某隧道附属工程遇煤层采空区的处治

朱明辉

(西华大学土木与建筑学院，四川成都610000)

1 工程概况

该隧道附属工程为1号竖井，竖井深度360 m，开挖断面直径9.75 m。1号竖井穿越龙池煤矿采空区，采空区深度102 m，地面风机房等建筑物下均为采空区，风机房占地面积6 069.3 m2。

隧道穿越吕梁山东部余脉西山煤田，地表分布着众多生产煤矿及废弃古窑，生产煤矿多为地方村办和个体小煤窑，年生产能力大多在3～10万吨，开采无规律，主采石炭系太原组(C3t)8#、9#煤层，煤层厚2.6～3.2 m，一般采厚2.3 m，开采范围广，隧道顶板位于煤矿采空区底板下213～314 m，煤矿采空区对隧道主体工程无影响。由于1号竖井穿越采空区，风机房位于采空区之上，采空区须进行勘察，并对其稳定性进行分析评价，然后根据勘察结论，对1号竖井和风机房进行必要的处治。

2 采空区稳定性评价

当地煤矿为村办小窑开采。采空区工作面停采时间为2008年5月，房柱式开采，采空区埋深102 m，采厚2.3 m，采深采厚比44，回采率25%。1号竖井和风机房采空区范围内，地表发现少量沉陷和裂缝，采空区场地欠稳定，地基不稳定。竖井和风机房下采空区须进行注浆处治，加固和充填松散破碎岩体。

ZK5+940左44 m布设钻孔，揭露到采空区，采空区冒落带高度7.67 m，裂隙带和弯曲沉降带不明显，其原因除房柱式采煤方法外，与采空区上覆岩体有直接关系。采空区上覆岩体有三层巨厚层状坚硬石灰岩，煤层开采后，完整坚硬岩体阻止采空区塌陷冒落，灰岩与上覆岩体间未发生移动和离层现象，采煤空洞体全部转化为岩体冒落塌陷裂隙中。剩余空洞体积率为80%。

1号竖井开挖断面直径9.75 m。采空区埋深102 m，回采率25%，采空区岩体移动角84°。采空区处治范围以竖井为中心，半径15 m的圆柱体为采空区处治范围，计算竖井采空区空洞体积。同时考虑风机房之下采空区的体积计算，以风机房外轮廓以外25 m为采空区处治平面范围边界，8#煤层采厚2.3 m，回采率25%，剩余空隙率80%。通过计算，1号竖井范围采空区剩余空洞体积325 m3，风机房范围采空区剩余空洞体积11 267 m3，竖井与风机房采空区剩余空洞总体积11 592 m3。

3 采空区处治办法

3.1 处治原则

采空区经处治后，采空区残余空洞和松散冒落物岩体得到充填和有效加固，提高隧道围岩基本质量指标。同时，通过注浆，在竖井一定范围形成环形柱状水泥浆液结石体，隔断采空区积水涌入，有利于安全，便于施工。

3.2 处治方案

本项目为小窑采空区，回采率低，充水，采空区具有隐蔽性和复杂性，其变形特点具有持续性和突发性。

竖井采空区处治除加固竖井围岩、阻隔采空区积水与竖井范围的水力联系外，考虑到浆液的凝固时间和工期因素，竖井范围采用纯水泥浆加2%～4%的速凝剂进行注浆充填处治。

风机房下采空区处治主要是充填加固，防止采空区的塌陷冒落。根据工程经验和材料配比试验，确定风机房采空区处治为水泥粉煤灰浆，其中水泥占固相的20%，粉煤灰占固相的80%。竖井采空区注浆浆液为纯水泥浆，其水固比为1∶1.0～1∶1.8。根据现场情况，采用较稠的浆液或在浆液中掺加水泥重量的2%～4%速凝剂，使注入采空区的浆液尽快凝固，防止浆液流失。

3.3 处治流程及要求

本工程处治流程如图1。

图1 处治流程

3.3.1 定点

注浆孔应用经纬仪、皮尺进行实地测量放样，钻孔实际位置原则上不应超过设计位置1.0 m。因受地形影响，钻孔不能放在设计位置时，可视具体情况在设计代表和工程监理的认可下予以调整。

