魏義強(qiáng)

(1.山西省交通科學(xué)研究院;2.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室)

0 引 言

山西是中國第一產(chǎn)煤、輸煤大省及能源重化工基地，煤炭資源優(yōu)勢得天獨厚，儲量大、分布廣、品種全、質(zhì)量優(yōu)、易開采，據(jù)測算，含煤地層面積共61 050 km2，占全省總面積的39.1%，在全省一級的118 個縣、市、區(qū)行政單元中，就有94個分布著煤炭，占80%。產(chǎn)煤大省山西在保證國家煤炭需求的同時，因煤礦采空造成的公路災(zāi)害日益嚴(yán)重——路基大面積沉陷、橋隧變形下沉、開裂以及邊坡坍塌、滑坡等。太原、大同、陽泉、長治、臨汾、晉城等產(chǎn)煤區(qū)，受采空塌陷影響的公路日益增多。目前，在修建高速公路時，普遍對高速公路下伏采空區(qū)進(jìn)行治理，并收到了較好的效果，采空區(qū)處治的方法有多種，主要有注漿法、干(漿)砌支撐法、開挖法、加固巷道法以及強(qiáng)夯法等，但應(yīng)用最為廣泛的是鉆孔壓力注漿法，其他方法由于限制條件較多，應(yīng)用范圍相對較窄，本文就目前普遍采用的鉆孔壓力注漿法處治煤礦采空區(qū)工藝談幾點看法。

1 鉆孔壓力注漿法的原理

鉆孔壓力注漿法是處治煤礦采空區(qū)最常用的方法，是指首先在地表鉆孔，然后將一定比例的水泥漿或水泥粉煤灰漿液通過注漿泵、注漿管，經(jīng)地表鉆孔注入到采空區(qū)及其上覆巖體裂隙中，漿液經(jīng)過固化、膠結(jié)巖層裂隙帶，在采空區(qū)空洞內(nèi)的漿液形成的結(jié)石體及其上覆巖層共同形成支撐作用，從而保證采空區(qū)上部路基橋隧的穩(wěn)定。

鉆孔壓力注漿法應(yīng)用范圍比較廣泛，多應(yīng)用于處治埋深較深、范圍較大的采空區(qū)、上部為橋隧等重要構(gòu)造物，對變形比較敏感的情況以及礦層開采后發(fā)生了較嚴(yán)重的垮落、采空區(qū)充填程度較高、下部空間相對狹小的地段等等。采空區(qū)經(jīng)壓力充填處治后，地面以下原先存在的松散層、裂隙帶、冒落帶甚至尚未冒落的采空區(qū)空洞、孔隙均隨著漿液的充分?jǐn)U散、填充并結(jié)石膠結(jié)成一個整體，具有較穩(wěn)定的整體力學(xué)性能，適宜修筑橋隧、路基等構(gòu)造物。

2 鉆孔壓力注漿法處治的適用條件

(1)對于充分采動條件下近水平煤礦采空區(qū)處治效果較好

充分采動是指地下煤層采出后，地表下沉值達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大值，此后開采工作面的尺寸再繼續(xù)擴(kuò)大時，地表的影響范圍相應(yīng)擴(kuò)大，但地表最大下沉值不在增加，地表移動盆地將出現(xiàn)平底。也就是說，充分采動條件下，煤礦采空區(qū)已經(jīng)基本被上覆巖層垮落填滿，此時的沉降主要受殘余裂隙的影響。用鉆孔壓力注漿法注漿，漿液一般比較稀，流動性能優(yōu)良，可以很好地在覆巖裂隙內(nèi)流動固結(jié)。另外，在注漿壓力作用下，漿液能夠更充分地擴(kuò)散到更遠(yuǎn)、更細(xì)小的裂隙內(nèi)。漿液經(jīng)過固化、膠結(jié)使破碎的覆巖膠結(jié)成相對較大的巖體，從而對上覆巖層產(chǎn)生支撐作用，保證路基的穩(wěn)定性。

