胶结注浆法在治理地下采空区中的应用

周根峰

(河南岭南高速公路有限公司,河南南阳 473000)

胶结注浆法在治理地下采空区中的应用

周根峰

(河南岭南高速公路有限公司,河南南阳 473000)

简要介绍岭南高速公路采空区状况及采空区治理的方案选择,并以岭南高速公路建设中治理地下采空区的实例,阐述运用胶结注浆法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,通过自下而上分段灌浆,使浆液形成的结石体支撑阻止上覆岩层冒落塌陷;对帷幕灌浆孔孔间距、深度、平面布置、浆液材料比例等进行了论述。

采空区;胶结注浆法;岭南高速公路

0 引言

河南省矿产资源丰富,开采矿产留下的地下采空区也众多。随着公路建设,尤其是高速公路建设的迅猛发展,采空区治理问题成了一个绕避不开的问题。鉴于地下采空区的隐蔽性、复杂性,以及它对公路工程严重的危害性,采空区治理成为河南省公路建设面对的一大难题。本文以岭南高速公路采空区治理工程为实例,论述了胶结注浆法在采空区治理中的应用。

1 工程概况

河南省岭南高速公路是国家高速公路二(连浩特)广(州)高速公路的重要组成路段,北起南阳市与平顶山市交界处的分水岭,南与国家规划的上海—西安高速公路河南段相连,全长98.5 km。岭南高速公路沿线范围内分布有丰富的煤矿和铝土矿,因多年开采煤矿、铝土矿,形成了大面积的采空区,其上覆的岩土层冒落塌陷,自下而上形成冒落带、裂隙带,导致地表发生变形,产生裂缝,引起地面沉陷,对拟建的公路产生较大的破坏作用。

岭南高速公路沿线煤层采深在25～80 m,采厚3～15 m,采深与采厚之比H/M=(1.7～26.7)。第四系松散堆积物亚粘土层、碎石土层,占上覆岩层总厚度的50%～90%。在采深与采厚比<30(H/M<30)的情况下,用冒落法开采会引起地表剧烈变形,采空区上方的地表常形成较大裂缝及塌陷坑。由于岭南高速公路沿线范围内煤矿采深与采厚之比多<30,故地面塌陷及变形现象非常明显,地面沉陷地质灾害十分发育。

煤矿采空区主要由集体或个人开采的小煤窑而形成,且重复多次开采,呈半充填状态,产生差异性沉降,塌陷直接影响到地表。后期的残余沉降将会使拟建公路的路基、路面产生裂缝、裂隙以及不均匀下沉,直接影响着拟建公路工程的质量和安全运营。

因此,在建设高速公路之前必须对影响路基的地下采空区进行治理。

2 采空区治理工程设计

2.1 治理方案选择

首先根据物探、钻探及采矿情况调查资料,确定采空塌陷区的类型、岩体结构及工程地质特征,为设计提供关键性数据。在根据上述三方面成果资料进行综合分析的基础上,通过对桥跨采空区方案、支撑法治理方案、胶结注浆法治理方案的认真对比,认为胶结注浆法治理方案比较适用于岭南高速公路沿线采空区的治理。

胶结注浆治理法,即在地表打孔,通过注浆泵、注浆管,将水泥粉煤灰浆注入采空区和其上覆岩体裂隙中,浆液经过胶结固化岩层裂隙带,同时采空区内的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用,阻止上覆岩层进一步冒落,防止地面因冒落而引起的沉陷变形,保障路基的稳定性。

采空区在进行治理后,地基的变形应满足公路工程对地基稳定性的要求,即:经治理后的采空区在公路施工和运营过程中,不产生破坏和影响公路工程正常使用的变形,保证公路安全平稳营运。

2.2 胶结注浆法设计方案

2.2.1 方法简介

胶结注浆法,即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,用钻机在地面成孔;采用裂隙岩石灌浆工艺,即通过注浆泵、注浆管,将水固比为1∶1～1∶2的水泥粉煤灰浆注入采空区及上覆岩体裂隙中,自下而上分段灌浆;浆液经过固化,胶结裂隙带将采空区中空隙体积全部充填并将松散的冒落物胶结在一起,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。

竖井回填采用人工或机械方式进行分层回填夯实,密实度≥85%,回填材料选用砂或砂砾或卵砾石均可,也可根据实际情况在回填时预埋注浆管。

2.2.2 灌浆孔和检查孔的布设

在线路两侧设计帷幕灌浆孔,注浆孔孔间距要根据灌浆段岩层的空隙率(孔隙率、裂隙率)来决定,在岭南高速公路两侧帷幕灌浆孔孔间距设计为10～18 m。注浆孔设计深度为地面至采空区冒落带的深度,灌浆孔的灌注长度为采空区最上部岩层顶面以下5 m至采空区底板,孔口管长度为地面至基岩下5 m变径处的深度。注浆孔的平面布置近似等边三角形。鉴于小煤窑开采的无规律性和勘察工作难以精确查明煤柱位置,有一部分的设计孔在施工过程中会钻到煤柱上,应在施工中进行调整。

为检查施工质量,按灌浆孔的2%设置检查孔,且每个采空处理区不能少于2个检查孔,检查孔应布置在注浆中出现问题或监理工程师认为有问题的位置,检查孔长度为原地面至采空区底板的深度。

