水工建筑物下伏采空区稳定性分析及治理

屈艳妮¹  刘 斌¹  刘小平²  房 刚¹  

（1陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西西安 710001，2中煤科工集团西安研究院有限公司 陕西西安 710054）

摘要：针对位于煤矿采空区水工建筑物的安全稳定问题，在进行采空区勘察调查的基础上，采用概率积分法，对建筑物下伏采空区稳定性进行分析、评价，并对建筑物下伏采空区治理范围、方法进行研究，提出了具体的治理施工技术方案、质量要求和预期效果，为同类工程提供可借鉴的经验。

关键词：采空区   稳定分析  治理措施  灌注充填

【中图分类号】：

Stability analysis and treatment of mined out area under hydraulic structure

Qu yanni¹,Liu bin¹,Liu xiaoping²,Fang gang¹

1 Shaanxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design，Xi'an 710001，China

2 China Coal Technology Engineering Group Xi’An Branch  Xi’An 710054 China

ABSTRACT: Aiming at safety and stability of hydraulic structures located in goaf of coal mines, use probability integral method to analyse stability under hydraulic structure based on the investigations. Researching on the scope and method of goaf control under hydraulic structure, Putting forward specific construction technology plans, quality requirements and anticipate results, providing experience for similar projects.

Key Words:mine goaf; stability analysis; governance measures; inject filling

1基本情况

1.1供水工程概述

项目以亭口水库为水源，向彬长矿区工矿企业供水，年供水7179万m³，彬长矿区输配工程输水线路经过亭南煤矿采空区，其中水工建筑物配水站（含亭口水库配水泵站、中塬沟水库反调节泵站、亭口坝后电站、及附属宿办楼）位于亭南煤矿201工作面上。

1.2采空区查勘结果

亭南煤矿井田面积35.55km²，开采4^#煤层。煤层平均厚度15m，该煤矿2002年开始筹建，2005年12投产，该矿规模为3.00Mt/a，服务年限50.5a，采高9.3m。

201工作面开采为时间2010年8月20日至2011年4月20日，采用长臂后退式综采放顶煤采煤工艺，顶板全部跨落法管理^［1］。采煤层为4^#煤层，由南向北变厚，倾角2°，煤层厚12～18m，平均厚为15m，煤层底板埋深为460～480mm，平均为470m（高程385.4—419.4m），工作面倾向长度109.4m，排进距离636m，采空面积70436m²（见图1）。

图1   配水站采空区平面分布图(治理范围图)

    采空区覆岩结构为覆盖层厚度10.0～12m，平均厚度11m，基岩厚度438.35～442.10m，平均厚度约440.23m，煤层顶板以砂岩为主，局部为泥岩或砂质泥岩，采空区“三带”发育特征明显，垮落带高度17.4m，导水裂隙带高度142.1m，裂采比15.3，采空区部分被垮落体充填，钻探掉钻明显，采空区剩余空洞体积为168742m³（图2）。

 

图2  配水站采空区T1-T1’工程地质断面图

1.3存在的问题

在建的配水站位于亭南煤矿201工作面的采空区范围内，且建筑物基础属于丙类。由于煤矿采空区的围岩失稳而产生位移、开裂、破损垮落，直至上覆岩层整体下沉、弯曲引起地表变形和破坏。建在煤矿采空区的配水站在建设和使用过程中受到下伏采空区带来的地面变形地质灾害的影响，从而导致建筑物的损害，影响了建筑物的正常使用，甚至威胁到人们的生命和财产安全^{［2、3、4］}。因此，必须对工程区内的采空情况进行勘察、评价，提出治理措施。

2 地表变形量计算方法及稳定分析

2.1 计算方法

常用的地表移动变形计算方法有概率积分法、负指数函数法、威布尔函数法和典型曲线法等，其中概率积分法参数容易确定，使用比较广泛，根据对国内外地表移动研究表明，本区地表残余移动分布规律基本符合概率积分模型。

