工藝進行了闡述;（4）工后檢測數據表明，采取充填注漿治理措施后，地基的工程特性得到有效提升，表明治理效果較佳。

關鍵詞：煤礦采空區;公路;穩定性;沉降變形;注漿技術

0 引言

地下煤層開采完成后會留下大量的地下采空區，在這些地區的地表修建道路、房屋、水利等工程項目時極易帶來安全隱患[1-4]。研究煤礦采空區的沉降變形機制，對工程項目基礎穩定性的合理準確評估和提出有效治理措施具有重要意義[5-7]。

董博針對采空區公路工程勘察工作，對瞬變電磁法、地震反射波法和活性炭測氡法等三種物探方法的適用性進行了對比分析[8];魏建柄通過地址調查手段，對公路下伏采空區的地質條件和變形特性進行了分析，并提出了相應的治理措施[9];仝剛太[10]、曹欣宇[11]等對貴陽繞城高速公路下伏煤礦采空區的穩定性進行了評估和危害性分析，為線路比選提供了設計依據;張衛兵則通過對比兩種不同成孔成樁方案，提出旋挖鉆機成孔及雙鋼護筒進行煤礦采空區域樓房基礎施工[12]。

本文以廣西某公路下伏煤礦采空區治理工程為例，在前人研究經驗和理論基礎上，運用數值模擬與理論分析相結合的方法，對該公路下伏煤礦采空區的穩定性進行探討，并提出回填注漿治理方案，相關經驗和技術可為類似地質的公路項目建設提供參考。

1 工程概況

廣西某公路工程下伏煤礦采空區，根據現場勘查資料顯示：該采空區地層的傾角約為3°～10°，文章分析時煤層傾角取均值5°，煤層的平均厚度約為5 m，回采的實際長度約為185 m，寬度約為300 m，煤層的平均埋深約為40 m，沿路線方向治理長度約為1 020 m。該區域巖層自上而下分別為粉質黏土、頁巖1、砂巖、頁巖2、煤層以及泥巖。各地層的物理力學參數見下頁表1。

2 穩定性分析

2.1 數值模型的建立

采用FLAC3D數值分析軟件建立該區域的計算模型，模型的長、寬、高分別為400 m、300 m和70 m，模型本構關系選用摩爾-庫倫屈服準則，上邊界為無約束的自由工作面，下邊界固定橫向和豎向位移，左右兩邊界固定水平向位移（見圖1）。由于采空區埋深為40 m，故決定采用充填注漿法對該區域進行治理，充填體的物理力學參數見表2。

2.2 開采與回填沉降變形分析

對充填前后的采空區地表沉降變形進行模擬分析，結果見圖2。從圖2中可以看到：當煤層回采完成后，在回采區中心位置會產生較大的沉降變形，最大變形量約為2.25 m，很可能造成路面大面積坑槽或者塌陷。當對回采區進行充填注漿后，采空區上方的最大沉降位移值僅為0.144 m，滿足公路路基沉降變形相關要求。采空區在采取充填注漿施工后，可以起到較好抑制地表沉降變形的作用。

2.3 開采加載與回填加載沉降變形分析

由于公路路面運營后將處于動態的荷載作用中，因此，對不同路面荷載作用下的地表沉降變形進行了對比分析，結果見圖3。從圖3中可以觀察到：在相同的路面荷載作用下，開采后加載的地表沉降量明顯大于回填后的地表沉降量。開采加載情況下，地表沉降對荷載的敏感性較高，即隨著荷載的增大沉降量不斷增加，從0.15 MPa時的2.35 m增加至0.25 MPa時的2.58 m。而當進行充填注漿后，地表沉降量對路面荷載的敏感性明顯降低，抗變形能力明顯增加，其在0.15 MPa下的最大沉降為0.2 m，在0.25 MPa時的最大沉降為0.25 m。可以預見的是，當充填材料的強度和剛度足夠時，回填后的沉降變形將更小，但是這不利于工程成本的控制。一般而言，在注漿過程中按一定比例加入碎石毛石等材料后，即可滿足相關技術要求，取得很好的治理效果。

