采空区场地勘察与注浆治理关键技术应用

路庆涛

（徐州中矿岩土技术股份有限公司，江苏 徐州221008）

摘要：华地紫御府项目建设场地位于韩桥煤矿、南庄煤矿及多个乡镇（社队）煤矿开采范围之内，场地下煤矿开采资料不全、采空区边界不清晰。在资料收集的基础上，采用钻探方法对采空区进行专项勘察，查明了建设场地下采空区分布范围、煤层采深、采厚等信息。根据专项勘察进行场地稳定性及适宜性评价，提出采用注浆治理的方案对场地进行治理。根据场地采空区特征进行了专门的采空区注浆设计，对注浆关键参数进行设计并指导施工。注浆治理结束六个月后，检测单位采用钻探法配合钻孔成像、波速测试方法、注浆结实体强度检测、压水试验等方法进行综合检测，检测结果表明注浆效果良好，注浆治理消除了采空地面塌陷灾害的影响，。

关键词：采空区；专项勘察；注浆治理；效果评价

0 引言

当前，随着城镇化建设的快速推进，我国城市建设用地资源日益紧张，在经济较发达的资源型城市尤为突出，已有许多该类型城市的工程建设不得不在采空区场地上进行。又由于其具有复杂性、隐蔽性、突发性等特点，在工程建设前需要进行采空区专项勘察，并根据建筑物类型，针对采空区的特点提出不同的处置方案[1]。

本文以徐州市贾汪区华地紫御府高层建筑群项目下伏采空区场地为工程背景，前期专项勘察探测采空区特征、并进行稳定性及工程建设适宜性评价，在专项勘察及综合评价的的基础上，提出针对采空区场地特征的注浆治理技术，经过治理后工程检测，表明注浆治理取得了可靠的效果，工程经验可提供一定的参考意义[2~6]。

1 工程概况

拟建的华地紫御府项目位于江苏省徐州市贾汪区徐轮路西侧、鹏程大道北侧、滨河路东侧，规划总用地面积69195m2，总建筑面积204143.35m2，主要建设5栋34F住宅、1栋27F住宅、4栋25F住宅、1栋23F住宅、1栋11F住宅、6栋8F住宅及其他配套项目。

根据初步调查及资料收集，拟建场地及附近曾进行过采煤活动，分布韩桥煤矿、南庄煤矿及多个乡镇（社队）煤矿，多年的煤矿开采形成了多层采空区。韩桥煤矿在场地外的西侧和西北侧开采了1、3、17、20、21煤，其中，17、20、21煤采深分别为271～292m、282～310m、328～336m，采厚均为0.80m，开采时间分为1996年、1994～1995年、1997年。南庄煤矿在场地下开采了21、22煤，未开采17、20煤，收集的南庄煤矿21、22煤的开采资料截至到1991，缺失1991～2001年期间的开采资料。乡镇（社队）煤矿开采1、3煤，但开采资料缺失严重，开采范围不详。

2 采空区专项勘察

结合已收集的场地开采资料，为查明拟建场地下1、3煤的开采情况，进一步查明21、22煤的开采范围及深度，核实场地下17、20煤的开采情况，同时验证场地下已有开采资料的准确性，本次专项勘察采用钻探的办法进行探测。

布置60个钻孔用来查明1、3煤的开采情况；6个钻孔来查明21、22煤的开采范围及深度并核实场地下17、20煤的开采情况。经过对各钻孔揭露情况的整理，场地下采空区分布情况如下：

（1）用来查明1、3煤的开采情况的钻孔均未揭露到1、3煤采空区，由于1煤缺失，仅少部分揭露1煤煤层，大部分钻孔揭露3煤煤层、3煤厚度0～1.10m，平均厚度0.44，因此，判断场地下未开采1、3煤。

（2）用来查明21、22煤的开采范围的6个钻孔均揭露21、22煤采空区，结合已有开采范围，判断场地下21、22煤已大面积开采，采深分别为73～142m、78～152m；21、22煤采空区不掉钻、进尺稍快、岩芯破碎、基本密实；未揭露17、20煤采空区，其中，1个孔揭露17煤，5个钻孔17煤缺失，2个钻孔揭露20煤，3个钻孔20煤缺失，因此判断，拟建场地17、20煤分布不稳定、变薄或缺失，验证了场地下未开采17、20煤。

图1 拟建场地下21、22煤采空区分布图

根据采空区钻探，场地下21、22煤采空区大部分区域垮落基本密实，场地21、22煤采空区分布区域稳定性为基本稳定区。但考虑到建筑物为高层住宅建筑物，需采取注浆治理，且应按抗震不利地段进行设防，采取加强基础和上部结构的抗变形措施。

3 采空区注浆设计及治理

3.1注浆设计

注浆孔间距排距设计。在对建设场地周边环境条件、采空区分布特征、采空区埋深等因素进行综合考虑后，按照高层建筑轮廓线外扩25-35m作为治理范围，治理深度为22煤采空区底板。根据场地的采空区分布情况，建筑物轮廓内注浆孔孔距15.0-16.0m，排距11.0-12.0m；建筑物轮廓外注浆孔孔距17.0-20.0m，排距18.5-20.5m；通过控制注浆压力，控制浆液扩散范围。

注浆孔施工次序。采空区注浆孔施工次序由下山往上山方向推进，即自西向东推进。不在单独布另设帷幕孔（可适当增加添加剂、加速固化），先施工拟建场地边缘注浆孔作为帷幕孔、后施工场地内注浆孔；为保证浆液对采空区裂隙、空洞的充填率，对注浆孔严格采用分序次隔孔成孔注浆，严禁注浆孔连片注浆