2.2计算参数

采空区变形量：

w—最大沉降量（mm），，

i—最大倾斜量（mm/m），，

K—最大竖曲率（mm/m²），，

—最大水平位移（mm），，

—最大水平变形（mm/m），。

采空区剩余变形量：

w—最大剩余沉降量（mm），，

i—最大剩余倾斜量（mm/m），，

K—最大剩余竖曲率（mm/m²），，

—最大剩余水平位移（mm），，

—最大剩余水平变形（mm/m），。

式中：q—为下沉系数取0.6～0.8，取0.8；

n——地表充分采动系数，；D1、D3为倾向及走向工作面长度（m）；k与覆岩岩性有关的系数，坚硬岩石取0.7，较坚硬岩石取0.8，软弱岩石取0.9，取0.457；

H_0——为采空区埋深（m），取470m；

m—采厚(mm)，对于条带开采，根据回采率按等效采厚计算，取9300mm；

α—煤层倾角，α=5°；

r—地表主要影响半径(m)，其值与埋深（H₀）呈正比，与煤层影响角（β）的正切值成正比。即：r= H₀/tgβ，取171.1m；

b—水平移动系数取值范围在0.30～0.40之间，取0.307；

η—综合剩余沉降系数，根据地面调查、采矿调查、钻探结果等因素按（GB51044—2014）附录H.0.6确定，取0.28。

2.3采空区变形量

地表最大变形预测值：w最大下沉值3774.34mm，i最大倾斜变形值21.605～22.533mm/m，K最大剩余曲率变形值0.188～0.204mm/m²，最大剩余水平移动值1158.72 mm，最大剩余水平变形值10.082～10.515mm/m。

地表最大剩余变形预测值：w最大剩余下沉值943.59mm，i最大剩余倾斜变形值5.401～5.633mm/m，K最大剩余曲率变形值0.047～0.051mm/m²，最大剩余水平移动值289.68 mm，最大剩余水平变形值2.520～2.629mm/m。

2.4变形影响分析评价、结论

根据采空区地表最大剩余变形值，确定采空区的稳定性和对工程的影响程度，在建的配水站为重要工程、变形量控制要求高，根据上述预测剩余变形值，结合表1的评定要求，综合评价201工作面采空区剩余变形量较大且处于不稳定状态，采空区场地稳定性对工程建筑物影响“大”，建设场地适应性差，需要对建筑物下伏的采空区块段进行治理^［4］。

表1  采空区地表剩余变形值确定采空区对工程的影响程度表

3治理措施研究

3.1治理标准

治理标准：工程地基基础设计等级为丙级，基础沉降变形量要求小于200mm，厂房地基变形沉降差小于12mm^［5］。采空区地表剩余变形值确定采空区对工程的影响程度大，工程属于深层采空区，配水站等建（构）筑物采空区处理设计等级为丙类，采空区治理后地表允许变形值：倾斜i≤±2mm/m；曲率k≤±0.15mm/m ² ；水平变形ε≤±1.5mm/m；下沉值 W≤100mm^［6］。

3.2防治措施

采空区的防治措施主要包括“防”和“治”两个方面。工程建设中采空区塌陷的预防措施主要采取避让、预留保护煤柱及适应采空塌陷变形的工程结构；采空区治理一般为开挖回填法、干（浆）砌支撑法、井下巷道加固法、桩基穿（跨）越法以及灌浆充填法^［2］。

开挖回填法用于采空区埋深小于20m情况；干(浆)砌石支撑法与井下巷道加固法均为井下巷道进行采空区加固的方法，用于采空区巷道完整，人能够进入其内部施工的情况，该方法施工过程存在安全隐患；桩基穿（跨）越法适用于埋藏深度小于30m的金属矿采空区，采空区顶板岩体强度较高，自身能处于稳定状态，地表多为线性工程，构筑物跨越采空区宜采用简支结构，桩基底应置于稳定地层内，且桩基顶位于采空区移动范围之内，距离移动角边界的距离不小于20 m；本场地采空区不满足此三种方法使用条件。灌浆充填法为地面打孔，通过注浆泵、注浆管将水泥粉煤灰浆注入采空区及上覆岩体裂隙中，浆液经固化，胶结岩层裂隙带，浆液形成结石体对其上覆岩层形成支撑作用，阻止上覆岩层进一步的塌陷冒落，保证地表的稳定，该方法适用于各种类型的采空区，可靠性高，多用于重要性工程。