3 注漿治理工藝

3.1 注漿治理范圍的確定

根據我國公路路基相關規定，在采空區發生塌陷情況下，為保證上方路基及路面不發生開裂下沉等現象，需要對采空區治理寬度及范圍進行確定（見圖4）。根據本工程采空區的實際情況以及公路的設計標準，得到本公路工程采空區沿煤層走傾向的治理范圍見式（1）：

3.3 鉆孔注漿施工

3.3.1 注漿材料的選擇

本工程注漿材料選用水泥-粉煤灰復合漿液，所使用的配制材料主要有Ⅱ級粉煤灰和PC32.5水泥。為保證采空區的充填擴散效果，同時確保結石體的抗壓強度，需要在漿液中摻入適量的骨料，骨料摻入比例需根據鉆孔及鉆孔窺視結果確定。根據現場實際情況，選用中粗砂+豆石（0～5 mm）作為漿液投放骨料。

3.3.2 鉆孔布置

鉆孔分為帷幕和充填注漿兩種，孔深為47 m，左右兩邊各布置一排帷幕孔，中間布設兩排注漿孔，充填注漿孔的排距為15 m，帷幕孔的排距為42 m，充填注漿孔和帷幕孔的縱向間距為18 m。鉆孔順序為先帷幕后充填注漿孔。鉆孔直徑為146 mm，當鉆至穩定基巖3 m以下時，在成孔孔內下放直徑為114 mm的套管，套管與鉆孔孔壁之間采用純水泥漿封閉。待水泥漿終凝后，將直徑為91 mm的鉆頭繼續進行鉆孔。當鉆孔達到煤層底板1 m以下時，停止鉆孔，然后進行注漿施工，見下頁圖5。

3.3.3 注漿施工

先進行帷幕孔注漿施工（注漿壓力為0.5～1.0 MPa），帷幕孔鉆注結束后，再進行充填注漿孔鉆注。投砂量宜為注漿總量的40%，當孔口起壓后，應該立即停止投砂。單孔最大注漿量約為337 m 3。當注漿泵的壓力達到1 MPa以上、注漿量<50 L/min且持續時間>15 min以上時，即可停止注漿。充填注漿孔的注漿量達到設計最大值時，即可停止注漿施工。

4 工后效果檢測

采用鉆孔檢測及物探相結合的方式，對該路基治理段進行了質量檢測（見圖6和表3）。從圖6中可以對比看到：經注漿充填后，鉆孔在采空區得到了較為完整的注漿結石體，采空區裂隙和空洞得到有效充填，空洞頂板和注漿填充體相互之間接觸良好，地基的工程特性得到有效提升，其天然狀態的平均抗壓強度為17.5 MPa，飽和狀態的平均抗壓強度為17.2 MPa，孔內注漿段的平均剪切波速度均>250 m/s，滿足工程建設和運營的相關要求。

5 結語

（1）煤層回采結束后，豎向沉降變形量為2.25 m，采取充填注漿后沉降變形量僅為0.144 m。隨著路面荷載的逐漸增大，沉降變形逐漸增加，開采加載情況下，地表沉降對荷載的敏感性較高，充填注漿后，地表沉降量對路面荷載的敏感性明顯降低。

（2）通過計算分析，得到該采空區的治理范圍為68.7 m，充填注漿量為78 908.9 m 3，并從鉆孔施工和注漿施工等方面對注漿治理技術進行了分析。

（3）工后檢測結果表明，采取充填注漿治理措施后，地基的工程特性得到有效提升，運營期間未發生大面積開裂和沉陷，表明治理效果較佳。

參考文獻：

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[10]仝剛太，鄭 偉.貴陽繞城高速公路煤礦下伏采空區治理技術研究[J].公路交通科技（應用技術版），2013，9（9）：269-272.

[11]曹欣宇，祝 塘，胡 蝶.高速公路下伏煤礦采空區勘察與注漿處治淺析[J].黑龍江交通科技，2015，38（11）：25，27.

[12]張衛兵.煤礦采空區灌注樁成孔成樁施工技術[J].建筑施工，2019，41（2）：189-191.