范麗虹，蘇 怡，張媛媛

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710001）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,土地使用情況越來越嚴(yán)峻,在煤礦采空區(qū)上方建設(shè)的工程越來越多,但由于采空區(qū)沉降變形,對這些工程的建設(shè)提出了更高的安全要求。

彬長礦區(qū)坐落于陜西省關(guān)中地區(qū)的彬州市、長武縣境內(nèi),是水資源極其匱乏的地區(qū)之一。水資源短缺已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要原因,在新的形勢下,開發(fā)建設(shè)亭口水庫及其輸配水工程,可統(tǒng)籌解決彬長礦區(qū)開發(fā)及當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)生活生產(chǎn)的用水之急。為保證咸陽市彬長礦區(qū)輸配水工程滿足安全、經(jīng)濟(jì)、高質(zhì)量的要求,設(shè)計人員和甲方工程師以及合作單位,不斷尋求合理可行的設(shè)計方法,以保障輸配水工程的安全施工和運(yùn)行。本文基于彬長礦區(qū)輸配水工程對于采空區(qū)的介紹,為后續(xù)的工程建設(shè)提出安全可靠的措施。

1 工程概況

彬長礦區(qū)供水工程是Ⅱ等大（二）型工程,是由兩個取水口、57.9km 輸水管道和4 處加壓泵站等建筑物組成。工程主要建筑物級別為2 級,次要建筑物級別為3 級,臨時建筑物級別為4 級。該工程涉及采空區(qū)的建筑物為三個：亭口配水站（1#采空區(qū)）、彬長服務(wù)區(qū)管線段（2#采空區(qū)）和福銀高速彬縣服務(wù)區(qū)管線段（3#采空區(qū)）。

2 建筑的場地工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告,涉及采空區(qū)段管線主要位于涇河一級階地,呈條帶狀分布。地質(zhì)勘探所達(dá)深度范圍內(nèi)的地層分布情況如下：

（1）第四系全新統(tǒng)（Q4）：主要由人工堆積層（Q4S）、洪積層（Q42pl）、沖洪積層（Q42al+pl）、沖洪積層（Q41al+pl）組成。

（2）第四系上更新統(tǒng)（Q3）：主要由風(fēng)積層（Q3eol）組成,上部為風(fēng)積黃土層,灰黃色,疏松,土質(zhì)均一,層厚8 m～12 m不等；下部為古土壤層,淺棕紅色,質(zhì)均,層厚1 m～2 m 不等。

（3）第四系中更新統(tǒng)（Q2）：主要由風(fēng)洪積層（Q2eol+pl）、沖積層（Q2al）,厚度約1m。

（4）白堊系下統(tǒng)（K1）：主要由華池環(huán)河組砂巖與泥巖互層（K13+4）組成。

3 采空區(qū)地基穩(wěn)定性安全評估

設(shè)計單位對該工程原設(shè)計建筑物地質(zhì)進(jìn)行地基穩(wěn)定性評價,并形成《評價報告》?！对u價報告》主要結(jié)論如下：三段采空區(qū)涉及兩家煤礦。

1）煤礦A 井田范圍內(nèi)煤層厚度12 m～20 m,煤層埋深430 m～500 m,采用綜采放頂煤工藝,頂板自由垮落管理,分層開采。未來開采地表變形量結(jié)果為：

最大沉降量：W=7800 mm～13000 mm

最大傾斜量：i=31.985 mm/m～61.986 mm/m

最大豎曲率：K=±0.199 mm/m2～0.449 mm/m2

最大水平位移：U=2730 mm～4550 mm

最大水平變形：ε=±16.90 mm/m～32.76 mm/m

2）煤礦B 井田范圍內(nèi)煤層厚度約7.6 m～12.6 m,煤層埋深327.3 m～375.8 m,采用綜采放頂煤工藝,頂板自由垮落管理。未來開采地表變形量結(jié)果為：

最大沉降量：W=2925 mm～5400 mm

最大傾斜量：i=12.949 mm/m～25.163 mm/m

最大豎曲率：K=±0.081 mm/m2～0.178 mm/m2

最大水平位移：U=877.5 mm～1620 mm

最大水平變形：ε=±5.66 mm/m～11.40 mm/m

根據(jù)調(diào)查,工程沿線可能存在越界開采的情況,產(chǎn)生較大范圍地表變形。

4 采空區(qū)勘察與穩(wěn)定性評價

經(jīng)過前期工作,對工程建筑物優(yōu)化后,為進(jìn)一步確認(rèn)建筑物范圍內(nèi)采空區(qū)分布、變形情況,由專業(yè)隊伍采用綜合勘察手段查明采空區(qū)在擬建工程場地上的分布范圍、埋藏深度、空間形態(tài)及賦存狀態(tài),論證采空區(qū)場地、地基的穩(wěn)定性,以及采空區(qū)對擬建工程的危害,并提出科學(xué)合理的防治措施建議為治理設(shè)計提供依據(jù),確保整個工程建設(shè)及運(yùn)營期間的安全,形成《評價報告》。

4.1 亭口配水站煤礦A（1#采空區(qū)）

該采空區(qū)為2010 年8 月20 日至2011 年4 月20 日開采,煤層厚12 m～18 m,平均厚度為15 m,傾角2°,大致呈東南向西北傾斜,煤層底板埋深460 m～480 m（高程385.4 m～419.4 m）,采用長臂后退式綜采放頂煤采煤工藝,頂板全部跨落法管理,采高9.3 m,工作面長度約109.4 m,采空區(qū)面積70436 m2,估算目前采空區(qū)剩余空洞體積為183415 m3。采空區(qū)場地穩(wěn)定性對上部工程建設(shè)影響較大,該采空區(qū)內(nèi)剩余變形量較大,采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài),建設(shè)場地適宜性差,結(jié)合建筑物工程特性,設(shè)計采取“注漿充填”工程治理措施。穩(wěn)定性評價見表1。

