李 亮 張 濤

中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司，河南鄭州 450000

1 概述

鞏義至登封高速公路項(xiàng)目起點(diǎn)位于鞏義市北部站街鎮(zhèn)，通過設(shè)置站街樞紐互通式立交與連霍高速公路相連接；終點(diǎn)位于登封市東北部唐莊鄉(xiāng)，通過程堂樞紐互通式立交與鄭少洛、永登高速公路相連。

南官莊煤礦開采為山西組二1煤層，煤層傾向320°，傾角平均36°，采用走向長(zhǎng)壁傾斜分層采煤法，頂板管理為全垮落法，煤層厚度在6.5m～15m，平均厚度10.13m，平均采高為3.3m（傾斜煤層），回采率約為75%。批準(zhǔn)的開采深度為220m～80m?，F(xiàn)在已部分開采止+150m高程。采空區(qū)已塌陷，最深塌陷達(dá)1m左右，省道S237公路在該段立有“煤礦塌陷區(qū)”的警示牌。根據(jù)勘察結(jié)果，路線從南官莊煤礦采空區(qū)K8+881～K9+150段通過，該段設(shè)計(jì)為路基，由于該礦采空區(qū)為1984～2005年所采，停采時(shí)間較短，采厚較大，對(duì)路線影響較大。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)原則

在地質(zhì)調(diào)查、采礦調(diào)查的基礎(chǔ)上，本著宏觀分析與穩(wěn)定性驗(yàn)算相結(jié)合的原則，結(jié)合煤層采取率、已開采煤礦的厚度、開采煤礦時(shí)的開采方式、已開采煤層的傾斜角度、采礦完成后至今的時(shí)間等，通過估算本項(xiàng)目施工時(shí)采空區(qū)經(jīng)過5年沉降后的最大剩余變形量進(jìn)行評(píng)價(jià)。所采用計(jì)算公式見《礦山開采沉陷學(xué)》。

3 采空區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

南官莊采空區(qū)為2005年以前開采，煤層的平均采厚為3.3m，采深80m～140m，走向長(zhǎng)壁式開采，頂板全垮落法管理，煤層尚有25%未被開采。本項(xiàng)目施工時(shí)，煤礦僅停止開采5年 ，未充分塌陷。預(yù)計(jì)最大剩余沉降量還有總沉降量的15%（即α=0.15）。下沉系數(shù)取η=0.85，tgβ=2.2，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.3，估算的結(jié)果如下：

最大沉降量：wmax=2805mm

最大剩余沉降量：w剩=420.75mm

最大剩余傾斜量：

i剩=11.57mm/m～7.71mm/m

最大剩余豎曲率：

k剩=±0.484～±0.215×10-3／m

最大剩余水平位移：u剩=126.23mm

最大剩余水平變形：

ε剩=±5.28 mm/m～±3.52mm/m

根據(jù)《高速公路采空區(qū)（空洞）勘察設(shè)計(jì)與施工治理手冊(cè)》關(guān)于路基允許變形值的規(guī)定和《建（構(gòu)）筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程 》的有關(guān)規(guī)定，南官莊煤礦采空區(qū)的剩余沉降量大于規(guī)范所規(guī)定的最大剩余沉降量，表明其處于緩慢沉降階段，必須采用措施進(jìn)行處理。剩余變形以較快的水平移動(dòng)和沉降為特征。

4 采空區(qū)治理設(shè)計(jì)

4.1 采空區(qū)治理設(shè)計(jì)原則

南官莊煤礦采空區(qū)處理時(shí)需要考慮所處環(huán)境的特點(diǎn)、工程地質(zhì)情況、建筑材料的供應(yīng)以及施工所需時(shí)間等因素的前提下，采用先進(jìn)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)最好的措施，滿足鞏登高速通車的各項(xiàng)功能。堅(jiān)持一次根治，不留后患的原則。保證經(jīng)過相應(yīng)措施治理后的公路路基在公路運(yùn)營(yíng)期間，地基的變形應(yīng)滿足公路工程對(duì)地基穩(wěn)定性的要求，不產(chǎn)生超過公路工程允許的變形。

4.2 采空區(qū)治理設(shè)計(jì)方案

圖1

圖2

表1 南官莊采空區(qū)地表移動(dòng)角及系數(shù)一覽表

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2004）7.15.2 采空區(qū)處治，最終選擇注漿治理方案作為南官莊煤礦采空區(qū)治理方案。

4.3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《高速公路采空區(qū)（空洞）勘察設(shè)計(jì)與施工治理手冊(cè)》和《建（構(gòu)）筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程 》，選取以下變形值作為公路采空區(qū)路基的允許變形值：

傾斜：i≤±3mm／m

豎曲率：k≤±0.2×10-3／m

水平變形：ε≤±2mm／m

4.4 采空區(qū)剩余空洞體積估算

（1）采空區(qū)影響范圍的確定方法

南官莊采空區(qū)對(duì)高速公路橫向的影響寬度，是以路基兩側(cè)邊坡坡腳為起點(diǎn)，向兩側(cè)第四系松散沉積層按移動(dòng)角Ф考慮，γ為基巖上山方向移動(dòng)角，β為基巖下山方向移動(dòng)角。