(2)煤層埋深較淺，采動較充分，采空區(qū)未充水或僅有少量充水條件下

淺埋深煤層較充分開采后，上覆巖體三帶分布明顯，地下煤層開采結(jié)束，經(jīng)過一段時間后，地表沉陷逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。采空區(qū)內(nèi)未充水或者少量充水條件下，用鉆孔壓力注漿進(jìn)行采空治理時，根據(jù)已有設(shè)計方案，煤層埋深較淺時確定的治理范圍比較小且能夠滿足加固覆巖及采空區(qū)的需要，漿液能夠擴(kuò)散至整個設(shè)計范圍內(nèi)，固結(jié)后可以很好地起到支撐作用保證路基的安全。減少路基變形使其在規(guī)范要求變形范圍內(nèi)。

(3)對地表變形要求較嚴(yán)格的地段處理效果較好

橋隧對地基變形要求較高，運用現(xiàn)有設(shè)計方案，進(jìn)行全填充鉆孔壓力注漿，把整個橋隧下面的采空區(qū)及上覆巖體裂隙帶用漿液填充起來，漿液固結(jié)后對橋隧能起到較好的支撐和保護(hù)。

3 壓力注漿法存在的主要問題

(1)處治范圍較大，費用相對較高。

目前，采空區(qū)治理長度是以采空區(qū)塌陷區(qū)沿路線延伸方向展布范圍為準(zhǔn)，即路線延伸方向空洞長度，治理寬度為路基范圍加上兩側(cè)的圍護(hù)帶再以圍護(hù)帶邊界為起點按巖層應(yīng)力擴(kuò)散角考慮所確定的寬度，即

式中:B 為治理寬度;A 為路面寬度;D 為圍護(hù)帶寬度;h 為松散層厚度;H 為基巖頂?shù)讲煽諈^(qū)底板的垂直距離;φ 為松散層移動角;β 為基巖移動角。

從上式可以看出，隨著采空區(qū)深度的增加，采空區(qū)治理范圍增大很多，當(dāng)采深較大時，采空治理范圍會很大，注漿治理費用將會很高。而據(jù)研究當(dāng)采深達(dá)到一定程度時，采煤活動對地表的影響會減小，這與現(xiàn)有的設(shè)計思路也相悖。

基于上式的設(shè)計，沒有考慮煤層的開采方式，統(tǒng)一采用一個模式顯得有點過于保守，造成很大的浪費，當(dāng)煤層開采方式為長臂式，煤層較厚時基于以上公式進(jìn)行設(shè)計是必要的。當(dāng)煤層開采方式是房柱式開采方式，或者其他部分開采方式時，煤層開采后其影響移動角相對很小，仍采用上式設(shè)計難免造成很大的浪費。

(2)對于充水采空區(qū)或部分充水采空區(qū)處治效果有待商榷。

采空區(qū)充水時，首先會對注漿量有所影響，可能因為充水緣故使?jié){液注入有很大困難。另外，即使?jié){液在壓力下能夠注入，其結(jié)石率、擴(kuò)散情況可能會和設(shè)計有很大差別，地下水體不會被帶壓漿液擠走，漿液注入充水采空區(qū)內(nèi)固結(jié)后其上必有相當(dāng)?shù)乃?，隨著時間的推移這部分水會逐漸散失掉，從而在覆巖內(nèi)，甚至采空區(qū)內(nèi)留下空隙、空洞，最終會引起地表發(fā)生殘余變形。所以充水采空區(qū)采用鉆孔壓力注漿的辦法治理，其效果有待商榷。

(3)對于采厚較高，變形不明顯，回采率較低的采空區(qū)治理效果差。

采厚較高，變形不明顯，回采率較低的采空區(qū)，地下一定存在著大量的空洞，這種情況下，采用現(xiàn)有的鉆孔壓力注漿法處置此類采空區(qū)時，由于下面空洞很大，加上漿液具有很強(qiáng)的流動性，要想達(dá)到理想的效果實際很難做到，地下空洞較大漿液要填滿空洞才能達(dá)到預(yù)期的效果，這在實際中僅僅靠漿液進(jìn)行填充是很難做到的，加上漿液的流動性，會使好的漿液流走散失，所以此類采空區(qū)僅用現(xiàn)有的鉆孔壓力注漿法進(jìn)行單一方法治理效果不是很好。

