南官庄煤矿采空区治理方案

李 亮 张 涛

中国华西工程设计建设有限公司，河南郑州 450000

1 概述

巩义至登封高速公路项目起点位于巩义市北部站街镇，通过设置站街枢纽互通式立交与连霍高速公路相连接；终点位于登封市东北部唐庄乡，通过程堂枢纽互通式立交与郑少洛、永登高速公路相连。

南官庄煤矿开采为山西组二1煤层，煤层倾向320°，倾角平均36°，采用走向长壁倾斜分层采煤法，顶板管理为全垮落法，煤层厚度在6.5m～15m，平均厚度10.13m，平均采高为3.3m（倾斜煤层），回采率约为75%。批准的开采深度为220m～80m。现在已部分开采止+150m高程。采空区已塌陷，最深塌陷达1m左右，省道S237公路在该段立有“煤矿塌陷区”的警示牌。根据勘察结果，路线从南官庄煤矿采空区K8+881～K9+150段通过，该段设计为路基，由于该矿采空区为1984～2005年所采，停采时间较短，采厚较大，对路线影响较大。

2 采空区稳定性评价原则

在地质调查、采矿调查的基础上，本着宏观分析与稳定性验算相结合的原则，结合煤层采取率、已开采煤矿的厚度、开采煤矿时的开采方式、已开采煤层的倾斜角度、采矿完成后至今的时间等，通过估算本项目施工时采空区经过5年沉降后的最大剩余变形量进行评价。所采用计算公式见《矿山开采沉陷学》。

3 采空区的稳定性评价

南官庄采空区为2005年以前开采，煤层的平均采厚为3.3m，采深80m～140m，走向长壁式开采，顶板全垮落法管理，煤层尚有25%未被开采。本项目施工时，煤矿仅停止开采5年 ，未充分塌陷。预计最大剩余沉降量还有总沉降量的15%（即α=0.15）。下沉系数取η=0.85，tgβ=2.2，水平移动系数b=0.3，估算的结果如下：

最大沉降量：wmax=2805mm

最大剩余沉降量：w剩=420.75mm

最大剩余倾斜量：

i剩=11.57mm/m～7.71mm/m

最大剩余竖曲率：

k剩=±0.484～±0.215×10-3／m

最大剩余水平位移：u剩=126.23mm

最大剩余水平变形：

ε剩=±5.28 mm/m～±3.52mm/m

根据《高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册》关于路基允许变形值的规定和《建（构）筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程 》的有关规定，南官庄煤矿采空区的剩余沉降量大于规范所规定的最大剩余沉降量，表明其处于缓慢沉降阶段，必须采用措施进行处理。剩余变形以较快的水平移动和沉降为特征。

4 采空区治理设计

4.1 采空区治理设计原则

南官庄煤矿采空区处理时需要考虑所处环境的特点、工程地质情况、建筑材料的供应以及施工所需时间等因素的前提下，采用先进的技术、经济效应最好的措施，满足巩登高速通车的各项功能。坚持一次根治，不留后患的原则。保证经过相应措施治理后的公路路基在公路运营期间，地基的变形应满足公路工程对地基稳定性的要求，不产生超过公路工程允许的变形。

4.2 采空区治理设计方案

图1

图2

表1 南官庄采空区地表移动角及系数一览表

根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2004）7.15.2 采空区处治，最终选择注浆治理方案作为南官庄煤矿采空区治理方案。

4.3 设计标准

根据《高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册》和《建（构）筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程 》，选取以下变形值作为公路采空区路基的允许变形值：

倾斜：i≤±3mm／m

竖曲率：k≤±0.2×10-3／m

水平变形：ε≤±2mm／m

4.4 采空区剩余空洞体积估算

（1）采空区影响范围的确定方法

南官庄采空区对高速公路横向的影响宽度，是以路基两侧边坡坡脚为起点，向两侧第四系松散沉积层按移动角Ф考虑，γ为基岩上山方向移动角，β为基岩下山方向移动角。

南官庄采空区影响巩登高速公路轴线的长度，是以采空区范围和煤层上山、下山方向上影响范围为界。图中Ф为第四系松散层移动角，γ为基岩上山方向移动角，β为基岩下山方向移动角。

（2）剩余空洞体积估算

煤层被采后所形成的空洞经过沉降及围岩填充后，其所剩余空洞体积为：

截至目前剩余采空区的体积（V）：

式中：

Va为开采完成后的总空洞体积，其值为：Va=S×M×K

式中：S为采空塌陷区面积，M为经调查所得知的煤层厚度，K为煤层回采率。

ΔV为截至目前已经沉降变形的冒落岩石碎胀所充填体积。

根据以往类似工程的实际经验，采空区形成5～8年以后，约有总变形量的80%～90%已完成，剩余10%～20%左右；采空区形成3～5年以后，约有总变形量的70%～80%已完成，剩余20%～30%左右。如果在这段时间内，覆岩尚未完全塌陷，则地表剩余变形量将会更大，剩余变形量将在若干年后缓慢完成。

剩余沉降系数南官庄煤矿取0.15。

在计算过程中，采空区在路线横向的宽度按计算确定，在路线纵向的计算长度按采空区长度取定。

4.5 采空区注浆量估算

按《高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册》，注浆总量按以下公式计算：

式中：

Q总——采空区总注浆量（m3）

A——注浆总量浆液损耗系数

S——采空区治理面积

m——采厚

K——回采率

η——注浆充填系数

C——浆液结石率

在实际灌浆施工过程中，浆液会不可避免的向四周围岩以及坍塌至空洞处所堆积的破碎岩层中的裂缝进行渗透，为保证剩余空洞能够有效的进行处理，注浆总量浆液损耗系数按1.1考虑。浆液的结石率为80%，浆液对采空区及上覆岩层中的裂隙、裂缝的充填率为75%，则估算出最终注浆体积。

表2 南官庄煤矿采空区影响路线段剩余空洞体积估算表

图3 采空区治理范围平面图

表3 施工图阶段南官庄煤矿采空区注浆治理工程量一览表（一）（钻探工程）

表4 施工图阶段南官庄煤矿采空区注浆治理工程量一览表（二）（注浆工程）

4.6 注浆孔布设

根据《高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册》中第5.3.2节关于采空区注浆设计的有关规定和表5-1（注浆孔和帷幕孔排距和孔距经验值一览表），南官庄煤矿采空区注浆孔设计为沿公路轴线按排布设，梅花状布孔，煤矿为壁式开采，连通性相对较好，排距为25m，孔距为25m。在治理区最边缘设置一排注浆孔，孔距为20m。

注浆孔顶标高为地面标高，底标高为采空区冒落带标高；灌浆孔顶标高为开采煤层上部岩层顶面以下10m处标高，底标高为采空区底板标高，孔口管顶标高为地面，底标高为基岩下10m变径处的标高。

5 结语

南官庄煤矿采空区停采时间已达5年，变形活跃期已过，现在已进入变形衰退期。现在采空区的变形主要是地面沉陷和裂缝。研究结果表明，南官庄煤矿采空区经过上述方案进行治理后，能有效地达到处理的预期目标，能够满足规范所规定的高速公路路基要求，保证公路安全营运。

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