浅谈榆神供水工程北线输水隧洞穿越煤矿采空区处理

权红娟

(水利部陕西水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001)

榆神供水工程是一项跨流域的大型引水工程，该工程是调引天桥岩溶水及榆林府谷东部黄河漫滩水向榆神工业区(神木县)供水。各水源地的水通过管道收集至崇塔沟，再经过四级加压输送至榆神工业区。北线输水线路总长94.24 km，沿线布置水工建筑物22座，其中隧洞8座(总长90 km)、倒虹7座、暗涵3座、加压泵站4座，设计净扬程403.71m，总扬程438.13m。隧洞位于黄土梁峁沟壑区与沙漠区过渡地带，围岩类别以Ⅳ类为主，局部有Ⅲ类和Ⅴ类，工程设计流量为8.0m3/s。其中6#隧洞有6.3 km穿越采空区，采空区位于隧洞洞顶130～190m以上、8#隧洞有1.698 km穿越采空区，采空区位于隧洞洞顶0.3～1m。隧洞为钢筋砼无压隧洞，横断面形式采用圆拱直墙型，成洞尺寸2.5×3.2m(宽 × 高)，开挖断面为3.6 ×4.15m，直墙高2.46m，圆拱中心角 122.69°，圆拱半径为 1.422m。

1 采空区现状及稳定性分析

1.1 采空区现状

6#隧洞全长 38.251 km(桩号 16+199.81～桩号 54+451.31)，沿洞线布设的煤矿有府谷县金宏湾煤矿、府谷县府榆煤矿、七里庙三矿等七家煤矿。其中沿洞线已开采长度有6.3 km，平面延伸一般在800～160 0m，开采煤层底高程1 130～1 180m，隧洞顶板高程997～988m，采空区位于隧洞洞顶130～190m。其它段局部有压煤现象。

8#隧洞全长 25.254 km(桩号 66+391.50～桩号 91+645.90)，沿洞线布设的煤矿有府谷县胶泥圪捞煤矿、三道河凉水井煤矿、沙渠煤矿等八家煤矿。其中沿洞线已开采长度有1.698 km，平面延伸一般在300～2 600m，开采煤层底高程1 087m左右，隧洞顶板高程1 085.7～1 086.7m，采空区位于隧洞洞顶0.3～1m。其它段局部有压煤现象。

1.2 采空区稳定性分析

根据资料统计6#隧洞采空区均位于隧洞洞顶130m以上，借鉴高速公路隧洞穿越煤矿采空区的有关经验，隧洞纵向受影响范围为6.5 D，横向受影响范围为3 D，本工程隧洞开挖洞径D=3.6m，即纵向影响范围为23.4m。同时根据煤炭行业经验，采空区位于隧洞洞顶20m以上，不会影响隧洞的运行安全。所以判断6#隧洞采空区对本工程输水安全无影响，本文不再论述。

8#隧洞采空区全长1.698 km，平面延伸一般在300～2 600m，平均开采厚度为3～4m，其它具体资料见表1。

表1 8#隧洞采空区参数

由8#隧洞采空区参数表知，隧洞高程与3段采空区底板高程基本一致，采空区埋深较浅(局部25m左右)，开采方式为全跨落法开采。该段隧洞上覆岩层厚25m左右，岩石上为黄土及风积沙层，岩石类别为Ⅳ、Ⅴ围岩。地下煤层未开采之前，岩石在地壳内处于自然应力平衡状态。随着地下煤炭资源的采出，地表深处形成采空区而使上覆岩层内原有的应力平衡状态受到破坏，从而造成巷道周围岩石的破坏和移动。采空区直接顶板岩层在自重及其上老顶岩层作用下，逐层由深到浅发生破坏变形，形成冒落带、裂缝带、弯曲带等，根据煤炭专业经验，采空区冒落带高度约为采高的3～5倍，导水裂隙带发育高度一般为采高的18～24倍(含冒落带高度)。

据官方资料，采空区内几乎每间房都有大大小小的裂缝，有些采空区上地表裂缝有一拳头宽，且近几年来由于榆林煤矿采空区引起的地震也时有发生，地震发生后有些地方地面塌陷成一个大盆地，塌陷深度有2m左右。

2 隧洞穿越煤矿采空区的处理

2.1 采空区范围确定

采空区位于隧洞上方，且当隧洞顶板岩层厚度大于采空区底板松动带(根据经验松动带深度为5m)深度加2倍洞径时，隧洞不做特殊处理，但施工时需加强支护措施;反之需采取特殊工程措施解决。根据本工程具体情况，全线共有1.698 km位于采空区影响范围带内，且洞顶与采空区底板净距很小，对该种情况应做特殊处理。

