張?zhí)?，張紅軍*，張瑞華，王奎峰，王 強(qiáng)，許 艷，陳書(shū)平，王 薇，劉 洋

(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，濟(jì)南 250013；2.徐州中國(guó)礦大巖土工程新技術(shù)發(fā)展有限公司，江蘇徐州 221008)

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年由于煤礦開(kāi)采所帶來(lái)的土地塌陷面積可達(dá)2.68萬(wàn)余公頃[1-2]。許多地區(qū)不得不將部分居民住宅樓、工業(yè)廠房、道路等建立在采空區(qū)上方[3-5]，但是在采空區(qū)上方建立地面建筑物，極容易打破原來(lái)的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致采空區(qū)的覆巖及地表的再次移動(dòng)與變形，直接威脅其上方建筑構(gòu)物的安全使用，成為制約工程建設(shè)的一個(gè)重要難題[6]。

我國(guó)小煤窯一般分布于煤田淺部，由于不規(guī)范開(kāi)采，具有數(shù)量多、發(fā)育不規(guī)則、位置不清晰的特點(diǎn)。實(shí)際工程上一般先采用地球物理方法進(jìn)行探測(cè)，然后在物探圈定的異常范圍布置鉆孔進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，這樣可精確查明采空區(qū)的分布范圍及其富水性[7-8]。地面綜合物探中的瞬變電磁法[9]具有成本相對(duì)較低、探測(cè)精度相對(duì)較高等優(yōu)點(diǎn)，是目前探測(cè)煤礦采空區(qū)及其富水性的主要地球物理方法[10]。

注漿已成為對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填，加固地基的有效手段，在不同工程領(lǐng)域都取得了豐富的研究應(yīng)用成果[11-12]。例如：孫忠弟[13]對(duì)采空區(qū)注漿參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并成功在某高速公路下伏采空區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用。王聯(lián)芳[14]等運(yùn)用水泥粉煤灰對(duì)唐津高速公路采空區(qū)進(jìn)行了治理，取得了良好的注漿效果。文浩雄[15]則在研究灌漿法處理路基的原理基礎(chǔ)上成功對(duì)95 000m3采空區(qū)進(jìn)行了治理。

本文以典型高層建筑群下多層采空區(qū)場(chǎng)地山東龍泉科技大廈為工程背景，綜合采用瞬變電磁、鉆孔探測(cè)等手段對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了針對(duì)性探測(cè)，探測(cè)結(jié)果相互結(jié)合，有效探明了煤礦采空區(qū)位置和分布范圍。并在勘察結(jié)果的基礎(chǔ)上，針對(duì)性提出了采空區(qū)注漿設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)，最終取得了良好的加固效果，以期治理經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供一定的借鑒參考。

1 工程概況

擬建的山東龍泉管道工程股份有限公司廠區(qū)項(xiàng)目位于山東省淄博市博山區(qū)205國(guó)道以東、人民路以南、中心路北約300m的老廠區(qū)內(nèi)，總建筑面積約395 507m2，擬建1棟12-23層局部3層的辦公大樓、3棟30層、5棟33層住宅樓。根據(jù)初步調(diào)查，擬建場(chǎng)地位于原高家洼煤井井田范圍內(nèi)，附近存在大李煤井、石門(mén)煤井等多個(gè)小煤礦，開(kāi)采情況復(fù)雜。根據(jù)初步收集資料分析，擬建場(chǎng)地下煤層1煤、2煤、3煤、4煤、7煤、9煤、10-1煤、10-2、3煤，其中1煤、2煤、3煤、4煤厚度變化大且分布復(fù)雜，為局部可采煤，開(kāi)采情況不明；擬建場(chǎng)地下主要分布有4煤、5煤、7煤、10-1煤、10-2、3煤采空區(qū)，9煤開(kāi)采情況不明。開(kāi)采方法均為房柱式開(kāi)采，頂板管理方式為自然垮落法。通過(guò)收集資料各煤層埋深情況統(tǒng)計(jì)如下表1所示，擬建場(chǎng)地煤層情況如圖1所示。

圖1 擬建場(chǎng)地煤層剖面

表1 各煤層埋深情況

2 采空區(qū)探測(cè)

為更為詳盡的摸清采空區(qū)分布范圍、層數(shù)、層間距等關(guān)鍵信息，本次探測(cè)綜合采用物探、鉆探相互結(jié)合、相互驗(yàn)證的綜合高效辦法進(jìn)行探測(cè)。2018年9-12月在擬建場(chǎng)地分別利用瞬變電磁法與鉆孔勘察兩種方法分別對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了對(duì)比探測(cè)。

2.1 瞬變電磁探測(cè)

瞬變電磁法(簡(jiǎn)稱 TEM)是解決地質(zhì)問(wèn)題的一種電磁方法，目前已經(jīng)成為必不可少的一種巖土工程勘察技術(shù)手段[16-17]。本次的探測(cè)采用V8電法工作站，發(fā)射線框400m×400m，采用小線框進(jìn)行接收，本次物探測(cè)線共布置13條，點(diǎn)距為10m，試驗(yàn)點(diǎn)5個(gè)，質(zhì)量檢測(cè)點(diǎn)10個(gè)，共計(jì)測(cè)點(diǎn)250個(gè)。