2.2.3 灌浆材料及配合比

(1)灌浆材料 设计所使用的灌浆材料主要有水、水泥、粉煤灰、速凝剂等。水可用矿井水,应<1.0%,pH值应>4,采用泵送方法;水泥为P.S42.5矿渣硅酸盐水泥,其质量应符合国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007);粉煤灰为当地热电厂的产品,其质量等级为二级—三级,符合灌浆工程的要求。还使用了水泥速凝剂、河砂和碎石。

(2)浆液配合比 参照国内其它高速公路采空区治理工程经验并结合当地材料供应情况,通过配比试验,浆液为水泥粉煤灰浆,其水固比为1∶1～1∶2,采用水泥为固体总重的25%,粉煤灰为固体总重的75%。浆液强度R7≥0.3 MPa,结石率>80%。注浆孔结束标准是:当注浆量<70 L/min,孔口压力>1.5 MPa,稳定时间10～15 s。

正式施工前,应按施工时使用的水泥、粉煤灰,在实验室作浆液配合比试验,试验内容应包括每立方米浆液干料含量,浆液浓度,初、终凝时间,结实率,抗压强度等。路基处理范围最外侧一排帷幕孔,需在浆液中掺加水泥重量的1%～2%速凝剂,使灌入采空区内的泥浆尽快凝固,以形成帷幕,防止浆液流失[1]。

2.2.4 采空区治理长度、宽度与深度

(1)采空区治理长度 采空区治理长度以采空塌陷区沿路线延伸方向分布长度为准。

(2)采空区治理宽度 采空区治理宽度原则上是按路基范围内向两侧按67°的覆岩应力扩散角来考虑,即:

L=路基宽度(B)+边坡部分的水平距离+2Hctgβ其中L为采空区治理宽度(m);B为路基宽度,B=24.5 m;H为采空区底板至地面垂直距离;β为采空区覆岩应力角β=67°。

边坡部分水平距离,挖方段为路基边缘至坡口水平距离,填方段为路基边缘至坡脚水平距离。在以往的采空区治理经验中,认为采空区塌陷冒落后,其剩余沉降量影响范围有限,在治理宽度上应适当地小于此值。鉴于岭南高速公路采空区地质、采矿等特征以及公路路堤高度的实际设计,考虑从占地线外延20 m,在横向上治理宽度为100 m[2]。

(3)采空区治理深度 根据以往采空区治理经验,当采深采厚比<30时或闭矿时间间隔<5年者,都必须进行采空区治理工程。

采空区治理深度至采空区中塌陷冒落带或煤层底板0.3 m。

2.2.5 采空区塌陷空隙体积与注浆量计算

要使注浆充填采空区,设计注浆量时,必须首先计算采空区塌陷空隙体积。煤层或矿层被采出后形成的采空区因塌陷冒落而产生的空隙体积可用下式计算:

式中:Va——为采空后采空区体积,其值为:

式中:S为采空塌陷区面积;H为煤层厚度;K为回采率;ΔV为截止目前已经沉降的变形量冒落岩石碎胀所充填的体积。

因此采空区空隙体积为拟处理采空区范围内的矿层体积乘以回采率,并扣除采空区因顶板冒落而已经引起的变形。回采率根据勘查资料,经过综合评价认为岭南采空塌陷区回采率可取70%,截止目前已发生的变形总量占采空区百分比为85%。以上取值已考虑了在注浆过程中,浆液向灌注孔周围、采空区下伏、上覆岩层裂隙的渗透损失,空洞因冒落塌陷形成的部分堆积的空隙而渗入的浆液损失等。

岭南采空塌陷区体积的估算在公路轴方向以采空塌陷区范围为界,横向上采用前面所确定的治理宽度。据此原则及上述估算公式,可估算出需要进行治理的采空塌陷区空隙体积,然后根据采空区空隙体积,取灌浆浆液的结石率为80%,灌浆浆液对采空区及上覆层中的裂隙、缝隙的充填率为75%,最终可计算出灌注浆液体积[3]。

3 结束语

采空区治理工程是一项隐蔽工程,应对施工阶段实行动态控制,及时掌握钻孔注浆工程中反馈的信息,以便做必要的调整。

岭南高速公路目前已通车运营,截至目前采空塌陷区没有产生破坏和影响公路工程正常使用的变形,状况良好。岭南高速公路采空区的成功治理,为公路建设地下采空区治理积累了宝贵经验。

[1] SL62—94,水工建筑物水泥灌注浆施工技术规范[S].

[2] 孙忠弟.高等级公路下伏空洞勘探、危害程度评价及处治研究报告集[M].北京:科学出版社,2000.

[3] 黄绍铭,高大钊.软土地基与地下工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

(责任编辑:于继红)

Application of Cemented Casting Method in Treatment of Underground Mined-out Area

ZHOU Genfen
(Ling Nan Superhighway Co.,Ltd.,Nanyang,Henan473000)

This paper briefly introduces the situation of mined-out area and scheme selection for treatment of mined-out area.Take treatment of underground mined-out area in the construction of Lingnan expressway for instance.This article makes a particular discuss for the design of cemented casting method from aspects of grouting hole spacing,depth,grouting hole layout,slurry proportion.

mined-out area;cemented casting method;Lingnan express way

TD853.391+.2

A

1671-1211(2010)04-0405-03

2010-06-11;改回日期:2010-07-27

周根峰(1974-),男,工程师,道路与桥梁专业,从事高速公路建设工作。E-mail:Ingszgf@126.com