2.2 采空区处理措施

由于目前水工隧洞的采空区处理方案在国内尚无规范可遵循，本工程隧洞穿越采空区处理方案主要借鉴国内高速公路隧洞过煤矿采空区处理方法，即采用全充填式注浆结合衬砌相配合方法:在隧洞地表钻孔，将水泥粉煤灰浆液注入受护范围内采空区及上覆岩体裂隙中，浆液固化后岩石形成整体，再进行隧洞开挖，开挖后进行隧洞衬砌。

2.3 隧洞受护范围

隧洞的受护范围包括受护对象和安全保护带，受护对象为隧洞两侧开挖线以外各1m范围内(本工程开挖宽度3.6m)，参考其它工程经验，安全保护带宽取15m，即本工程受护范围取隧洞中心线向两侧各17.8m(取18m)，总受护宽为36m。

2.4 注浆设计

注浆设计包括采空区的处理长度、宽度、深度，根据地质资料及采空区相关资料推算采空区空洞体积，计算注浆量，根据注浆量布设注浆孔。

2.4.1 采空区处理长度确定

由于本工程采空区均为老矿区，且开采方式基本为全垮落法开采，根据对采空区的综合分析，本采空区长度为沿线隧洞受影响的采空区全长1.698 km向两侧分别延伸一个受护范围宽36m，即总处理长度为1.77 km。

2.4.2 采空区处理宽度

由于本工程采空区高度基本与隧洞开挖顶高程重叠，所以拟采空区处理宽度同隧洞受护范围36m。

2.4.3 采空区处理高度

处理高度为采空区跨落带与导水裂隙带高度之和，同时考虑煤层开采对底板的破坏，底板处理深度根据已有工程经验取地板以下5m。根据煤炭专业经验，采空区冒落带高度约为采高的3～5倍，采高约为4m，即冒落带高度为12～20m，导水裂隙带发育高度一般为采高的18～24倍，但该段隧洞顶上覆岩层厚25m左右，岩石层以上为黄土及风积沙层，黄土层不存在导水问题。故采空区处理深度只能为洞顶岩石层(25m)和洞身及洞底松动带(9.2m)，即处理深度约为35m。采空区处理图见图1。

2.4.4 采空区空洞体积分析及注浆量计算

空洞体积为拟处理采空区的煤层体积乘以回采率，减掉采空区因顶板跨落而引起的变形量。根据有关资料，开采较早的煤矿由于生产力低下，回采率仅为50%左右。变形量根据工程经验、地表变形等有关资料综合分析确定为60%。

依据采空区回采率、变形量计算空洞体积;依据采空区的空隙体积、浆液的充填率和结石率计算采空区注浆所需浆液体积。计算公式如下:

式中:V空为采空区空隙体积，m3;V浆为采空区注浆体积，m3;S为采空区面积，m2;h为煤层厚度，m;α为回采率;α1为已发生的变形量;A为浆液损耗系数;1.1;η为注浆浆液对采空区及其上覆岩层中裂隙的充填率:1.0;η1为注浆浆液的结石率;1.0

经计算采空区空隙体积、注浆体积见表2。

表2 采空区空隙体积，注浆体积计算成果表

2.4.5 封边孔注浆量计算

封边孔注浆量单孔注浆量计算:V单=AπR2ha(1－a1)η/η1。式中:V单为单孔注浆量，m3;R为扩散半径，取孔距的一半;2.5m。其它符号意义同前。

通过计算单孔注浆量为17.3m3。

2.4.6 注浆孔布置

在隧洞的两侧，沿受护范围边线，布设封边孔，孔距5m，浆液配合比参考高速公路采空区处理经验及当地材料取:水:水泥:粉煤灰=1:0.4:1.6，由于封边孔以外采空区范围很大，为了防止浆液流失，在浆液中添加速凝剂;封边孔之间布设灌浆孔，灌浆孔纵横向间距均为10m，为了确保浆液能有效填充孔周围裂隙，灌浆孔梅花形布置，浆液配合比:水:水泥:粉煤灰=1:0.24:0.96。封边孔及灌浆孔设计深度为地面至洞底以下5m，注浆深度为洞顶以上基岩面至洞底以下5m。具体布置见图1。

图1 采空区处理图

3 结论

通过对采空区变形稳定分析，同时参考高速公路煤炭采空区处理的工程经验和煤炭专业设计人员的咨询，对榆神供水工程北线输水隧洞穿越煤矿采空区处理，采用针对性的全充填式注浆方法。由于现阶段水工隧洞的采空区处理方案在国内尚无规范可遵循，文中的很多理论及方法，依据的是高速公路穿越煤矿采空区的成功处理经验。期待随着科技的发展，能提出更有效、更经济的处理措施。

［1］建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程，2000.