道路下伏煤矿采空区危害与注浆效果分析

燕磊 张永斌

鄂尔多斯市泰普矿业工程有限责任公司 内蒙古鄂尔多斯 017205

摘要：开挖煤层过后采空区的位移极值和勘察报告给出的最大下沉数值， 验证所选用岩土物理力学参数合理，模拟分析数据可信，为后续类似工程建设和数值模拟分析提供参。

关键词：道路下伏煤矿采空区危害；注浆效果；

前言：基本采空区上方弯曲带、裂隙带和冒落带的厚度、破碎程度。该孔一带的煤矿地质特征和采空区特征具有全面的代表性，根据以往理论和经验，区域内沉降完成的区域也可能还存在着较大的安全隐患。

一、采空区工程地质概况

根据地质勘探资料，平均地层走向50°，平均倾向320°，倾角35°～37°。发育断层主要有五指岭大断裂带和次级的柳树沟断层。通过现场钻探工程的实施，分别在煤矿区内及附近共布置14 个勘探孔，查明采空区位置、判定采空区上方的弯曲带、裂隙带和冒落带的岩性，推测有无新断层及对采空区影响，为注浆治理和数值模拟提供基础数据资料。

二、道路下伏煤矿采空区危害

1.对路基危害。对路基而言，如果路基整体能够均匀的下沉，危害不大，但下伏煤矿采空区的塌陷将会带来极大的危害，所以在工程建设中应密切注意空洞探测。路堤以及路堑，下伏煤矿采空区的不规则塌陷对其造成的危害是不同的。塌陷导致的路基下沉会使路堤在垂直方向上产生一定大小的拉伸力，使其变形，还有可能出现脱层等病害，进而对路基的承载能力造成影响。采空区塌陷还会导致路堑的稳定性下降，严重时会引起滑坡现象。路基在逐渐下沉的过程中，其水平方向会持续形成作用力，使路基一直保持的方向发生改变，而且这种横向改变大多都是十分不均匀的，所以会使高速公路的坡度出现较大的变化，车辆在这种条件下运行，极易发生安全事故。

2．对路面危害。地表结构的不规则运动与变形，会在一定条件下作用到公路的路面上，使路面的恒定坡度发生变化。如果地表的实际倾斜方向与公路的坡向保持一致，路面的坡度将明显增加，如果相反，则坡度减小，甚至出现反坡。公路坡度的增加与减少，会使公路线路出现弯曲，主要集中在垂直方向上，进而使公路的曲率半径发生不规则变化，为行车造成了很大的影响。另外，如果情况较为严重且无法得到及时有效的处理，还会引发公路路面的开裂等严重后果。

3.对桥梁结构体的危害。桥梁工程的技术要求十分严格，这主要是由于桥梁经受形变的能力十分有限，如果形变量较大，极难在短时间内恢复。对于桥梁工程而言，下伏煤矿采空区主要会对其桩基施工造成一定影响，如果桩基在采空区的上方或周边建设，采空区的塌陷势必会造成桩基出现形变，进而对桥梁产生一定危害。

