李杰

(新疆交通建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830046)

烏魯木齊煤田是中國西北部重要的侏亻羅紀(jì)煤田，轄區(qū)內(nèi)煤炭儲量達(dá)100億t以上。但是經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的開采，在市區(qū)地表形成了約440萬m2的地面塌陷，嚴(yán)重影響了市區(qū)的生態(tài)環(huán)境和城市基礎(chǔ)建設(shè)，同時(shí)也制約了城市的整體規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

擬建烏魯木齊市東二環(huán)道路工程位于烏魯木齊市東側(cè)，是國家高速公路網(wǎng)的重要組成部分，同時(shí)也是新疆維吾爾族自治區(qū)2011—2020年公路網(wǎng)規(guī)劃中提出的“三橫兩縱兩環(huán)八通道”網(wǎng)絡(luò)中“兩環(huán)”的重要組成部分。擬建道路經(jīng)過某煤礦采空區(qū)(K11+260～K11+560)，該區(qū)域煤層開采具有厚度大(30～40 m)、埋深淺以及急傾斜等特點(diǎn)，致使其開采形成的采空區(qū)特征與其他地質(zhì)條件下的采空區(qū)相比具有一定的特殊性。因此，開展公路下伏急傾斜煤層采空區(qū)的全充填壓力注漿加固措施研究具有重要的意義。

近年來，許多專家和學(xué)者從不同角度對道路工程采空區(qū)的治理措施進(jìn)行了研究和實(shí)踐，并取得了較好的治理效果[1-6]。此外，由于近年來烏魯木齊市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施的修建，同樣也面臨著很多采空區(qū)治理的工程問題，李云龍、張為、張志沛、郭良春等學(xué)者提出了該地區(qū)采空區(qū)治理的可行性方案[7-10]，也為此次研究提供了借鑒。該文從研究區(qū)下伏采空區(qū)孕育地質(zhì)條件的角度出發(fā)，采用全充填壓力注漿加固措施對烏魯木齊市東二環(huán)道路工程下伏急傾斜煤層采空區(qū)進(jìn)行治理。通過治理措施的研究，可為該地區(qū)同類工程的治理提供一種技術(shù)方案。

1 研究區(qū)地質(zhì)條件概況

研究區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性氣候。研究區(qū)線路工程分布有八道灣河和水磨河，均為研究區(qū)內(nèi)常年性河流。此外，研究區(qū)位于八道灣河的河谷區(qū)，地勢總體呈現(xiàn)南高北低、東高西低的特征，海拔高度700～800 m。研究區(qū)分布的地層主要為第四系和侏亻羅系。其中第四系主要由第四系全新統(tǒng)沖洪積層、上更新統(tǒng)沖洪積和風(fēng)積層組成。而侏亻羅系主要包括下侏亻羅統(tǒng)三工河組、中侏亻羅統(tǒng)西山窯組和頭屯河組。研究區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造包括八道灣向斜、七道灣背斜以及碗窯溝斷層等[10]。

由于研究區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)在開采擾動(dòng)條件下進(jìn)行了重構(gòu)，致使區(qū)內(nèi)下伏采空區(qū)地下水的水文地質(zhì)條件變差。此外，由于西部礦區(qū)上覆基巖均為侏亻羅系和白堊系弱膠結(jié)巖石，與東部礦區(qū)石炭系覆巖物理力學(xué)性質(zhì)具有較大的差異，使得煤層高強(qiáng)度開采后，采空區(qū)的工程地質(zhì)條件變得更差。

2 研究區(qū)下伏采空區(qū)的發(fā)育特征分析

通過野外實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)下伏急傾斜采空區(qū)的發(fā)育特征主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 煤層采空區(qū)呈急傾斜，傾角60°～80°。區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，總體為一向斜褶皺，斷裂不發(fā)育，煤礦采空區(qū)亦呈急傾斜狀分布。由于是急傾斜煤層，采空區(qū)埋深變化大，為30～190 m。

(2) 多層采空區(qū)。煤礦為急傾斜近距離多煤層開采，采用倉儲式開采方式，開采煤層為B1～B35，煤礦開采總厚度為30～64 m。采空區(qū)冒落、裂隙，離層、抽冒等現(xiàn)象明顯。

(3) 越界開采。由于當(dāng)時(shí)管理不到位，沿線煤礦不同程度存在越界開采情況，致使采礦資料不詳。部分保安煤柱被開采，導(dǎo)致采空區(qū)變形情況更為復(fù)雜。