(4)煤層傾角較大的采空區(qū)治理效果差。

對于煤層傾角較大的采空區(qū)，煤層開采后，底板傾角較大。采用鉆孔壓力注漿的方法進(jìn)行注漿時，由于帷幕孔的圍堵情況具體不明在重力作用下，漿液會向一個方向流動，若地下采空區(qū)空洞較多，則漿液向下方流動的量和速度會更大，這時在欲治理區(qū)域內(nèi)，漿液滯留固結(jié)的量會很少，從而達(dá)不到較好的治理效果。

(5)漿液擴(kuò)散范圍實際難以控制，實際填充情況與設(shè)計思路難以對應(yīng)。

由于采空區(qū)屬隱蔽工程，雖然采空區(qū)探測技術(shù)已經(jīng)有很大的進(jìn)步，但煤層開采后地下情況難以從地表清楚得知，加上地下水體以及采空區(qū)空洞等的影響，很難控制漿液的擴(kuò)散，致使?jié){液最終擴(kuò)散的范圍和設(shè)計的初衷有出入。

4 結(jié)語及建議

(1)公路下伏采空區(qū)的治理方法較單一，以鉆孔壓力注漿全充填法為主，往往根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計和布置注漿工作，盲目性很大，有時造成較大的浪費，也帶有一定的風(fēng)險度。所以現(xiàn)有的設(shè)計思路有待進(jìn)一步改進(jìn)與完善。

(2)采空區(qū)治理范圍的問題，據(jù)研究采空區(qū)地表沉降問題的影響因素有多種，其中開采方式對其影響最為嚴(yán)重，煤層開采后，覆巖的破壞按照破壞角向地表延伸，在破壞角之外的部分為張拉裂隙帶，其破壞程度和煤層開采方式覆巖堅硬程度有直接關(guān)系。當(dāng)采煤方式為房柱式開采時，只采煤房煤柱用于支撐覆巖，這種情況下，采煤對覆巖的破壞不會向外擴(kuò)展，僅僅影響到被采煤層上方的覆巖。在采空治理過程中只需要治理線路內(nèi)有采空的部分，沒有采空的部分可以采用減少注漿孔的方式次重點治理。

(3)采空區(qū)治理注漿材料的問題，目前公路采空區(qū)治理注漿材料以水泥粉煤灰為主，也有水泥粘土或者水泥黃土漿材。在以后的采空治理過程中，應(yīng)探索新材料以降低成本同時達(dá)到較好的治理效果。

(4)關(guān)于傾斜采空區(qū)治理問題，當(dāng)煤層傾斜程度較大時，采用鉆孔壓力注漿法治理時應(yīng)考慮漿液的流動方向的一致性，考慮帷幕圍堵的效果，可以在注漿次序和注漿位置上進(jìn)行優(yōu)化，首先進(jìn)行傾斜下方的帷幕注漿，然后從上邊開始注漿，使?jié){液盡量留在治理區(qū)域內(nèi)，減少漿液的流失從而達(dá)到較好的治理效果。

(5)目前注漿治理中，治理漿液過稀凝固速度慢。所以漿液注入采空區(qū)和覆巖裂隙內(nèi)后，需要很長時間固結(jié)，這段時間內(nèi)漿液可能會流失很多，達(dá)不到設(shè)計預(yù)想的治理效果。公路下伏采空區(qū)治理是一項系統(tǒng)工程，其包括采空探測、穩(wěn)定性評價、治理技術(shù)和質(zhì)量監(jiān)控。前期探測十分重要，探明采空情況，我們有針對性地采取相應(yīng)的治理措施才會達(dá)到較好的效果。在采空區(qū)內(nèi)應(yīng)注入高粘稠漿液，膏體物質(zhì)或者骨料，在覆巖裂隙內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行注漿加固。

［1］宋建煜.鉆孔樁壓力注漿法樁底地基強(qiáng)度與變形問題［J］.山西交通科技，2002:43－45.

［2］山西省交通廳.高速公路采空區(qū)(空洞)勘察設(shè)計與施工治理手冊［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］鄭長成.巖體裂隙內(nèi)穩(wěn)定水泥漿液擴(kuò)散范圍的理論分析［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2006:58－63.