王彥君

(江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院，江蘇 徐州 221006)

煤礦采空區(qū)場地注漿設(shè)計及治理效果檢測分析

王彥君

(江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計研究院，江蘇 徐州 221006)

擬建徐州工業(yè)園區(qū)南湖小學(xué)場地下存在多層采空區(qū)，對建筑物的影響較大。根據(jù)項目規(guī)劃、煤層開采情況和場地巖土工程條件，在場地穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)上，提出了場地采空區(qū)地基注漿治理設(shè)計，確定了采空區(qū)治理范圍、深度、注漿孔平面布置及工作量、注漿施工工藝順序、注漿主要材料及漿液比級。注漿施工結(jié)束后，采用鉆孔取心、波速測試、室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗和鉆孔壓水試驗等方法對場地注漿效果進(jìn)行了綜合檢測，所得檢測結(jié)果均達(dá)到預(yù)期的注漿效果，場地注漿充填治理的質(zhì)量達(dá)到了采空區(qū)治理設(shè)計要求，可為類似場地注漿治理工程施工提供參考。

地基穩(wěn)定性；帷幕注漿；鉆探檢測；波速測試；室內(nèi)分析；壓水試驗

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市建設(shè)用地越來越緊張，采空區(qū)內(nèi)的土地被逐步利用。很多房屋建在煤礦老采空區(qū)。山西南部、安徽淮北、河北唐山等地對老采空區(qū)進(jìn)行注漿處理后，在老采空區(qū)上建房逐漸增多[1-3]。徐州市賈汪區(qū)煤礦開采已有一百多年歷史，采空區(qū)分布范圍廣，在采空區(qū)上搞城市建設(shè)已成為常態(tài)。擬建徐州工業(yè)園區(qū)南湖小學(xué)場地位于20世紀(jì)80-90年代之前煤礦開采的老采空區(qū)上面，采空區(qū)地層的殘余持續(xù)沉降威脅建筑的安全和穩(wěn)定，因此采空區(qū)的處理迫在眉睫，鉆孔注漿充填固結(jié)處理煤礦采空區(qū)塌陷是一種經(jīng)濟(jì)快捷的有效方法。

1 場地地質(zhì)及工程地質(zhì)條件

徐州工業(yè)園區(qū)南湖小學(xué)擬建場地位于徐州市賈汪區(qū)206國道以西，夏橋二路以北，闞山電廠專用鐵路以東。主要建設(shè)教學(xué)樓3幢、食堂藝術(shù)樓1幢、行政辦公樓1幢、實驗樓1幢，樓高均為4層，圖書館1幢，樓高2層，總建筑面積19 027m2。擬采用框架結(jié)構(gòu)，天然地基淺基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深暫定2.0m。

1.1 采空區(qū)分布及煤層開采情況

擬建場地開采了二疊系下石盒子組1煤、3煤，石炭系太原組17、20、21煤，山西組7煤因煤層變薄不穩(wěn)定未開采。1煤、3煤分布于1煤、3煤露頭線以東地區(qū)，平均總厚度2.5m，開采深度10～40m(<50m)，屬淺層采空區(qū)，采深采厚比<30；17、20、21煤全區(qū)分布，平均總厚度2.20m，開采深度>280m(>200m)，屬深層采空區(qū)，采深采厚比>80。

擬建場地1煤、3煤開采始于解放前，為房柱式開采。韓橋煤礦于1961-1995年開采1、3、17、20、21煤，在20世紀(jì)80-90年代，南莊井、泉東井等小煤礦復(fù)采邊角殘煤，各小煤礦于2001年關(guān)停，開采方式為主要為長壁炮采，全垮落法管理頂板， 擬建場地內(nèi)采空區(qū)形成時間>15a(圖1、圖2)。

圖2 擬建場地地質(zhì)剖面Figure 2 Proposed site geological section

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場地地表被第四系土層覆蓋，第四系以下基巖為二疊系-石炭系，巖層傾角5°～10°。根據(jù)場地工程勘察資料，場地20.0m深度范圍內(nèi)地層為人工填土、黏性土、頁巖組成，土(巖)層共分6個層次(表1)。