烏魯木齊市東二環(huán)公路主線經(jīng)過軍區(qū)煤礦采空區(qū)。軍區(qū)煤礦20世紀(jì)50年代開始建井投產(chǎn)，2010年停產(chǎn)。主采煤層為第三組B7～B20煤層，煤層總厚度為64.0 m，煤層產(chǎn)狀為310°∠70。軍區(qū)煤礦采空區(qū)位于線路里程K11+300～K11+560。通過現(xiàn)場實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)，軍區(qū)煤礦向擬建道路方向有越界開采現(xiàn)象，八道灣公路旁墻體有拉裂和房屋開裂的現(xiàn)象，礦區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量的采空區(qū)塌陷坑和裂縫。軍區(qū)煤礦采空區(qū)特征如表1所示。

表1 軍區(qū)煤礦采空區(qū)發(fā)育特征

此外，根據(jù)《礦山開采沉陷學(xué)》中的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式[11]，對研究區(qū)下伏采空區(qū)的下沉變形量的特征值進(jìn)行了預(yù)計(jì)計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 軍區(qū)煤礦采空區(qū)下沉變形量計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出：軍區(qū)煤礦采空區(qū)估算最大剩余沉降量約為877 mm，尚處于不穩(wěn)定狀態(tài)；同時(shí)，下伏采空區(qū)的剩余變形量也不能滿足公路路基規(guī)范對變形的要求。

3 研究區(qū)下伏采空區(qū)的工程治理措施

由于研究區(qū)下伏急傾斜采空區(qū)還處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，為確保烏魯木齊市東二環(huán)道路工程的安全運(yùn)營，需要對研究區(qū)下伏急傾斜煤層采空區(qū)的治理措施進(jìn)行研究。

3.1 治理方案

目前國內(nèi)外對采空區(qū)的治理措施主要分為注漿法和非注漿法。注漿法的主要適用范圍包括提高地基承載力的注漿、帷幕注漿以及防止地表下沉的注漿等。而非注漿法包括放頂處理、換填夯實(shí)或強(qiáng)夯處理、深坑開挖以及橋跨方法等[2,12]。針對烏魯木齊市東二環(huán)道路工程性質(zhì)和急傾斜煤層采空區(qū)的特點(diǎn)，主要采用全充填壓力注漿的治理方案對采空區(qū)進(jìn)行充填和對保安煤柱區(qū)進(jìn)行加固。研究區(qū)下伏采空區(qū)治理工程縱斷面圖如圖1所示。

圖1 采空區(qū)治理工程縱斷面圖(單位：m)

3.2 治理范圍

(1) 治理長度

該采空區(qū)治理段路線走向與煤層走向近似垂直，道路縱向采空區(qū)治理長度為采空區(qū)在路線上的投影長度與采空區(qū)上山影響帶及下山影響帶在線路上的投影長度之和。采空區(qū)治理長度計(jì)算示意如圖2所示。

圖2 采空區(qū)治理長度計(jì)算示意圖

采空區(qū)治理長度可按式(1)計(jì)算：

L=S+(2hcotφ+1/2H下cotβ+H上cotγ)

(1)

式中：L為垂直公路中線的水平方向?qū)挾?m)；S為采空區(qū)在路線上的投影長度(m)；h為松散層厚度(m)，根據(jù)勘察結(jié)果取20 m；φ為松散層移動(dòng)角(°)，取40°；H下為下山方向采空區(qū)覆巖厚度(m)；H上為上山方向采空區(qū)覆巖厚度(m)；β為下山方向采空區(qū)覆巖移動(dòng)角(°)，取35°；γ為上山方向采空區(qū)覆巖移動(dòng)角(°)，取75°。

軍區(qū)煤礦位于豐源煤礦、八道灣煤礦之間，采空區(qū)相距很近，采空區(qū)塌陷后冒落、裂隙相互疊加影響，整體連通成一個(gè)塌陷區(qū)域。因此，在采空區(qū)治理長度計(jì)算時(shí)，將3個(gè)煤礦采空區(qū)納入一個(gè)整體考慮。軍區(qū)煤礦采空區(qū)治理長度與豐源煤礦及軍區(qū)煤礦相接，治理長度為300 m。

(2) 治理寬度

道路橫向治理寬度計(jì)算示意見圖3。

圖3 采空區(qū)治理寬度計(jì)算示意圖

采空區(qū)治理寬度可按式(2)計(jì)算：

M=D+2B+2(hcotφ+Hcotδ)

(2)

式中：M為垂直公路中線的水平方向?qū)挾?m)；D為公路路基底面寬度(取道路紅線寬度70 m)；B為路基圍護(hù)帶一側(cè)的寬度(取10 m)；h為松散層厚度(m)，根據(jù)勘察結(jié)果取20 m；H為采空區(qū)覆巖厚度(m)；φ為松散層移動(dòng)角(°)，取40°；δ為采空區(qū)覆巖走向移動(dòng)角(°)，取75°。