南官莊采空區(qū)影響鞏登高速公路軸線的長(zhǎng)度，是以采空區(qū)范圍和煤層上山、下山方向上影響范圍為界。圖中Ф為第四系松散層移動(dòng)角，γ為基巖上山方向移動(dòng)角，β為基巖下山方向移動(dòng)角。

（2）剩余空洞體積估算

煤層被采后所形成的空洞經(jīng)過沉降及圍巖填充后，其所剩余空洞體積為：

截至目前剩余采空區(qū)的體積（V）：

式中：

Va為開采完成后的總空洞體積，其值為：Va=S×M×K

式中：S為采空塌陷區(qū)面積，M為經(jīng)調(diào)查所得知的煤層厚度，K為煤層回采率。

ΔV為截至目前已經(jīng)沉降變形的冒落巖石碎脹所充填體積。

根據(jù)以往類似工程的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，采空區(qū)形成5～8年以后，約有總變形量的80%～90%已完成，剩余10%～20%左右；采空區(qū)形成3～5年以后，約有總變形量的70%～80%已完成，剩余20%～30%左右。如果在這段時(shí)間內(nèi)，覆巖尚未完全塌陷，則地表剩余變形量將會(huì)更大，剩余變形量將在若干年后緩慢完成。

剩余沉降系數(shù)南官莊煤礦取0.15。

在計(jì)算過程中，采空區(qū)在路線橫向的寬度按計(jì)算確定，在路線縱向的計(jì)算長(zhǎng)度按采空區(qū)長(zhǎng)度取定。

4.5 采空區(qū)注漿量估算

按《高速公路采空區(qū)（空洞）勘察設(shè)計(jì)與施工治理手冊(cè)》，注漿總量按以下公式計(jì)算：

式中：

Q總——采空區(qū)總注漿量（m3）

A——注漿總量漿液損耗系數(shù)

S——采空區(qū)治理面積

m——采厚

K——回采率

η——注漿充填系數(shù)

C——漿液結(jié)石率

在實(shí)際灌漿施工過程中，漿液會(huì)不可避免的向四周圍巖以及坍塌至空洞處所堆積的破碎巖層中的裂縫進(jìn)行滲透，為保證剩余空洞能夠有效的進(jìn)行處理，注漿總量漿液損耗系數(shù)按1.1考慮。漿液的結(jié)石率為80%，漿液對(duì)采空區(qū)及上覆巖層中的裂隙、裂縫的充填率為75%，則估算出最終注漿體積。

表2 南官莊煤礦采空區(qū)影響路線段剩余空洞體積估算表

圖3 采空區(qū)治理范圍平面圖

表3 施工圖階段南官莊煤礦采空區(qū)注漿治理工程量一覽表（一）（鉆探工程）

表4 施工圖階段南官莊煤礦采空區(qū)注漿治理工程量一覽表（二）（注漿工程）

4.6 注漿孔布設(shè)

根據(jù)《高速公路采空區(qū)（空洞）勘察設(shè)計(jì)與施工治理手冊(cè)》中第5.3.2節(jié)關(guān)于采空區(qū)注漿設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定和表5-1（注漿孔和帷幕孔排距和孔距經(jīng)驗(yàn)值一覽表），南官莊煤礦采空區(qū)注漿孔設(shè)計(jì)為沿公路軸線按排布設(shè)，梅花狀布孔，煤礦為壁式開采，連通性相對(duì)較好，排距為25m，孔距為25m。在治理區(qū)最邊緣設(shè)置一排注漿孔，孔距為20m。

注漿孔頂標(biāo)高為地面標(biāo)高，底標(biāo)高為采空區(qū)冒落帶標(biāo)高；灌漿孔頂標(biāo)高為開采煤層上部巖層頂面以下10m處標(biāo)高，底標(biāo)高為采空區(qū)底板標(biāo)高，孔口管頂標(biāo)高為地面，底標(biāo)高為基巖下10m變徑處的標(biāo)高。

5 結(jié)語(yǔ)

南官莊煤礦采空區(qū)停采時(shí)間已達(dá)5年，變形活躍期已過，現(xiàn)在已進(jìn)入變形衰退期。現(xiàn)在采空區(qū)的變形主要是地面沉陷和裂縫。研究結(jié)果表明，南官莊煤礦采空區(qū)經(jīng)過上述方案進(jìn)行治理后，能有效地達(dá)到處理的預(yù)期目標(biāo)，能夠滿足規(guī)范所規(guī)定的高速公路路基要求，保證公路安全營(yíng)運(yùn)。

[1]曹祥偉，蔡寅峰，郭忠林.采空區(qū)處理技術(shù)的分析研究[J].銅業(yè)工程，2005（1）

[2]吳兆營(yíng)，薄景山，杜國(guó)林，劉德東,劉紅帥.采空區(qū)對(duì)地表穩(wěn)定性的影響[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2004(2)

[3]李純青，姚香.采空區(qū)處理新技術(shù)的理論研究及應(yīng)用實(shí)踐[J].黃金，2004(3)