孫慶先，張俊英，陳 凱，陳清通，賈新果

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

“山西大同采煤沉陷區(qū)國(guó)家先進(jìn)技術(shù)光伏示范基地”是首個(gè)獲國(guó)家能源局批準(zhǔn)的光伏“領(lǐng)跑者”計(jì)劃項(xiàng)目。該項(xiàng)目第1期開(kāi)發(fā)建設(shè)裝機(jī)容量1 000 MW，包括12個(gè)單體項(xiàng)目、1個(gè)基地公共平臺(tái)項(xiàng)目以及1個(gè)公共基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。

大同有“煤都”之稱(chēng)，煤炭開(kāi)采歷史悠久，淺部煤層多采用古法開(kāi)采，存在大量尚未冒落的采空區(qū)。光伏項(xiàng)目的建設(shè)實(shí)施使地基土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，采空區(qū)不穩(wěn)定，存在嚴(yán)重的安全隱患。消除隱患的有效方法是對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿加固處理。

匯集站是電能匯集之地，只有將分散的電能匯集并升壓后才能送至電網(wǎng)，所以匯集站是必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施。匯集站內(nèi)建筑密集，設(shè)備沉重。如果匯集站發(fā)生沉陷導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作或損毀，將會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文以曹家溝110 kV匯集站為例敘述采空區(qū)注漿治理技術(shù)。

1 工程概況

1.1 110 kV匯集站平面結(jié)構(gòu)布置

110 kV匯集站主要建筑及設(shè)備集中布置在58.6 m×47 m的建筑區(qū)內(nèi)。匯集站內(nèi)主要建(構(gòu))筑物和設(shè)備有110 kV變壓器、SVG變壓器、事故油池、35 m避雷針、35 kV一次設(shè)備艙、二次設(shè)備艙、SVG艙、生活設(shè)施箱房、值班箱房、防火墻、電纜溝、消弧線圈、戶(hù)外支架等，匯集站內(nèi)四周有暗排水溝，并建有圍墻[1]。110 kV匯集站標(biāo)準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)布置形式見(jiàn)圖1。

圖1 110 kV標(biāo)準(zhǔn)匯集站平面結(jié)構(gòu)和鉆孔布置圖

各種設(shè)備設(shè)施均有明確的尺寸和承載力要求。例如:110 kV變壓器基礎(chǔ)平面尺寸3.0 m×4.46 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大塊砼板式基礎(chǔ)，總重(含基礎(chǔ))約180 t，基底埋深約1.4 m，地基承載力≥150 kPa；獨(dú)立避雷針基礎(chǔ)平面尺寸2.5 m×2.5 m，總重(含基礎(chǔ))約45 t，基底埋深約2.5 m，地基承載力≥150 kPa；二次設(shè)備艙總重(不含基礎(chǔ))約45 t，基礎(chǔ)平面尺寸23.0 m×3.4 m，基底埋深約1.8 m，地基承載力≥150 kPa；匯集站內(nèi)電纜溝縱橫交錯(cuò)，寬、深不一，基底埋深約1.5 m，地基承載力≥100 kPa。

1.2 曹家溝110 kV匯集站下方煤層與采空區(qū)情況

大同礦區(qū)地表多為黃土覆蓋，基巖僅出露于溝谷底部及山脊。區(qū)域內(nèi)除震旦界、上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)、三疊系沉積缺失外，其太古界、古生界、新生界均有不同厚度的沉積。大同煤田為雙系煤田，即侏羅系和石炭二疊系煤層重疊賦存。大同煤田下煤系含煤地層為石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，上煤系含煤地層為侏羅系中統(tǒng)大同組。

根據(jù)收集到的資料分析，曹家溝110 kV匯集站下方可能有存在于大同組2#煤和3#煤古法采煤形成的老采空區(qū)。為明確匯集站下方煤層開(kāi)采情況[2]，在匯集站區(qū)域均勻布置5個(gè)勘查鉆孔，周邊4個(gè)，中部1個(gè)，全部取芯。鉆孔位置見(jiàn)圖1。

曹家溝110 kV匯集站5個(gè)勘查鉆孔都發(fā)生兩次掉鉆現(xiàn)象，說(shuō)明淺部存在兩層采空區(qū)，且采空區(qū)頂板比較完好。根據(jù)鉆孔資料分析[2]，2#煤平均開(kāi)采深度54.12 m，平均開(kāi)采煤層厚度2.12 m，平均掉鉆1.09 m；3#煤平均開(kāi)采深度83.58 m，平均開(kāi)采煤層厚度2.55 m，平均掉鉆1.68 m。