根據(jù)本次瞬變電磁探測(cè)結(jié)果，擬建場(chǎng)地下30～110m存在相對(duì)低阻異常區(qū)、各視電阻率等值線剖面圖的相對(duì)低阻異常區(qū)深度與搜集資料確定的2、3煤位置基本一致，說(shuō)明擬建場(chǎng)地下可能分布有2、3煤采空區(qū)，須結(jié)合鉆探成果驗(yàn)證2、3煤采空區(qū)的分布，并進(jìn)一步查明采空區(qū)塌落密實(shí)情況(圖2)。

圖2 部分視電阻率等值線剖面及切片

2.2 采空區(qū)鉆孔勘察

根據(jù)瞬變電磁探測(cè)成果結(jié)合各煤層收集資料，于2018年10月開(kāi)展了鉆孔探測(cè)工作。根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況，共布置鉆探孔19個(gè)，鉆孔布置平面圖如圖3所示(圖中半紅色圓圈)。

圖3 瞬變電磁法探測(cè)采空區(qū)范圍及鉆孔布置平面

通過(guò)鉆孔揭露，擬建場(chǎng)地下分布有小窯采空區(qū)、2、3、4、5、7煤采空區(qū)，其中小窯采空區(qū)埋深38.0～44.0m、采厚0.3～1.2m、位于擬建場(chǎng)地北部；2煤采空區(qū)埋深37.3～97.3m、采厚0.3～1.7m、普遍分布于擬建場(chǎng)地下，3煤采空區(qū)埋深50.0～115.5m、采厚0.4～2.0m、普遍分布于擬建場(chǎng)地下；4煤埋深115.0～115.6m、厚約0.3m、位于擬建場(chǎng)地中部東側(cè)，5煤采空區(qū)埋深106.5～159.0m、采厚0.5～1.5m、位于擬建場(chǎng)地北部，7煤采空區(qū)埋深124.5～150.0m、采厚0.5～2.0m、普遍分布于擬建場(chǎng)地下。鉆孔揭露2、3、5、7煤及小窯采空區(qū)時(shí)均出現(xiàn)掉鉆、進(jìn)尺快等現(xiàn)象、對(duì)部分鉆孔進(jìn)行的鉆孔成像也表明2、3、5、7煤及小窯采空區(qū)局部存在空洞。采空區(qū)水位為48.5～63.3m、平均57.6m、標(biāo)高207.7m，水位以下采空區(qū)均已充水。部分鉆孔成果成像如圖4所示。

(a)Z6孔 (b)Z5孔 (c)Z10孔 (d)Z11孔

2.3 綜合探測(cè)成果及分析

結(jié)合物探及鉆探成果可知，擬建場(chǎng)地下普遍分布有2、3煤采空區(qū)，擬建場(chǎng)地北部分布有小窯采空區(qū)。鉆孔揭露4、5、7煤的煤層、采空區(qū)深度及分布與收集資料及物探結(jié)果基本一致。小窯采空區(qū)、2、3、4、5、7煤采空區(qū)尚未冒落密實(shí)，仍有殘留有空洞。根據(jù)Z18、Z19孔揭露，Z18孔在61.5～64.5m處、Z19孔在79.5～103.5m處巖心極破碎，且卡鉆極為嚴(yán)重至無(wú)法鉆進(jìn)，疑為煤礦大巷或煤倉(cāng)等構(gòu)筑物。經(jīng)過(guò)綜合分析最終確定各煤層采空區(qū)位置，如圖5所示。

圖5 各煤層采空區(qū)位置分布

3 采空區(qū)注漿設(shè)計(jì)及治理

從物探及鉆探勘測(cè)結(jié)果可知，擬建場(chǎng)地大部分區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)，建構(gòu)筑物應(yīng)避開(kāi)該區(qū)域或?qū)β裆钚∮?27.5m的采空區(qū)進(jìn)行治理，且應(yīng)加強(qiáng)對(duì)埋深小于65m采空區(qū)及疑為巷道或煤倉(cāng)分布區(qū)域的治理，以消除、減小采空區(qū)對(duì)擬建建構(gòu)筑物地基穩(wěn)定性的影響，待治理結(jié)束并檢測(cè)合格后方可進(jìn)行建設(shè)。

3.1 注漿孔設(shè)計(jì)及施工次序

1)注漿孔設(shè)計(jì)。綜合考慮治理區(qū)采空區(qū)分布特征及周邊環(huán)境條件，在治理范圍周邊布置一排帷幕孔，間距8～12m，建筑物部位的注漿孔間距根據(jù)擬建建筑物下采空區(qū)分布特點(diǎn)采用不同的孔距，淺部采空區(qū)注漿孔孔距為12m，深部采空區(qū)注漿孔孔距為18～24m，建筑物外圍注漿孔間距為24～30m。