[2]。

3.2注浆施工工艺

本次注浆拟采用水泥、粉煤灰、添加剂作为主要注浆材料。注浆孔开孔直径采用Φ130mm，基岩段变径为91mm，终孔不小于91mm，终孔为22煤层底板以下1.0m。注浆孔成孔后接入注浆管注浆。21、22煤采空区间距较近（5-12m），不做分层治理，采用直接成孔至22煤底板，将21、22煤采空区作为一个采空区治理区段进行治理。

3.3注浆参数

1)注浆压力。进场后先进行现场注浆试验确定注浆压力，根据工程经验，注浆孔孔口压力一般深控制在0.5-1.0MPa。

2）注浆终止条件。当注浆压力起压后达到设计压力作为该孔终止注浆标准。

3）注浆量控制。边缘注浆孔单孔注浆量较大时，采取增稠浆液、间歇一个台班以上灌注等措施控制单个注浆孔注浆量，治理区域内注浆孔不限制注浆量。

3.4注浆工作量

根据国家颁布的规范《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》（GB51180-2016），采空区治理注浆量主要由地基处理面积、煤层厚度、煤层倾角、煤层回采率、剩余孔隙率、浆液损耗系数、充填系数、浆液结实率、煤层倾角等因素决定；根据治理区采空区特征及浆液特性，计算参数入下表1所示，经计算本次采空区治理注浆总量21928m3。

表1 治理采空区所需注浆量估算表

煤层	计算参数								注浆量 /m3
	煤层厚度/m	煤层倾角/°	治理面积/m2	回采率	剩余空隙率	充填系数	结实率	灌注量损耗系数
21	0.8	20	47885	0.85	0.25	0.9	0.8	1.2	11695
22	0.7	20	47885	0.85	0.25	0.9	0.8	1.2	10233
合计									21928

根据采空区特征及上述布孔原则，采空区治理工程设计注浆孔193个，总钻孔进尺约21794m。

4 注浆效果检测

注浆治理结束6个月后，建设单位委托了具有相关资质的单位对注浆治理效果进行了检测，主要采用钻芯法、钻孔成像法、注浆结实体强度检测法、波速测试法、压水试验法等多种方法进行注浆治理效果检测。

4.1钻探取芯

根据规范要求，共布置10个检测孔，根据检测孔取芯观测结果，各检测孔未发生掉钻现象，无大的空洞裂隙，水泥粉煤灰浆液对采空区充填效果较好，充填率≥90%，其中7个检测孔岩芯取上明显硬塑-坚硬状的浆液结实体。

4.2孔内成像

检测工作在5个检测孔内进行全基岩段钻孔成像，分析注浆充填率。通过钻孔成像对揭露采空区的钻孔岩壁进行成像观测，检测孔垮落带裂隙充填均较高，无明显裂隙。

4.3波速测试

受孔内水位影响，共进行了5个孔的波速测试试验，根据测试结果，注浆治理后场地采空区垮落断裂带剪切波速为731-1082m/s、平均844m/s，采空区垮落断裂带注浆治理后的横波波速远大于要求的300m/s，满足要求。

4.4结实体强度

检测在7个检测孔中取到浆液结实体，但由于所取结石体尺寸不能满足标准单轴抗压强度测试，因此对结石体进行点荷载试验，所得数值根据规范公式进行单轴抗压强度换算。根据测试结果，结石体的单轴抗压强度的范围为2.06-3.43MPa，平均值为2.80MPa，大于2.0MPa，满足要求。

4.5压水试验

检测工作在JCZ1、JCZ3、JCZ4号检测孔内进行压水试验，根据压水试验结果，JCZ1孔最大注浆压力达到了1.72MPa，总压水量为4.93m3；JCZ3孔最大注浆压力达到了2.03MPa，总压水量为12.65m3；JCZ4孔最大注浆压力达到了1.53MPa，总压水量为8.62m3。根据施工资料，JCZ1、JCZ3、JCZ4孔周边注浆孔平均单孔注浆量分别为725m3、859m3、484m3，压水试验比分别为0.007、0.015、0.018，平均为0.014，压水试验比小于0.1。

5结论

（1）在前期资料收集的基础上，采用钻探的方式对拟建华地紫御府项目建设场地进行了专项勘察，基本查明了场地范围内不同煤层采空区分布范围、埋深、采厚等关键信息。。

（2）在采空区专项勘察即稳定性适宜性评价的基础上，进行了采空区注浆治理设计，综合确定了注浆孔间距、注浆孔孔深、注浆次序、注浆压力、材料配比等参数，指导注浆治理施工。

（3）注浆治理后检测单位对注浆治理的效果进行了检验，采用的检测方法主要有钻芯法、钻孔成像法、注浆结实体强度检测法、波速测试法、压水试验法等，综合分析各类方法检测结果，表明采空区注浆治理效果较为理想。

参考文献:

[1] 李志永．高层建筑下伏采空区注浆治理关键技术研究[D]．中国矿业大学，2020．

[2] 张太平，张红军，张瑞华等．多层采空区场地勘察与注浆治理关键技术应用[J]．中国煤炭地质，2021，33(07):46-50．

[3] 陈书平．高层建筑群下多层采空区场地工程适宜性评价及治理［D］．中国矿业大学．2019．

[4] 杨欣荣．煤层采空区治理方法分析评价—以晋城市某项目采空区治理施工图设计为例［J］，华北国土资源，2018，(03)：111-113．

[5] 娄梦梦．晋城某住宅小区煤矿采空区地基注浆处治及其效果评价［D］．河南理工大学，2018．

[6] 贾照远，尚剑飞，王明立，等．新建高层建筑群跨越老煤矿采空区工程实践［J］，建井技术，2019，40(2):1－21．作者简介：路庆涛（1989-），男，工程师，主要从事岩土工程勘察设计等工作