2 曹家溝110 kV匯集站地基穩(wěn)定性評(píng)估

煤層開(kāi)采后，一般上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶和彎曲帶?？迓鋷Ш蛿嗔褞?合稱(chēng)垮落斷裂帶，簡(jiǎn)稱(chēng)“兩帶”)的巖層雖經(jīng)壓實(shí)，仍不可避免地存在一定的裂縫和離層，其強(qiáng)度明顯低于原巖的強(qiáng)度。如果地表荷載傳遞到這“兩帶”，地表將進(jìn)一步引起沉降和變形，當(dāng)采空區(qū)有空洞時(shí)，地表可能發(fā)生滯后型突發(fā)性切冒塌陷。

2.1 覆巖破壞高度計(jì)算

曹家溝110 kV匯集站下方2#煤、3#煤開(kāi)采年代、開(kāi)采工藝不詳，按最不利情況考慮。根據(jù)大同礦區(qū)開(kāi)采煤層上覆巖層巖性，選擇《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》(2000年)中給出的開(kāi)采堅(jiān)硬頂板條件時(shí)的“兩帶”高度計(jì)算公式見(jiàn)式(1)[3]。

(1)

式中,M為開(kāi)采煤層有效采厚，m。

經(jīng)計(jì)算，2#煤采空區(qū)“兩帶”為53.68 m，3#煤采空區(qū)“兩帶”為57.91 m。

2.2 建(構(gòu))筑物和設(shè)備荷載影響深度計(jì)算

建(構(gòu))筑物和設(shè)備使地基土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，荷載的影響深度隨荷重的增加而增大。如果地表荷載下方有采空區(qū)，當(dāng)荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力等于相應(yīng)位置處地基土層的自重應(yīng)力的10%時(shí)，可認(rèn)為附加應(yīng)力對(duì)該深度處的地基不產(chǎn)生影響。該深度即為荷載影響深度H影。

地基附加應(yīng)力按式(2)計(jì)算。

σZ=kP0

(2)

式中：k為荷載下的豎向附加應(yīng)力系數(shù)，可查表取值；P0為作用于基礎(chǔ)底面平均附加壓力，kN/m2。

經(jīng)計(jì)算，110 kV匯集站建(構(gòu))筑物和設(shè)備荷載影響深度H影為26 m。

2.3 曹家溝110 kV匯集站地基穩(wěn)定性

采空區(qū)地基穩(wěn)定，也就是采空區(qū)垮落斷裂帶不再因荷載擾動(dòng)而重新移動(dòng)，煤層開(kāi)采最小采深H應(yīng)該大于垮落斷裂帶高度H裂、荷載影響深度H影和保護(hù)層h之和(稱(chēng)為臨界深度H臨)[4-6]，見(jiàn)式(3)。

H>H臨=H裂+H影+h

(3)

考慮地基荷載分布和附加應(yīng)力在土(巖)體中傳遞的復(fù)雜性，保護(hù)層h是為增加可靠性而設(shè)置的，一般取h=5～10 m，此處取h=5 m。

經(jīng)計(jì)算，對(duì)于2#煤，H=54.12 m，H臨=84.68 m；對(duì)于3#煤，H=83.58 m，H臨=88.91 m?？梢?jiàn)，無(wú)論是2#煤還是3#煤，最小采深H都小于臨界深度H臨，采空區(qū)地基都是不穩(wěn)定的。曹家溝110 kV匯集站下方采空區(qū)淺，空洞大，建(構(gòu))筑物和設(shè)備荷載致采空區(qū)極不穩(wěn)定，易“活化”，地表可能發(fā)生滯后型突發(fā)性切冒塌陷，從而造成重大損失。

可見(jiàn)，對(duì)曹家溝110 kV匯集站下方采空區(qū)進(jìn)行加固治理是必要的。注漿加固治理工程必須在光伏項(xiàng)目建設(shè)之前完成。

3 注漿方案設(shè)計(jì)

曹家溝110 kV匯集站下方淺部?jī)蓪硬煽諈^(qū)的頂板較完整，間距約29 m，未導(dǎo)通。根據(jù)采空區(qū)特點(diǎn)和當(dāng)?shù)刈{材料供應(yīng)便利的條件，決定采取注漿充填加固治理方案。

3.1 注漿孔布置

治理范圍內(nèi)共布置注漿鉆孔29個(gè)(5個(gè)勘查鉆孔兼做注漿鉆孔)，其中帷幕孔18個(gè)，建(構(gòu))筑物外6 m布置，孔距15 m；內(nèi)部孔11個(gè)，均勻布置[7]。鉆孔布置如圖1所示。