表1 巖土層主要特征

2 采空區(qū)地基注漿設(shè)計

根據(jù)采空區(qū)特征判別法、活化影響因素分析法等方法[4]進(jìn)行穩(wěn)定性評價分析得出場地3煤露頭線以東地區(qū)，采空區(qū)埋藏淺，采深采厚比<30，發(fā)生活化后，對建筑物的影響較大，應(yīng)采取注漿充填加固處理措施。采取注漿充填加固處理措施時，注漿深度應(yīng)穿過3煤采空區(qū)底板，注漿范圍應(yīng)考慮注漿深度內(nèi)采空區(qū)對建筑的水平影響范圍，并在基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)采取必要的抗變形措施。

2.1 采空區(qū)治理范圍

由圖1、圖2可知，擬建場地內(nèi)的多層建筑及體育場看臺區(qū)域位于3煤采空區(qū)范圍，考慮采空區(qū)對建筑物水平方向的影響，采空區(qū)治理范圍主要針對上述擬建建筑物所在范圍，并適當(dāng)外擴(kuò)[5]。經(jīng)計算，本次注漿范圍在建筑物基礎(chǔ)邊線外擴(kuò)12～18m。

2.2 采空區(qū)治理深度

采空區(qū)治理深度根據(jù)鉆孔取心情況及揭露的1煤、3煤底板深度確定。注漿深度處理應(yīng)至3煤采空區(qū)底板，深度為19～41m，場地北部深度約40m，以實際鉆孔揭露的3煤采空區(qū)底板深度為準(zhǔn)。

2.3 注漿孔平面布置及工作量

注漿處理采用帷幕包圍注漿法，即先施工建筑物外圍的第一序帷幕注漿孔，再施工建筑范圍內(nèi)的充填注漿孔。第一序帷幕注漿孔基本孔距按15m布置。第二序充填注漿孔按建筑物范圍布置，孔距為12～18m。針對場地東北部區(qū)域，需要處理1煤、3煤兩層采空區(qū)，適當(dāng)加密注漿孔。

根據(jù)建筑物實際，場地共布置注漿孔106個，其中帷幕注漿孔44個，充填注漿孔62個，具體孔位設(shè)計情況見注漿鉆孔及檢測孔平面布置示意圖(圖3)。

2.4 注漿施工工藝

為確保注漿工程質(zhì)量 ，避免漿液大量跑出注漿區(qū)域，減少注漿量，注漿工程采用由下山往上山，先邊界后中間的施工順序[6-7]，邊界孔、帷幕孔用稍稠漿，加入不同量的速凝劑來調(diào)節(jié)水泥粉煤灰漿液的凝固速度，以便形成帷幕區(qū)，將處理場地相對隔離。中間孔用稍稀漿，場區(qū)內(nèi)注漿順序為一排孔先中間后兩端，其余隔孔注入，留出一定的排水孔，以利于場地充填的水的排出。對于多層采空區(qū)，注漿治理順序原則上為先治理上部采空區(qū)，逐層向下注漿處理。

注漿過程中，發(fā)現(xiàn)地表冒漿、漏漿，應(yīng)根據(jù)具體情況采取嵌縫、表面封堵、低壓、濃漿、限時、限量、間歇注漿等方法處理。

2.5 注漿主要材料及漿液比級

注漿漿液采用水泥粉煤灰漿液。注漿材料主要為復(fù)合硅酸鹽32.5級水泥，粉煤灰(質(zhì)量等級為三級及以上)添加劑水璃玻[8]。

圖3 注漿鉆孔及檢測孔平面布置示意Figure 3 A schematic diagram of grouting boreholes and detection boreholes layout plan

(1)第一序帷幕注漿孔漿液水固比級：1∶(0.7～1.1)，固相水泥粉煤灰比級：30∶70，漿液中摻水泥用量0.1%～0.5%的水玻璃。

(2)第二序充填注漿孔漿液水固比級：1∶(0.8～1.1)，固相水泥粉煤灰比級：30∶70，根據(jù)區(qū)段摻水泥用量0%～0.5%的水玻璃。

(3)加密孔及第三序充填注漿孔漿液比級參照第二序充填注漿孔。

3 注漿效果分析

擬建場地采空區(qū)注漿治理施工23d，共施工注漿鉆孔106個，總鉆探進(jìn)尺約3 300m，注漿量為6 780m3。

3.1 注漿效果檢測要求

為檢驗注漿效果，采用鉆孔取心、波速測試、室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗和鉆孔壓水試驗等方法對場地注漿效果進(jìn)行綜合檢測[9]，采空區(qū)治理后的檢測要求為：