方案确定：配水站已经开工建设即将封顶，位置无法变动，无法采取避让、预留保安煤柱及结构抗变形的预防措施，只有采取工程治理措施，根据上述确定灌浆充填治理方案^［7］。

钻探工艺确定：一般有垂直钻探和定向钻探两种工艺。场地内建（构）筑物已建设，场地狭小，不利于开展定向钻探，垂直钻探技术成熟，施工工艺简单，分析确定采用常规的垂直钻探工艺。

3.3注浆方法

结合国内多个采空区治理工程实践，通常采用全胶结注浆法和条带式注浆法^［2］。

全胶结注浆法是在采空区影响范围内，按一定孔距和排列方式，布设足量的注浆孔，用钻机成孔，通过注浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰浆注入采空区及上覆岩体裂隙中，浆液经过固化，胶结岩层裂隙带，同时采空区的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用，阻止上覆岩层的进一步冒落塌陷。全胶结注浆法已在国内多个采空区治理工程中取得了成功的经验，该方法施工相对简单，安全性高，施工工艺成熟，施工易于管理，但缺点是材料用量较大。

条带式注浆法是在采空区影响范围内，在采空区形成类似煤炭系统的“保护煤柱”，起着支撑采空区及上覆岩层的作用，该方法材料用量较小，施工相对复杂。

4^#煤层采空区，煤层采出后顶板岩层变形严重，采空区大多呈冒落状态，结合工程特点，两种方法比较，本次注浆采用全胶结法。

3.4治理范围

采空区治理范围以建筑物轮廓为界，维护带宽度取 10m，松散层移动角为θ=45°，岩层移动角均δ=70°(见图3)。治理深度到达4^#煤层底板，4^#煤层治理深度17.4米，煤层厚度15米厚。建筑物及周边 20m 范围内采空区为重点治理区，面积 29986m²，其余为一般治理区域，面积 40450m²，采空区治理总面积 70436m² (见图1)。

 

 

 

 

 

 

 

 

              图3  采空区治理范围计算示意图

3.5剩余空洞体积及灌浆量计算

按照《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》（GB 51180-2016）。

剩余空洞体积按公式V _空洞 = S×M×K×ΔV

式中：V _空洞 ——采空区空洞体积（m ³）；

S—采空区面积（m ²）；

M—煤层采高（m）；

K—回采率（%）；

ΔV—剩余孔隙率（%）。

在注浆过程中，考虑浆液向采空区上覆地层、裂隙及附近岩层的渗透损失、空洞因冒落坍塌形成的部分堆积的空隙而渗入的浆液损失等，施工中因调整注浆工艺与参数的浆液损失，在采空区剩余空洞体积的基础上，考虑 10%的浆液损失，浆液消耗系数 A=1.10。水泥粉煤灰的结石率为 C=80%，浆液对采空区及上覆岩层中的裂隙、缝隙的充填系数重点治理区取η=90%，一般治理区取η=80%。

灌浆总量公式：Q=V _空洞 ×A×η/C

式中：V _空洞 —为采空区剩余空洞体积（m ³）；

          A—为浆液消耗系数；

η—为充填系数；

C— 为结石率。

经计算，治理范围采空区剩余空洞体积为 168742m ³ ，采空区治理总充填体积为 195494m ³ （见表2）。

表2          采空区剩余空洞体积及灌浆量估算表

采空 区域	面积 (m2)	采高  (m)	回采率 (%)	剩余 孔隙率 (%)	空洞 体积 (m3)	消耗 系数	充填 系数 （%）	结石率 （%）	灌浆 总量 (m3)
	S	M	K	ΔV	V 空洞	A	η	C	Q
重点治理区	29986	9.3	92	28	71837	1.1	90	80	88898
一般治理区	40450	9.3	92	28	96905	1.1	80	80	106596
合计	70436				168742				195494