采用萊卡TPS1800型全站儀實(shí)測(cè)鉆孔孔位，鉆孔偏差<0.5 m。

鉆孔開(kāi)孔采用Φ127 mm鉆頭鉆進(jìn)，進(jìn)入穩(wěn)定基巖5 m后下入Φ114 mm的套管?；鶐r層鉆進(jìn)采用Φ98 mm鉆頭鉆進(jìn)。松散層鉆進(jìn)時(shí)用膨潤(rùn)土漿液進(jìn)行泥漿護(hù)壁。

3.2 采空區(qū)治理范圍和注漿工程量

3.2.1 采空區(qū)治理范圍

根據(jù)曹家溝110 kV匯集站下方淺部?jī)蓪用旱馁x存特點(diǎn)，參考以往采空區(qū)治理經(jīng)驗(yàn)，匯集站外圍外擴(kuò)24 m作為3#煤采空區(qū)的治理范圍，為82.6 m×71 m的矩形，面積為4 130 m2。

3.2.2 注漿工程量

注漿總體積由式(4)計(jì)算[8-11]。

Q=S×M×K1×K2×K3÷K4

(4)

式中：Q為采空區(qū)注漿量，m3；S為采空區(qū)治理面積，m2；M為煤層采厚。此處按掉鉆量計(jì)，2#煤平均掉鉆1.09 m，3#煤平均掉鉆1.68 m；K1為煤層回采率，取值60%；K2為注漿體積充填率，范圍在0.75～0.95之間，此處取值0.85；K3為漿液損失率，范圍在1.0～1.5之間，此處考慮帷幕鉆孔流失取值1.2；K4為漿液結(jié)石率(結(jié)石體積與漿液體積的比例)，范圍在0.7～0.95之間，此處取值0.85。

經(jīng)計(jì)算，2#煤采空區(qū)注漿量為4 603 m3，3#煤采空區(qū)注漿量為7 094 m3。注漿量總為11 697 m3。單孔注漿量按式(5)計(jì)算[8-11]。

Q單=π×R2×M×K2×K3÷K4

(5)

式中R為漿液有效擴(kuò)散半徑。

經(jīng)計(jì)算，2#煤采空區(qū)治理單孔注漿量平均約160 m3，3#煤采空區(qū)治理單孔注漿量平均約250 m3。單孔注漿量超過(guò)預(yù)估注漿量時(shí)，在漿液中添加適量速凝劑。

3.3 注漿材料與配比

3.3.1 注漿材料

選用水泥粉煤灰漿液為主要注漿材料。為控制漿液擴(kuò)散，帷幕孔添加3%～5%的水玻璃添加劑。對(duì)打鉆過(guò)程中掉鉆量大于0.3 m的鉆孔，在注漿前先充填骨料。骨料為石屑和粉碎后的礦渣。在充填骨料施工過(guò)程中，間歇用比重為1.1～1.2之間的水泥粉煤灰漿液與骨料混合充填，確保骨料有漿液膠結(jié)。

水泥用普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)32.5；粉煤灰需符合國(guó)家《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596—2005)中Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[12]。水玻璃模數(shù)2.4～3.4之間，濃度34～40波美度。石屑和礦渣要求級(jí)配良好、質(zhì)地堅(jiān)硬、顆粒潔凈，含泥量小于5%，有機(jī)物含量小于3%。

3.3.2 注漿材料的配比

以水泥、粉煤灰重量比1∶1、1∶15、1∶2、1∶25、1∶3、1∶35、1∶4、1∶5做試驗(yàn)[13]。分析試驗(yàn)結(jié)果并依照以往施工經(jīng)驗(yàn)，確定水泥粉煤灰漿液重量比1∶3、水固比1∶1.2為注漿主要配比[6]。注漿施工過(guò)程中，每500 m3抽檢一組漿液試樣，檢測(cè)漿液的密度、結(jié)石率、初凝時(shí)間和終凝時(shí)間、試塊28 d齡期的抗壓強(qiáng)度。

3.4 注漿工藝

因?yàn)椴芗覝?10 kV匯集站下方淺部?jī)蓪硬煽諈^(qū)的頂板較完整，未導(dǎo)通，所以采用下行法注漿法，先注漿治理2#煤采空區(qū)，2#煤采空區(qū)注漿施工結(jié)束后，掃孔注漿治理3#煤采空區(qū)。

