新疆公路急傾斜煤礦采空區(qū)處治施工工法★

姚建強(qiáng) 毛玉坤

(中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

我國(guó)地大物博，在廣袤的疆域內(nèi)礦產(chǎn)資源極其豐富，其中新疆維吾爾自治區(qū)的含煤地層面積預(yù)計(jì)約為30.7萬(wàn)km2，煤炭預(yù)測(cè)資源量2.19萬(wàn)億 t，約占全國(guó)總量的40%，居全國(guó)之首。近年來(lái)，隨著我國(guó)“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的出臺(tái)，一帶一路沿線地區(qū)公路工程建設(shè)呈現(xiàn)出空前盛世。作為產(chǎn)煤大省的新疆在公路建設(shè)過(guò)程中不可避免的要穿越一些已采采空區(qū)及待采區(qū)，而烏魯木齊礦區(qū)是我國(guó)急傾斜煤層最大的礦區(qū)，幾十年的強(qiáng)力開(kāi)發(fā)，形成了大量的采空區(qū)。受地下采空影響使得上部路基出現(xiàn)失穩(wěn)、地表變形、采空塌陷等次生災(zāi)害，將給公路建設(shè)及安全運(yùn)營(yíng)造成極大安全隱患。因此，在公路選線、建設(shè)前需要對(duì)待采區(qū)采取避讓?zhuān)瑢?duì)已采區(qū)無(wú)法避讓時(shí)必須進(jìn)行采空區(qū)處治，確保公路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的安全性。

目前，采空區(qū)工程治理常用的手段有：注漿加固法、干(漿)砌支撐法、開(kāi)挖回填法、巷道加固法、強(qiáng)夯法、跨越法等[1]。根據(jù)以往實(shí)施的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，在緩傾角、單層采空區(qū)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(wěn)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(duì)急傾斜采空區(qū)的變形機(jī)理、加固措施、穩(wěn)定性分析等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[2-5]，取得了一定成果，但是在急傾斜煤礦采空區(qū)施工處置方面尚未形成一套切實(shí)可行的施工工藝。本文筆者在總結(jié)過(guò)往施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合急傾斜煤層采空區(qū)治理工程實(shí)例，提煉出一套適用于急傾斜煤層采空區(qū)處治的施工工法，希望對(duì)新疆地區(qū)急傾斜煤礦采空區(qū)處治施工起到促進(jìn)作用。

1 工程概況

烏魯木齊繞城高速(東線)公路項(xiàng)目采空區(qū)治理工程DCKQ-2標(biāo)段位于測(cè)設(shè)里程K21+220～K21+880，屬低山丘陵區(qū)，總體地勢(shì)南高北低，海拔高程在778 m～893 m之間，現(xiàn)區(qū)域內(nèi)存在四帶西南至東北向煤田采空塌陷區(qū)，局部已回填，可見(jiàn)較多塌陷坑。采空區(qū)段內(nèi)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(tǒng)八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)、侏羅系下統(tǒng)西山窯組(J2x)、第四系(Q3,Q4)。根據(jù)探井、鉆孔揭露，擬建場(chǎng)地地層主要由雜填土、黃土狀粉土、卵石、基巖、煤構(gòu)成。開(kāi)采方式以地下單層或多層水平開(kāi)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(qū)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(jié)成一個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、強(qiáng)度高的“結(jié)石體”整體或條帶式、墩臺(tái)式結(jié)石體，從而提高采空區(qū)上覆巖層(地基)的穩(wěn)定性。注漿加固法具備以下特點(diǎn)：

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

根據(jù)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(tái)式充填注漿(或混凝土)法。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，本項(xiàng)目采空區(qū)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(jié)

2.1 施工工序劃分與流程

采用注漿加固法進(jìn)行采空區(qū)工程治理時(shí)，主要工序可分為：施工準(zhǔn)備、孔位測(cè)放、鉆孔成孔、澆筑孔口管、注漿終孔、注漿效果檢測(cè)與變形檢測(cè)、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(guò)程除按照上述流程嚴(yán)格操作外，尚需注意以下幾點(diǎn)：