3.6施工方法

钻孔布设于配水站场地采空区治理范围内，设计灌浆孔28个，注浆孔孔排距35～50m，孔深为地面至采空区煤层底板，注浆孔的灌注长度为采空区最上部岩层顶面以下5m至采空区底板，孔口管长度为地面上0.5m至基岩下5m变径处的深度。

注浆材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝剂等组成。

施工顺序，充填灌浆垂直钻孔采用一次成孔，施工先外部边界封堵，再内部灌浆充填的施工顺序。钻孔应采用“分区域，分序次、间隔”的原则进行。每个区域先施工先导性钻孔，后内部钻孔施工的原则进行^［7］。

注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。

3.7治理后地表变形预测

采空区充填灌浆治理后,预测地表变形量不超过：倾斜值i=0.544～0.568mm/m，曲率值k =0.005mm/m ² ,水平变形值ε=0.254～0.265mm/m，水平移动值U =29.19mm，下沉量w=95.07mm，即可满足治理标准的要求。

3.8质量要求

①钻孔检测：在已处治的采空区范围内钻孔取芯检测，基岩段每回次岩芯采取率应大于 90%，采空区及其冒落段浆液结石体应明显，钻进过程中无掉钻、循环液无漏失等。

②结石体强度检测：对钻孔取芯得到的浆液结石体，标准养护 72h 后送试验室按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30-2005）进行室内无侧限抗压强度测试，要求结石体抗压强度不低于 0.6MPa。

③孔内电视：进行孔内电视，直观详细描述，采空区及其冒落段地层裂隙应被浆液结石体充满，不存在较大裂隙及空洞等。

④结合钻探和物探资料，做出综合评价。在全面分析研究这些资料的基础上，最终确定注浆质量是否合格；是否需补充注浆。

    ⑤处理后的采空区场地变形允许值，应满足建筑地基处理设计等级丙级要求。

4 结论

煤矿采空区为其它工程建设带来了很大困难，使建筑物在建设和使用过程中，受下伏采空区对地面变形地质灾害的影响，导致建筑物损坏、坍塌，影响建筑物的正常使用，而目前国内针对水工建筑物下伏深层煤炭采空区问题的研究就更少，且往往是经验介绍，尚未形成成熟的理论及工程设计体系，无行业规范、规程可循,设计依据是矿山开采沉陷学和三下采煤技术，再结合工程经验。本文通过论述对采空区岩土勘察，得出建筑物下伏的采空区分布、塌陷型式，判定工程建设场地的稳定性和适宜性，结合建筑物基础类型，提出深层煤炭采空区采用垂直钻孔，全胶结法灌浆充填治理方案的合理性，为类似工程提供借鉴经验。具体工程采空区治理应勘察、分析其稳定性和危害性，提出治理措施。

 

参考文献：

［1］ 陕西省煤田地质局一八六队.陕西省咸阳市彬长矿区输配水工程压覆矿产资源储量核实报告. ［M］.2014.1.

［2］何国清主编.矿山开采沉陷学［M］.中国矿业大学出版社，1991.

［3］金连生主编.建筑物下、水体下、铁路下及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范（文中简称三下规范）［M］.中国煤炭工业局制定.北京：煤炭工业出版社.安鉴总煤装(2017)66号.

［4］中煤科工集团西安研究院有限公司. 采空区稳定性分析评价报告［M］.2017.2.

［5］建筑地基基础设计规范［P］.GB50007.2011.

［6］煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范［P］.GB51180.2016.

［7］陕西省水利电力勘测设计研究院.中煤科工集团西安研究院有限公司.采空区防治工程专题设计［M］.2018.9.