2)施工次序?？紤]到采空區(qū)已充水，采取由場(chǎng)地中間向周邊的注漿順序，便于采空區(qū)的地下水排出，即先施工建筑物下注漿孔，后施工建筑物外圍注漿孔。均從采空區(qū)下山向上山方向推進(jìn)即由北向南推進(jìn)，并按批次間隔孔施工，嚴(yán)禁連片成孔后注漿，采空區(qū)注漿治理順序?yàn)橄戎卫砩喜康牟煽諈^(qū)，逐層向下處理。

3.2 注漿施工工藝

本次治理根據(jù)采空區(qū)密實(shí)情況采用灌注水泥粉煤灰漿和水泥砂漿兩種工藝。對(duì)殘留空洞小于等于0.5m及殘留空洞大于0.5m且埋深小于95m的采空區(qū)灌注水泥粉煤灰漿，對(duì)殘留空洞大于0.5m且埋深大于95m的采空區(qū)可灌注水泥砂漿。

注漿孔采用開(kāi)孔直徑為Φ150mm或Φ130mm，穿過(guò)覆蓋層后，進(jìn)入中風(fēng)化巖石5～10m，下入Φ127mm套管并固管，然后變徑為Φ91mm，終孔直徑為Φ91mm，若掉鉆大于0.5m，則采用108mm鉆頭擴(kuò)孔至采空區(qū)，以便灌注水泥砂漿，注漿孔終孔深度以鉆至各治理采空區(qū)底板3m。

3.3 注漿參數(shù)

1)注漿壓力。先采用少量清水沖孔，再進(jìn)行注漿，原則上控制在注漿孔孔口壓力為1.0～1.5MPa，最終注漿壓力可根據(jù)注漿情況優(yōu)化調(diào)整。

2)注漿終止條件。當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.0～1.5MPa，泵量穩(wěn)定在50L/min以下，穩(wěn)定5min以上、地面變形嚴(yán)重或地面有冒漿現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，可作為該孔終止注漿標(biāo)準(zhǔn)，最終標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況優(yōu)化調(diào)整。

3)注漿量控制。建筑物范圍內(nèi)注漿孔不限制注漿量，若最外圍邊界注漿孔單次注漿量超過(guò)50m3，則采取間歇灌注濃漿液。

4 注漿效果檢測(cè)

4.1 高密度電測(cè)試

本次工作使用WGMD-9超級(jí)高密度電法系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)注漿區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試工作延注漿區(qū)域橫向共布設(shè)4條高密度電法測(cè)線，由于各測(cè)試結(jié)果相差不大，只列出了測(cè)線2的測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。

圖6 高密度電法測(cè)線2成果

高密度電法電阻率等值線斷面圖顯示采空區(qū)注漿區(qū)域視電阻率表現(xiàn)為高阻特征，無(wú)明顯的低阻異常說(shuō)明均已進(jìn)行注漿密實(shí)。

4.2 波速測(cè)井

本次共完成2個(gè)鉆孔，鉆孔深度160m，共計(jì)完成320個(gè)測(cè)點(diǎn)工作量。1號(hào)孔注漿位置：孔深87.0～88.0m，υs為836m/s；98.0～99.0m，υs為821m/s。2號(hào)孔注漿位置：孔深73.0～74.0m，υs為867m/s；98.0～99.0m，υs為852m/s；101.0～103.0m，υs為867m/s，說(shuō)明水泥漿與圍巖膠結(jié)較好。

4.3 鉆探驗(yàn)證

本次共完成2個(gè)鉆孔，ZK1鉆孔深度160m，ZK2鉆孔深度157m。其中在1號(hào)鉆孔中有兩處揭露水泥漿，深度分別為87.0～88.2m和87.8～88.6m，多為裂隙中充填，膠結(jié)度較好。在2號(hào)孔中119m處漏漿較快，在后期補(bǔ)注水泥過(guò)程中注入量較少，推斷為巖石破碎帶引起。兩個(gè)鉆孔中均未發(fā)現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1)采用物探、鉆探及鉆孔成像技術(shù)對(duì)擬建工程山東龍泉科技大廈龍泉家園地基采空區(qū)進(jìn)行了綜合探測(cè)，各探測(cè)手段相互驗(yàn)證，基本查明了勘探范圍內(nèi)不同煤層低阻異常區(qū)，有效探明了煤礦采空區(qū)位置和分布范圍。

2)基于采空區(qū)探測(cè)結(jié)果及擬建工程特點(diǎn)，綜合確定了注漿孔間距、孔深、注漿次序、注漿孔大小、注漿壓力、注漿材料配比等關(guān)鍵注漿參數(shù)及工藝。

3)為檢驗(yàn)工程治理區(qū)的治理效果，采用地面高密度電法、鉆探、波速測(cè)試等工作手段對(duì)工程治理區(qū)的治理效果進(jìn)行分析論證，檢測(cè)結(jié)果表明注漿效果良好，基本達(dá)到了理想治理效果，治理經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供一定的參考意義。