將以上參數(shù)代入式(2)可計(jì)算采空區(qū)治理寬度為216 m，為了考慮兩側(cè)采空區(qū)影響，治理寬度可在計(jì)算寬度的基礎(chǔ)上增加18 m，即治理寬度為234 m。

(3) 治理深度

采空區(qū)邊界以內(nèi)治理深度為地面至采空區(qū)底板以下1 m處，采空區(qū)邊界外側(cè)至巖層移動(dòng)影響范圍以內(nèi)根據(jù)礦層移動(dòng)影響角確定。

(4) 注漿量

注漿量按式(3)進(jìn)行估算：

Q=A×ΔV×η÷C

(3)

式中：Q為注漿總量(m3)；A為漿液損失系數(shù)，取1.2；ΔV為采空區(qū)剩余空洞體積(m3)，據(jù)勘察結(jié)果約為35 430 m3；η為漿液充填率，取85%；C為漿液結(jié)石率，取80%。

通過式(3)估算出軍區(qū)煤礦采空區(qū)注漿量約為45 174 m3。

3.3 漿液材料

根據(jù)中國對采空區(qū)治理所使用的漿液類型，并結(jié)合烏魯木齊地區(qū)材料供給情況，主要采用水泥粉煤灰漿液。漿液材料主要由水、水泥以及粉煤灰等組成。速凝劑宜用水玻璃，骨料可為當(dāng)?shù)禺a(chǎn)中粗砂或石屑。

3.4 工藝流程

全充填壓力注漿法是在地表鉆孔，通過注漿泵、注漿管，將具有充填、膠結(jié)性能的漿液注入采空區(qū)冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶中，漿液經(jīng)過硬化，使得采空區(qū)上覆破碎基巖的強(qiáng)度增加，起到支撐作用，進(jìn)而達(dá)到滿足公路路基規(guī)范對變形的要求。具體施工工藝流程見圖4。

圖4 全充填壓力注漿工藝流程圖

3.5 注漿效果

通過鉆孔檢測、孔內(nèi)波速測井以及地面沉降觀測對烏魯木齊市東二環(huán)道路工程下伏急傾斜煤層采空區(qū)的加固效果進(jìn)行綜合評價(jià)。

(1) 鉆孔檢測。注漿施工結(jié)束6個(gè)月后，按注漿孔和帷幕孔總數(shù)的2%設(shè)置檢查孔數(shù)量。通過鉆孔施工過程情況和漿液結(jié)石體巖芯抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在鉆探過程中未見異常情況，全孔返水，并在檢測孔內(nèi)局部可見呈碎塊、碎石狀漿液結(jié)石體；此外，鉆孔內(nèi)漿液結(jié)石體巖芯無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為4.7 MPa，滿足規(guī)范要求(>0.6 MPa)，說明注漿效果良好。

(2) 地面沉降觀測。在治理工程施工期間設(shè)立地面沉降觀測點(diǎn)4個(gè)。監(jiān)測時(shí)間自2018年6月1日至2019年5月31日，時(shí)長12個(gè)月，共進(jìn)行了37期地面沉降觀測工作。研究區(qū)JC1監(jiān)測點(diǎn)沉降曲線見圖5。

圖5 JC1監(jiān)測點(diǎn)沉降曲線圖

分析沉降觀測成果可知：在2018年6月至10月工程施工期間為沉降活動(dòng)期，沉降量變化大，沉降沒有規(guī)律性；2018年9月至11月沉降變化較大，主要為冰雪降臨融化，工程施工期間，沉降反應(yīng)劇烈；2019年1月至5月沉降變化非常小，在工程施工結(jié)束期間，此階段沉降穩(wěn)定。漿液在一定程度上起到了加固效果。

(3) 孔內(nèi)波速測井。通過孔內(nèi)橫波波速試驗(yàn)檢測結(jié)果可以看出：檢測鉆孔內(nèi)剪切波速趨勢正常，無異常情況，平均剪切波速為1 095.85 m/s，滿足規(guī)范要求(>250 m/s)，說明注漿質(zhì)量符合要求。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)擬建道路工程性質(zhì)及下伏急傾斜煤層采空區(qū)的狀況，采用全充填壓力注漿的治理方案對采空區(qū)進(jìn)行充填和對保安煤柱區(qū)進(jìn)行加固。

(2) 研究區(qū)采空區(qū)的治理長度300 m，寬度234 m，治理深度為地面至采空區(qū)底板以下1 m，注漿量約45 174 m3；漿液類型主要采用水泥粉煤灰漿液，速凝劑宜用水玻璃，骨料可為當(dāng)?shù)禺a(chǎn)中粗砂或石屑。

(3) 鉆孔檢測、孔內(nèi)波速測井以及地面沉降觀測等方法檢測結(jié)果表明，漿液在一定程度上起到了加固效果，注漿質(zhì)量符合要求。