三、注浆效果分析

1.对公路具有一定影响的采空区主要由两部分构成，其一是开采形成的塌陷区域，其二则是抽水巷道。由于开采的间接影响，该地段的地表已经出现了较为显著的变形和沉降，与未发生沉降的地表相比，十分明显，经测算得知，地表沉降的最大值达到了80 cm。抽水巷道分布于公路的斜交线上，属于影响范围，抽水巷道的底端宽度为2．2 m，高度达到了2．6 m，根据该路段中抽水巷道的基本特征及资料显示，此抽水巷道是在最近几年完成修建的，虽然现阶段地面未发生较大的沉降，但仍需对此引起高度的重视。采空区的基本特征主要表现为以下几点：(1)煤矿采空区上方岩层主要由第四系、三叠或二叠系构成，岩层性质主要表现为软岩与煤层，而且还常见张性断层。(2)煤矿采空区在项目场区中的分布极不规律，由于塌陷区处在向斜翼处，所以煤矿采空塌陷区主要呈现出缓倾斜的状态，且开采的深度并不统一，视煤层深度而定。(3)该路段的采空区经多年采煤所成，中、深层的煤层在很早就已经开始开采，而浅层的煤层还没有开采完毕，因此该采空区的沉降并未完全结束。(4)采空区含有丰富的地下水，常见岩溶、裂缝。对路基和地层岩土体采用摩尔-库伦本构模型。在前述的约束条件下，仅考虑重力作用时，进行弹塑性求解(初始速度位移场清零)。形成初始应力场，分析采空区破坏程度和范围。然后激活填筑路基重力和行车荷载，模拟计算在空区对路基稳定性影响。最后对采空区注浆治理，分析治理效果。开挖煤层过后采空区及附近岩层位移和XY 向作用力。采空区位移变化范围主要集中在空区周围及对应向地面延伸至地面的范围内。且最大位移位于最深处采空区的顶板位置，最大位移值接近向作用力主要集中在煤柱的上下5 倍空区高度范围内，且最大作用力出现在煤柱与顶板的交界面处，最大作用力接近修筑路基过后采空区及附近岩层位移和XY 向作用力。此时位移的变化范围和大小以及作用力的变化范围与煤层开挖过后相比均略有增大，但采空区所受作用力的极值并没有增大反而略有减少。说明修筑路基增加了采空区的破坏程度，但修筑路基对作用力大小的影响还有待进一步研究探讨。注浆过后采空区及附近岩层位移和XY 向作用力。模拟结果显示此时位移的大小和范围几乎没有变化，而XY 向作用力的极值却减小至原值的说明注浆能够在短期内大幅削减采空区所承受的作用力，减缓和抑制采空区，特别是煤柱的破坏。

2.注浆施工。对于单层采空区或孔深较小的多层采空区而言，在实际情况中通常运用单次全灌注法。然而孔深较大的多层采空区而言，则需使用上下段注浆法。使用回转式钻孔机进行钻孔，钻机，开钻过程中需用清水进行循环。再钻入基岩之后，运用水灰比为1：1．5左右的泥浆对套管的外侧进行封闭，封闭完成之后使用89 mm钻机，在钻头到达采空区底端时缓慢拔出钻机，在钻孔中安装注浆管，套管的顶端需安装封孔装置，为首次注浆操作做好准备。在首次注浆结束的一段时间以后，孔道内的浆液已基本完成初凝，此时还需使用钻机对其进行二次钻探，直至钻头到达采空区底端1 m处，此后将注浆管下放至采空区顶端上方的3～5 in处，孔中预留少量的粘土，将事先准备妥当的泥浆灌入其中，完成封闭工作，等到注浆管与孔壁完全固结以后，方可注浆。注浆工艺①注浆工序开始之前，需先清洗孔道。②本工程主要运用水固比为1：1或1：1．3的配合浆液。③在运用间歇式注浆法时，间隔时间不能低12 h。在间歇以前，应对孔道进行适当的压水处理，以此防止注浆管堵塞。本工程项目要求间隔注浆的时间不能在36 h以内。在第孔中，主要运用压浆法，在完全满足结束标准以后，完成注浆。⑥与第1序孔相同，在边缘孔中同样运用间歇式注浆法，实际注浆量的平均值为300 m³。在切实满足下列指标时，可结束注浆操作。①中间注浆孔：对于中间注浆孔而言，如果注浆的压力在O．6 MPa以上，且注浆速度可维持在50～70 L／raln之间，维持时间在15 rain以上时，视作注浆完成，可立即结束注浆。②边缘注浆孔：对于边缘注浆孔而言，如果注浆的压力在0．5～2．0 MPa之间，且注浆速度维持在20～50 L／rain之前，持续时问在15 rain以上时，视作注浆完成，可立即结束注浆。

结束语：煤矿采空区是影响工程质量的常见因素，在完善的地质勘察工作以后，仍需对一定距离的煤矿采空区进行处治。在充分了解地段中采空区基本情况之后，选取注浆法对其进行处治，在合理可靠、完善科学的施工与管理之下，采空区得到了良好的处治，为后续施工建设打下了坚实的基础。

参考文献：

1.张志沛,高旭和. 基于黄土边坡稳定性分析方法及应用［Ｊ］. 水利与建筑工程学报,2017,14(2):182-184,217.

2张志沛,彭惠,饶晓. 软土地基注浆扩散过程数值模拟研究［Ｊ］. 岩土力学,2017,32(S1):652-655.

3.李良春.乌市东二环急倾斜煤层采空区稳定性与治理方案分析［D］.西安:西安科技大学,2018.