(1)檢測孔的數(shù)量不小于注漿孔總數(shù)的2%且不小于3個，孔深進(jìn)入處理煤層底板不小于2.0m。檢測孔鉆探回次進(jìn)尺控制在1.50m，全斷面取心[10]。

(2)通過鉆探取心對水泥粉煤灰結(jié)塊心樣進(jìn)行室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗[11]，注漿結(jié)石體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于0.5MPa。

(3)在檢測孔內(nèi)注漿段進(jìn)行波速測試，注漿段剪切波波速應(yīng)大于250m/s。

(4)對檢查孔進(jìn)行巖層壓水試驗檢測注漿充填情況，進(jìn)行注漿體透水率計算。

3.2 注漿效果檢測及分析

3.2.1 鉆探檢測結(jié)果及分析

本次鉆探檢測孔施工4個，分別為JC01-JC04孔，位置見圖3。綜合情況如下：

(1)進(jìn)尺速度及巖樣完整性。根據(jù)鉆探情況，場地強(qiáng)-中等風(fēng)化頁巖總體上較破碎-較完整，風(fēng)化程度為強(qiáng)-中等風(fēng)化，鉆進(jìn)施工中進(jìn)尺平穩(wěn)緩慢，取心率在80.0%～92.0%，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD在30%～60%。

(2)漿液充填情況。施工的檢測孔注漿段均可見短柱狀、碎塊狀注漿結(jié)石體充填。

(3)鉆探情況。施工的4個檢測鉆孔中鉆進(jìn)過程中進(jìn)尺平穩(wěn)，正常返漿，未發(fā)現(xiàn)掉鉆、吸風(fēng)現(xiàn)象。

綜合以上分析可以發(fā)現(xiàn)：本次施工鉆探孔4個，滿足且超過了檢測孔個數(shù)不少于鉆孔總數(shù)2%的要求。鉆探過程中鉆探進(jìn)尺總體上較平穩(wěn)緩慢，均未發(fā)生孔壁掉塊引起的掉鉆、卡鉆、埋鉆及漏液、吸風(fēng)現(xiàn)象。鉆探顯示1煤、3煤采空區(qū)及冒落裂隙帶已被水泥粉煤灰結(jié)實體充填，所取漿液結(jié)石體呈短柱狀、碎塊狀，說明1煤、3煤采空區(qū)及冒裂帶的裂隙、空洞等已被充填，不存在未被充填的空洞及較大的空隙。鉆探取心結(jié)果也說明在采空區(qū)治理層及裂隙發(fā)育的層位漿液充填程度和與圍巖的膠結(jié)程度較好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

3.2.2 波速測試結(jié)果及分析

在現(xiàn)場施工的4個檢測孔JC01、JC02、JC03、JC04，對其均進(jìn)行了波速測試，受采空區(qū)影響4個檢測孔巖石(注漿體)波速測試結(jié)果分別為v1、v2、v3、v4(表2)。

表2 采空區(qū)影響范圍內(nèi)巖石注漿體波速測試結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)波速測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采空區(qū)注漿段的波速值均較高，在567.3～664.9m/s，均大于250m/s，波速測試結(jié)果為合格。在測區(qū)各測試孔間地層的波速均有變化，注漿前低速地層的波速均有不同程度的提高，說明波速檢測的采空區(qū)及冒落裂隙帶區(qū)域已被水泥粉煤灰漿液凝固成的水泥結(jié)石體充填密實，充填效果較好，達(dá)到了設(shè)計要求。

3.2.3 室內(nèi)試驗結(jié)果及分析

檢測鉆孔施工時在注漿段采取7件水泥粉煤灰結(jié)石體心樣，進(jìn)行天然單軸抗壓強(qiáng)度試驗，在力學(xué)實驗室將結(jié)石體心樣加工成標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測，測試結(jié)果如下表3。

表3 水泥粉煤灰漿液結(jié)石體天然單軸抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計

從表3可看出，水泥粉煤灰結(jié)石體天然單軸抗壓強(qiáng)度為1.35～1.69MPa，平均值1.52MPa，均大于設(shè)計單軸抗壓強(qiáng)度不小于0.5MPa的要求，抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果滿足設(shè)計要求。