1)注漿孔位應(yīng)滿足設(shè)計(jì)文件要求，若鉆孔不能放在設(shè)計(jì)孔位時(shí)，可視具體情況予以調(diào)整；2)鉆機(jī)場(chǎng)地應(yīng)及時(shí)平整并牢固的固定在孔位處；3)鉆孔施工中應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求完成，同時(shí)詳細(xì)記錄孔內(nèi)施工情況，最后對(duì)已成鉆孔進(jìn)行清水沖洗。

2.3 澆筑孔口管施工

1)多層采空區(qū)。

治理多層采空區(qū)時(shí)，采用孔口護(hù)壁管(也是注漿管)封閉自上而下式分段注漿方法，見(jiàn)圖2。

2)單層采空區(qū)。

治理單層采空區(qū)時(shí)，采用孔口法蘭盤(pán)封閉全孔一次性注漿方法，見(jiàn)圖3。

2.4 注漿施工

注漿施工流程如圖4所示。

施工過(guò)程中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

1)對(duì)于急傾斜煤層采空區(qū)注漿施工時(shí)，應(yīng)按采空區(qū)的傾斜方向及開(kāi)采水平工作面高低，先施工采空區(qū)底板標(biāo)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(kāi)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(guò)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(guò)程中，應(yīng)對(duì)鄰孔孔深、水位埋深進(jìn)行觀測(cè)；3)當(dāng)受注段(或孔)注入量大(大于或接近設(shè)計(jì)量)，仍不升壓時(shí)，壓水試驗(yàn)或沖洗空隙、裂縫(或裂隙)壓入水量大或產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)采用間歇注漿；4)當(dāng)注漿過(guò)程中，注漿壓力或注入量突然增大或減小時(shí)，應(yīng)立即查明原因，采取相應(yīng)的措施；5)孔內(nèi)空洞較大(高度大于1 m)時(shí)或注漿量大，注漿難以結(jié)束時(shí)應(yīng)采用孔內(nèi)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(yàn)

在采空區(qū)注漿施工完成一個(gè)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(jié)合的物探方法等進(jìn)行注漿效果檢測(cè)，檢測(cè)效果如下：

1)檢測(cè)受檢部位鉆孔均未發(fā)生漏水、掉鉆、埋鉆等現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)鉆探采取的巖芯表明，漿液結(jié)石體與上覆巖層膠結(jié)緊密，注漿填充效果較好。對(duì)采取的四組水泥結(jié)石體巖芯進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(guī)范要求。

2)高密度電法檢測(cè)結(jié)果表明：淺部采空區(qū)呈現(xiàn)從地表向深部延伸的半圓或半橢圓異常體；深部采空區(qū)呈現(xiàn)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(jié)果表明：測(cè)線整體視電阻率相對(duì)較低，下部主要為中～微風(fēng)化層，視電阻率值相對(duì)較高，整體電阻率較未注漿區(qū)域有所提高，結(jié)合鉆探資料推測(cè)該測(cè)線位置注漿效果整體較好。

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

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)烏魯木齊繞城高速(東線)公路工程采空區(qū)治理工程的實(shí)施，針對(duì)急傾斜煤礦采空區(qū)采用上述方法進(jìn)行施工取得了較好的加固效果。此外，根據(jù)綜合物探手段對(duì)注漿后的采空區(qū)進(jìn)行治理效果檢測(cè)，結(jié)果表明：治理前后路基穩(wěn)定性得到了有效提高、地表變形趨于穩(wěn)定。筆者認(rèn)為急傾斜煤礦采空區(qū)治理施工工法的形成對(duì)新疆地區(qū)今后類(lèi)似項(xiàng)目的實(shí)施起到了積極促進(jìn)作用，具有一定的推廣意義。

[1] JTG/T D31—03—2011,采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工細(xì)則[S].

[2] 張志沛.急傾斜煤層采空區(qū)地基加固治理技術(shù)[J].山西礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1996(4):328-333.

[3] 郭良春.烏市東二環(huán)急傾斜煤層采空區(qū)穩(wěn)定性與處治方案分析[D].西安:西安礦業(yè)學(xué)院,2017.

[4] 張夢(mèng)醒.高速公路下伏急傾斜煤層采空區(qū)致災(zāi)機(jī)理與處治技術(shù)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2015.

[5] 李萬(wàn)峰,侯俊領(lǐng),張 坤.高壓預(yù)注漿在急傾斜煤層綜采面過(guò)斷層組中的應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理,2015(1):62-63.