先對(duì)帷幕鉆孔注漿，后對(duì)中部鉆孔注漿。帷幕鉆孔注漿間歇過(guò)程中可對(duì)內(nèi)部鉆孔少量注漿，待形成注漿帷幕之后再對(duì)內(nèi)部鉆孔大量注漿。帷幕鉆孔注漿施工中，單孔注漿量超過(guò)預(yù)估量且注漿壓力上升較慢時(shí)，在漿液中加入體積3%～5%的水玻璃。

注漿采用間歇循環(huán)注漿，單孔注入一定量骨料和漿液后換另一鉆孔注漿(骨料約40 m3，漿液約10 m3),間歇時(shí)間10～15 min。

漿液濃度先稀后稠，先用稀漿壓入孔內(nèi)，逐漸至正常配比漿液注入孔內(nèi)。定時(shí)觀測(cè)注漿泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過(guò)程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，并根據(jù)實(shí)際情況添加速凝劑等。

2#煤采空區(qū)治理終孔注漿壓力不小于1.5 MPa，3#煤采空區(qū)治理終孔注漿壓力不小于1.2 MPa。注漿治理以靜注為主，當(dāng)注漿壓力孔口管壓力達(dá)到1.5 MPa，穩(wěn)定15 min，或漿液流量小于70 L/min，穩(wěn)定15 min，或鉆孔口溢出漿液時(shí)，結(jié)束該注漿鉆孔的注漿施工。

BW-250型注漿泵3臺(tái)，2臺(tái)工作，1臺(tái)備用。

4 注漿效果檢測(cè)

曹家溝110 kV匯集站下方淺部?jī)蓪硬煽諈^(qū)注漿加固治理施工按設(shè)計(jì)進(jìn)行。2#煤采空區(qū)實(shí)際注漿量為4 622.5 m3，3#煤采空區(qū)實(shí)際注漿量為7 408.5 m3，合計(jì)12 031 m3，投入骨料695 m3。

1) 鉆孔取芯檢測(cè)。在注漿完成3個(gè)月之后，對(duì)注漿效果進(jìn)行了檢測(cè)。第1個(gè)檢測(cè)孔布置在注漿場(chǎng)區(qū)西側(cè)外2.5 m處，全孔取芯，鉆進(jìn)至50～60 m時(shí)，掉鉆100 mm，鉆進(jìn)至80～90 m時(shí)，取出少量煤塊，認(rèn)為是3#煤采空區(qū)煤柱，該孔無(wú)代表性。故又在注漿場(chǎng)區(qū)北側(cè)外2.5 m處布置第2個(gè)鉆孔，全孔取芯，鉆進(jìn)至51 m時(shí)，鉆進(jìn)速度增快，取出了漿液結(jié)石體，在鉆進(jìn)至86 m時(shí)，鉆進(jìn)速度又一次加快，取出了漿液結(jié)石體。取出的結(jié)石體都比較完整，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)表明其抗壓強(qiáng)度大于1.5 MPa。

2) 補(bǔ)注漿檢測(cè)。采用水泥漿對(duì)第2個(gè)檢測(cè)孔進(jìn)行了補(bǔ)注漿，注漿量約30 m3，壓力大于1.5 MPa。附近的注漿孔單孔注漿量180 m3，補(bǔ)注漿量是施工注漿的約17%，說(shuō)明注漿量達(dá)到了設(shè)計(jì)充填量不小于80%的要求。

3) 波速檢測(cè)。對(duì)第2個(gè)檢測(cè)孔進(jìn)行了波速測(cè)試，間隔1.0 m測(cè)試1次，測(cè)速儀型號(hào)WAVE3000，剪切波速值范圍是273～433 m/s，大于采空區(qū)注漿治理要求的Vs>160 m/s的波速指標(biāo)要求。

以上說(shuō)明，曹家溝110 kV匯集站下方淺部采空區(qū)注漿加固治理質(zhì)量可靠，達(dá)到了治理效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

大同礦區(qū)是第一個(gè)在采煤沉陷區(qū)上建設(shè)光伏項(xiàng)目的地區(qū),對(duì)匯集站下方采空區(qū)進(jìn)行加固治理是必要的。曹家溝110 kV匯集站下方淺部采空區(qū)注漿加固治理施工結(jié)束4個(gè)月后通過(guò)驗(yàn)收，匯集站投入運(yùn)行，運(yùn)行情況一直良好，表明采空區(qū)治理后地基穩(wěn)定性得到明顯提高。本文提出的注漿治理方法是可行的，設(shè)計(jì)的方案是合理的，達(dá)到了治理效果，保證了匯集站的正常運(yùn)行。

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