3.2.4 鉆孔壓水試驗結(jié)果及分析

對檢測鉆孔的6個試驗段進(jìn)行了壓水試驗，用專門的止水設(shè)備把規(guī)定長度的鉆孔試驗段隔離出來，然后用固定的水頭向這一段鉆孔壓水，水通過孔壁周圍的裂隙向巖體內(nèi)滲透，本次壓水試驗每個試驗段長度為5m，根據(jù)試驗段內(nèi)壓入水流量、作用于試段內(nèi)的全壓力、試段長度分別計算透水率，結(jié)果見表4。

表4 鉆孔壓水試驗結(jié)果

根據(jù)檢查孔的鉆孔壓水試驗結(jié)果分析，透水率小于1 lu，達(dá)到設(shè)計注漿質(zhì)量要求。

綜合上述分析認(rèn)為：通過注漿處理1煤、3煤采空區(qū)及冒落裂隙帶已被水泥粉煤灰結(jié)實體充填，所取漿液結(jié)石體呈短柱狀、碎塊狀，說明了在采空區(qū)治理層及裂隙發(fā)育的層位的漿液充填程度和與圍巖的膠結(jié)程度較好。采空區(qū)注漿段(注漿體位置)波速值較注漿前低速地層的波速均有不同程度提高，剪切波波速在567.3～664.9 m/s，均大于250 m/s。所取的7件水泥粉煤灰結(jié)石體的力學(xué)強(qiáng)度試驗，其天然單軸抗壓強(qiáng)度均大于0.5 MPa。鉆孔壓水試驗透水率小于1 lu。采用多方法檢測技術(shù)，綜合檢測結(jié)果相互印證，均說明注漿處理采空區(qū)達(dá)到了治理設(shè)計要求。

4 結(jié)論

通過注漿治理施工及檢測分析，取得如下認(rèn)識：

(1)設(shè)計場地采空區(qū)治理范圍、深度和注漿孔平面布置合理有效。采用注漿施工工藝順序正確，注漿主要材料及漿液比級的選擇，符合當(dāng)?shù)貙嶋H情況。

(2)對采空區(qū)場地注漿治理工程采用鉆孔取心、波速測試、室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗和鉆孔壓水試驗等方法進(jìn)行檢測，檢測方法優(yōu)勢互補(bǔ)，檢測結(jié)果相互驗證，能更好的反映注漿效果。

(3)通過檢測，場地注漿充填治理的質(zhì)量達(dá)到了采空區(qū)治理設(shè)計要求。在保護(hù)人們生存環(huán)境的同時, 可緩解建設(shè)項目用地緊缺的局面，也可為類似場地注漿治理工程施工提供參考。

[1]張學(xué)亮.注漿法在煤礦采空區(qū)地基處理中的應(yīng)用[J].山西建筑, 2007 , 33 (14) :114-115.

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[3]于連順，王宗，等.注漿法在煤礦采空區(qū)處理中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ) , 2016 , 30 (2)：115-118.

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[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50202-2002建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社， 2002.

[10]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ/T 87-2012 建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

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CoalmineWorked-outAreaSiteGroutingDesign,GoverningEffectDetectionandAnalysis

Wang Yanjun

(Jiangsu Design Institute of Geology for Mineral Resources, Xuzhou, Jiangsu 221006)

Under the proposed Nanhu Primary School site in the Xuzhou Industrial Park have multiple layers of worked-out area underground, thus impacted buildings above. Based on project plan, coal mining situation and site geotechnical condition, according to site stability assessment, put forward groundwork governing design. Then determined worked-out area governing range, depth, grouting boreholes layout and workload, grouting operation sequence, main materials and slurry proportioning. After the grouting operation, using borehole coring, wave velocity measurement, laboratory uniaxial compressive strength test and borehole packer permeability test carried out integrated detection to check site grouting effect. All detected results have confirmed the expected grouting effect, achieved worked-out area governing designed requirements. The study can provide reference for similar site grouting governing projects construction.

groundwork stability; curtain grouting; drilling detection; wave velocity measurement; laboratory analysis; packer permeability test

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.11

1674-1803(2017)11-0054-06

A

王彥君(1971—)，女，高級工程師，碩士，現(xiàn)從事巖土測試、建筑工程質(zhì)量檢測、質(zhì)量管理工作。

2017-07-25

樊小舟