小煤窯采空區新建大型建筑物地基注漿處理與安全技術實踐

郭軻軼 張洋洋

（中煤科工生態環境科技有限公司，天津 300450）

小煤窯采空區具有采深淺、隱蔽性強、開采無規律、缺乏采掘信息等特點[1]，而且小煤窯大多采用巷道式或房柱式開采，留有大量的煤柱，這種采空區早期不易形成下沉盆地，大多數情況下初期地表變形并不明顯，但隨著時間的推移，在煤柱失穩后，地表又重新產生新的移動變形。小煤窯采空區存在發生突然且劇烈變形并對其上方的建筑物造成嚴重破壞的風險，因此，在小煤窯上方建造建筑物時，必須對小煤窯采空區進行處理，特別是大型建筑物，為保證建筑物的安全性、使用性、耐久性等方面的要求，應采取相應的安全技術措施[2]。

本文以山西晉城無煙煤礦業集團有限公司寺河二號井新征場地采空區地基評價與抗變形設計的工程為實例，研究小煤窯采空區上方建設大型建筑物地基注漿處理與建筑物的安全防護技術。

1 工程概況

山西晉城無煙煤礦業集團有限公司寺河二號井新征場地位于該礦礦區內部西南片區，規劃建設 1#大型公寓樓、2#大型公寓樓、大型聯合建筑、大型辦公樓，項目區占地面積約0.064 km2，總建筑面積約62000 m2，具體情況如圖1。該區域地勢平坦，地面標高約+788 m，由厚13～34 m 的第四系黃土廣泛覆蓋。

圖1 擬建建筑物位置圖

項目區內主要開采山西組3#煤層。3#煤層厚約6.0 m，平均采深約85 m，開采時間多為90年代末期，采煤方式為倉房式開采，煤層開采不規律，殘留較多煤柱，頂板冒落不充分，地表變形不明顯，形成大量采空區。通過鉆探和物探勘測，3#煤層上覆地層已出現明顯的冒落、裂縫等現象，根據鉆孔揭露，冒落裂縫帶高度在3#煤層上方約20～30 m。

項目區內地質構造較簡單，未見大的地質構造，覆巖由中砂巖、泥巖、細砂巖等組成。

2 地基處理與地表變形預計

2.1 地基注漿處理工程

1）鉆探工程

此次注漿治理工程共設計帷幕孔52 個，內部注漿孔117 個，共計169 孔。鉆孔采用Φ130 mm開孔，進入穩定基巖以下3.0 m 后，下Φ110 mm套管，然后用Φ89 mm 鉆頭繼續鉆進至煤層底板1 m 處終孔。該項目實際施工鉆孔162 個，總進尺14 416.48 m。

2）注漿工程

該注漿治理工程漿液配比采用：水固比（水:水泥和粉煤灰混合體）1:1，固相比（水泥:粉煤灰）2:8～4:6。其中水泥用礦渣硅酸鹽水泥32.5#，粉煤灰用Ⅱ級灰，使用建筑用石子、石沙作為填充骨料。此外，注漿施工時還用了一定量的速凝劑（水玻璃），模數為2.4～3.4，濃度為30～45 °Be′。

選用的注漿工藝為靜注，施工順序按照先帷幕后內部注漿孔的注漿順序進行，在遇到掉鉆的鉆孔注漿時，投入一定的碎石骨料，采用邊注漿邊投放的方法[3]。當孔口注漿壓力達到1.0～1.2 MPa，流量在50～70 L/min，穩定10～15 min 時，認為該孔的注漿結束。該區域總的注漿量為91 179.5 m3，其中帷幕孔注漿量為31 235.2 m3，內部注漿孔注漿量為59 944.3 m3。