3.3.2 成孔工艺

钻孔均在地表施工。

(1)用φ127 mm钻头开孔，钻至较完整基岩或地表下41～47 m至L5灰岩后，变径为φ91 mm。

(2)用φ89 mm钻头，钻至煤层采空区中的塌陷冒落带底板以下1 m。

3.3.3 钻探技术要求

(1)布置1～2个钻孔进行全取芯，以便指导钻探和注浆施工。对于全取芯孔，采空区冒落带部位岩芯采取率不应小于30%，其它部位岩芯采取率不应小于60%。

(2)做好钻探原始记录和岩芯编录及拍照工作。

(3)钻孔施工过程中，如发现漏水、掉钻、埋钻等现象要详细记录其深度、层位和耗水量。

3.3.4 注浆材料的配制

(1)浆液配制应按设计浆液配合比进行，并随机抽查浆液的各项指标。

(2)原材料:水用水表或定量容器计量;水泥按袋或按定量容器(散装水泥)计量，并要求用磅称抽查水泥的数量。

(3)制浆工艺如图2。

(4)搅拌过程:每次搅拌时间不得少于3 min。

图2 制浆工艺

3.3.5 注浆工艺及其有关参数

(1)施工顺序。岩层产状225∠9°，按岩层倾向方向，由北东向向南西向推进，先帷幕孔，后注浆孔，先风机房后竖井的施工顺序进行采空区处治。

(2)注浆。注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法，注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。

注浆时，应避免在短时间内注入大量的水泥浆，当注浆量较大时，应采用间歇式注浆法施工，同时在浆液中加入一定量的速凝剂。

(3)单孔注浆结束标准。在灌浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当泵量小于50 L/min时，孔口压力在2.0～3.0 MPa，稳定10～15 min，可结束该孔的注浆施工。

(4)注浆过程中若出现地表裂隙大量跑浆时，应采用间歇式注浆或减小泵量及地表充填裂隙的措施，阻止浆液从地面大量流失。

3.3.6 注浆技术要求

(1)注浆及间歇注浆前必须用清水洗孔，压水时间不得小于10 min。

(2)稀浆灌注量取单孔注浆量的30%为宜。

4 工程质量检测

根据项目特点，注浆结束10 d后在竖井范围布置一个钻孔对竖井采空区处治效果进行检测，6个月后在风机房范围布置一个钻孔对风机房采空区处治效果进行检测。

通过钻探取芯，一是观察浆液对冒落裂隙岩体的充填和固结程度，测试浆液结石体的物理力学参数;二是通过钻孔内电视摄影，观察分析水泥浆液挤走采空区积水后，浆液结石体隔断竖井、风机房下采空区冒落裂隙岩体与区域地下水力联系，分析和评价采空区处治效果。通过综合分析，确认采空区稳定后再进行竖井的开挖和风机房的施工。

5 结论与建议

(1)该煤矿采空区对隧道1号竖井和风机房影响严重，1号竖井和风机房采空区须进行注浆处治。

(2)瓦斯赋存于煤层、采空区空洞及其冒落物松散岩体内，依据《隧道瓦斯灾害危险性评价报告》，隧道1号竖井瓦斯涌出量小于0.5 m3/min，为低瓦斯工区。施工过程中注意瓦斯的检测与排放。

(3)通过收集矿区开采条件相关资料，煤尘爆炸指数为10%～20%，具有爆炸性。1号竖井施工过程中，应采取通风和防尘措施。

(4)通过检测评价，确认采空区稳定后，再进行竖井的开挖施工。

(5)在竖井施工过程中加强防排水，防止积水短时间大量涌入工作面。

［1］山西省交通厅．高速公路采空区勘察设计与施工治理手册［M］．北京:人民交通出版社，2006

［2］JTJ042－94公路隧道施工技术规范［S］

［3］铁道部第二勘察设计院．铁路工程设计技术手册:隧道［M］．北京:中国铁道出版社，1995

［4］铁道部第二工程局．铁路工程施工技术手册:隧道［M］．北京:中国铁道出版社，1995