表1 穩(wěn)定性評價結(jié)果

4.2 彬長服務(wù)區(qū)煤礦A（2#采空區(qū)）

該采空區(qū)為2009 年10 月開采,煤層厚度約19.3 m,底板高程372.1 m～376.8 m,底板埋深479 m～485 m。采用長臂后退式綜采放頂煤工藝,頂板全部跨落法管理,采高8.5 m～8.9 m,工作面長度約190 m。采空區(qū)面積77700 m2,估算采空區(qū)剩余空洞體積為145221 m3。該采空區(qū)剩余變形量較大,處于不穩(wěn)定狀態(tài),采空區(qū)場地穩(wěn)定性對工程建設(shè)影響大,建設(shè)場地適宜性差,結(jié)合管道工程特性,設(shè)計采取抗變形結(jié)構(gòu)措施。穩(wěn)定性評價見表2。

表2 穩(wěn)定性評價結(jié)果

4.3 管線段福銀高速彬縣服務(wù)區(qū)煤礦B（3#采空區(qū)）

該采空區(qū)為2006 年～2015 年,煤層厚7.6 m～12.6 m,平均9.8 m,傾角1°～3°,底板高程為442.4 m～510.7 m,埋深為327.3 m～375.8 m；采用長臂后退式綜采放頂煤工藝,頂板全部跨落法管理,采高5.8 m～7.6 m；工作面長度約為96 m。采空區(qū)面積為925835 m2,估算采空區(qū)剩余空洞體積為1411411 m3。該采空區(qū)剩余變形量較大,處于不穩(wěn)定狀態(tài),采空區(qū)場地穩(wěn)定性對工程建設(shè)影響大,建設(shè)場地適宜性差,結(jié)合管道工程特性,設(shè)計采取抗變形結(jié)構(gòu)措施。穩(wěn)定性評價見表3。

表3 穩(wěn)定性評價結(jié)果

5 彬長礦區(qū)采空區(qū)地基穩(wěn)定性的應(yīng)對措施

根據(jù)采空區(qū)綜合勘察和穩(wěn)定性評價結(jié)論,1#采空區(qū)的剩余變形量大,采空區(qū)目前處于不穩(wěn)定狀態(tài),采空區(qū)場地穩(wěn)定性對上部工程的建設(shè)影響較大,上部建設(shè)的亭口配水站、電站等重要建筑物,安全級別要求高,這些建筑物工程基本無法靠自身結(jié)構(gòu)措施或能力適應(yīng)1#采空區(qū)如此大的剩余變形量,經(jīng)論證,設(shè)計采用“全膠結(jié)注漿充填”工程治理方案。全膠結(jié)注漿充填是在采空區(qū)范圍內(nèi),按照相同的孔距和一定的排列方式,布設(shè)注漿孔,用鉆機(jī)鉆孔,通過注漿泵和注漿管,將攪拌均勻的水泥粉煤灰漿注入到采空區(qū)及其上覆巖體裂隙中,水泥漿液固化后,可膠結(jié)巖層裂隙帶,同時漿液形成的結(jié)石體對采空區(qū)上覆巖層形成支撐作用,可阻止上覆巖層進(jìn)一步的冒落塌陷。全膠結(jié)注漿法已經(jīng)在我國很多個采空區(qū)治理工程中取得了成功的經(jīng)驗,該種方法施工工藝比較成熟,施工相對簡單一點(diǎn),施工易于管理,安全性較高,缺點(diǎn)是材料用量比較大。2#和3#采空區(qū)剩余變形量較大,目前采空區(qū)也處于不穩(wěn)定狀態(tài),采空區(qū)場地穩(wěn)定性對工程建設(shè)影響大,上部敷設(shè)的輸水管道,可以采用抗變形能力強(qiáng)的柔性管材和一定的結(jié)構(gòu)措施,以適應(yīng)采空區(qū)剩余變形量,相比采用采空區(qū)工程治理措施,可大幅節(jié)省工程投資。根據(jù)管道工程各種管材的特性,以及管道輸水工程的成功經(jīng)驗,經(jīng)比選論證,設(shè)計最終采用波紋涵管內(nèi)置聚乙烯PE 管方案,即采用聚乙烯PE管承擔(dān)內(nèi)水壓力,波紋鋼管承擔(dān)外部填土壓力。

6 結(jié)語

由于目前國內(nèi)針對采空區(qū)問題的研究較少,且缺乏經(jīng)驗,研究主要還是依據(jù)《礦山開采沉陷學(xué)》理論和煤礦“三下”采煤經(jīng)驗,再結(jié)合我國多個采空區(qū)的治理工程實踐,文中提出的“注漿充填”措施和抗變形結(jié)構(gòu)措施還有待于后續(xù)的工程實踐的檢驗。隨著科技的發(fā)展和城市化的進(jìn)程,會有越來越多的建設(shè)活動在特殊地區(qū)上進(jìn)行。通過在設(shè)計階段對特殊地質(zhì)條件不利影響的充分考慮,經(jīng)過科學(xué)的計算分析,并采取正確、可行的措施,同樣能保證該建筑的安全性、及后期的正常使用,同時控制建設(shè)成本,避免無謂地增加造價。