通過采空區注漿處理工程，基本上完成了對地下暗空場的填充，確保了該區域不會發生因煤柱失穩產生突然性劇烈變形。

2.2 地表沉陷變形預計

通過注漿充填了采空區空洞，但隨著混合漿液的固結和脫水，填充體的體積縮小，使填充體不能完全填滿整個采空區空洞，采空區地表在未來相當長的一段時間內仍會出現一定的殘余沉陷變形，這將對該區域新建的建（構）筑物施工造成一定影響，特別是在建設大型建筑時，仍需考慮注漿處理后地表殘余下沉變形的影響[4]。

該項目地表變形預計采用的方法為概率積分法[5]，選取的參數見表1。

表1 開采沉陷技術參數選取

經測算，項目區地表下沉最大值118 mm，傾斜變形最大值1.9 mm/m，水平變形最大值-1.6 mm/m。工程區域將在Ⅰ級沉陷變形影響范圍內，新建建筑物仍需采取必要的安全技術措施。計算了場地內各建筑物的地表最大變形值，見表2。

3 安全技術措施

3.1 安全監測技術措施

針對該項目建筑物為大型建筑物的特點，主要監測建筑物的移動變形，其目的是為了了解新建建筑物的沉陷變形情況，為建筑物的變形調整和維修提供必要的依據[6]。

1）測點的布設

移動變形監測采取相對觀測方式，即對相對下沉的地表和地基進行重點觀測，對地表水平移動的變形數值進行監測，對建筑物的傾斜變形進行監測，對項目區場地內的各建筑物單獨設置觀測系統。

布設觀測點的方法是：首先將4 個地表測點均勻地布設在建筑物基座的四周位置，一般沿東西南北走向，從建筑物基座到地表測點一般有3～5 m 的距離；二是設置了4 個基礎測點，分別在地表點位對應位置進行測量；三是在建筑物上部結構上布置4 對傾斜觀測點，與地表測點和基礎測點位置相對應。圖2 所示為觀測點布設示意圖。

2）觀測方法及精度要求[7]

利用精密水準儀對地表測點和基礎測點的相對下沉值進行定期觀測，并根據各測點的相對下沉值，計算出地表傾斜變形值和基礎傾斜變形值，根據各測點的相對下沉值，對各測點和基礎傾斜變形值進行綜合觀測。水準觀測精度要求不得低于三等水準。

各建筑物傾斜變形觀測采用不低于兩個測回并取其平均值的正倒鏡進行觀測，觀測建筑物傾斜變形值采用2″以上的精密經緯儀和鋼尺。根據建筑物上下對應測點的水平位移值，以及建筑物的高度等因素，得出建筑物傾斜變形值。

水準觀測與傾斜變形觀測，在下沉穩定之前，每個月觀測一次。

3.2 抗變形技術措施

抗變形技術措施主要由剛性措施和柔性措施組成[8-9]。其中，剛性措施主要是為了抵抗地表變形而增加建筑物的整體剛性，柔性措施主要是為了增強建筑物的吸收變形能力，如增加變形縫、設置滑動層、開挖緩沖溝等。該項目區內建筑物都屬于大型建筑物，根據其建筑型式和結構特點采取的抗變形措施如下：

1）建筑基礎采用全現澆鋼筋混凝土筏板基礎。根據計算，大型公寓樓基礎筏板厚度為1000 mm，大型聯合建筑基礎筏板厚度為1100 mm，大型寫字樓基礎筏板厚度為1000 mm。

2）大型公寓樓設有地下室，在基礎和地下室外側刷1 道瀝青；大型聯合建筑及大型辦公樓在基礎的C15 混凝土墊層上鋪設兩層油氈。

3）對建筑物的一些結構梁和柱增大其剛度，適當增加其配筋量[10]。

4）所有管道支座做成鉸支座，地面敷設，并增加柔性接頭。

目前，四棟大型建筑物都已建設完成并投入使用，所有建筑物均沒有出現任何破壞。

4 結語

結合山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司寺河二號井新征場地建設項目，對該區域的采空區特性進行分析研究，對場地地基進行了注漿處理、工后場地地表變形預計，提出了建筑物的抗變形措施和安全保護技術措施，保證了建筑工程的順利實施，為同類工程提供一定的參考依據。