多煤层采空区注浆加固设计与施工

陈利生

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

多煤层采空区注浆加固设计与施工

陈利生

(中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

多煤层采空区属于隐蔽性工程，其结构复杂、稳定性差，若在其上方兴建建筑物尤其是高层建筑物时必须采取一定的治理措施，在治理之前首先应对其可行性进行专题论证，进而在论证的基础上合理组织设计与施工。结合工程实例，对多煤层采空区治理工程中涉及到的问题进行了较深入的研究:结合地质采矿资料并运用钻孔探测技术，对地基稳定性进行了分析评价；确定了注浆方案、注浆范围以及注浆孔孔位布置；在施工工艺方面对浆液材料配比、注浆段划分、浆液扩散半径以及注浆压力等参数进行了分析研究；最后运用钻探和物探技术对注浆效果进行了检测分析，并结合概率积分法，对各项地表残余变形参数进行了预计。结果表明：此次注浆达到了预期目的，为地表建筑物的安全运行提供了保障，可为其他类似工程提供一定的参考与借鉴。

多煤层采空区 稳定性分析 注浆设计 施工 效果检测

近些年来，随着城镇化趋势的快速发展和工业经济水平的不断提高，土地需求与土地资源紧缺之间的矛盾日益突出，在许多工业化程度高及人口密集的城市土地紧缺问题已成为制约城市发展的瓶颈[1-3]。尤其在矿业型城市，本来土地资源数量有限，加之资源的开发利用，使原本有限的土地大面积被破坏和占用，鉴于土地资源的紧缺，许多矿业型城市不得不考虑将建筑物建在采空区之上，但采空区上方，尤其是多层采空区上方，建设项目地质灾害治理难度大、任务重，目前还没有统一、成熟的行业标准，因此对此方面治理工程进一步研究探讨有着重要的意义。本研究结合工程实例对多煤层采空区的注浆加固与施工进行研究探讨。

1 工程概况

拟建厂址位于矿区工业广场地带，地下为多层采空区和保安煤柱，煤炭资源已开采枯竭，矿山已停采多年，井下保安煤柱资料情况不很详尽，特别是解放前开采资料不多，虽采空区冒落沉降已基本完成，但采空区“活化”仍有可能。其具体条件如下。

地质构造：矿区位于煤田东端边缘地带，井田中间有2条北东向小型断裂将矿区分为5个块段，并有多条羽状小断层存在。拟选厂址处在上述2断层之间地段，该2断层不属区域性构造，亦非全新世活动断裂，对厂址稳定性的影响不大。

煤层及采空区：拟建厂区下方共有12层煤，其中可采煤层为5层，自上而下分别是4，6，7，8，10号煤层，煤层倾角依次为19°，19°，11°，19°，12°，平均采厚依次为1.3，2.2，1.3，3.1，1.5 m,最小采深依次为210，230，300，240，250 m。

水文地质条件：厂区地下水水位变化较小，且浅部地层含水性处于很湿或饱和状态，因此地下水疏降对地表建(构)筑物地基变形的影响可不考虑。另外，场地赋存的上层滞水，水质良好，对简易钢结构厂房不具腐蚀性。

2 采空区现状分析

由于本工程建筑物最高为6层，建筑荷载载荷较大，对地基稳定性要求较高，手头掌握的图纸资料不足以说明地下实际情况，所以非常有必要对重要建构筑物区域深部岩层与老采空区现状进行钻探分析，进而掌握采空区及其覆岩的破坏情况，为后期老采空区地基的加固治理设计提供可靠的依据[4-6]。根据地质采矿条件，结合地面建筑物拟建位置，共布置了7个勘察孔，其中车间处4个，办公楼处2个，服务中心处1个。为了直观掌握勘察孔内岩层的破碎情况，利用彩色钻孔电视系统对7个勘察孔的老采空区岩层现状进行了观测分析。

通过对1～7号勘察孔钻孔电视观测资料进行分析，对拟建厂址老采空区上覆岩层的现状以及老采空区的冒落状况有以下认识：服务中心(1号勘察孔)区域下覆岩层破碎，且有冒落老采空区分布；办公楼区(2、3号勘察孔)在140 m深度以下，岩层的完整性较差，裂隙发育，裂隙主要为高角度纵向裂隙为主，有明显受煤层开采的影响痕迹；生产车间区域(4～7号勘察孔)，在200 m深度以下，岩层完整性变差，有大量横纵向裂缝出现，有破碎岩石出现且碎石间空隙较大，疑似进出垮落带上部，特别是215 m深度以下有明显的空洞、碎石存在，在外部荷载和地震等外力影响下，老采空区活化的可能性是存在的。

由上述勘查结果可知拟建厂区下方采空区及其覆岩结构复杂、稳定性差，在施加建筑荷载后易发生失稳活化，故为确保拟建建筑物的安全运行，必须对其进行注浆加固处理。

3 注浆方案总体设计

3.1 治理方案的选择

结合钻孔电视，利用勘察孔对采空区及其上覆岩层的破坏现状进行了探测。结果显示：拟建厂区下方采空区较多且连通性好，上覆岩层裂缝带范围较大，岩层松软破裂，容易实现浆液均匀扩散，比较容易控制注浆范围,故本次注浆加固治理采用分段下行式注浆充填法[7]。施工时应采取边注浆边检测、间歇式反复注浆、必要时适当加密注浆孔布置的方法，尽量使采动裂隙充分得到充填加固，保证注浆质量。

3.2 注浆范围的确定

根据理论计算，拟建厂区下方老采空区裂缝带顶部距地表的最小深度为179 m。但在补勘孔施工过程中，根据钻孔漏水情况与钻孔电视实测裂隙发育情况分析，自115～135 m深度以下，岩层裂隙已开始与井下老采空区沟通，钻孔冲洗液漏失，特别是生产车间位置，岩层受老采空区采动影响破坏位置距地表较浅，需要加强治理。

根据拟建建筑物的面积加上相应的围护带宽度确定受护边界后，此次注浆水平方向治理范围按冲积层移动角和基岩移动角采用垂直剖面法进行确定。纵向起始深度为115 m，纵向治理范围为115 m至采空区煤层底板处。

3.3 注浆孔位布置

根据拟建厂址勘察孔的勘察结果及钻孔布置情况，结合以往采空区治理实践经验，确定在治理范围内注浆孔按均匀布孔方式布设，注浆孔间距为40～50 m。将原勘察孔转为注浆孔，在治理范围内共布置17个注浆孔。临时车棚处结构简单，抵抗变形能力强，故不作特别处理，注浆孔布置与建(构)筑物位置相互关系如图1所示。

图1 注浆孔布置与建(构)筑物位置相互关系Fig.1 The relationship of grouting holes and buildings (structures)

3.4 注浆量的确定

采空区加固注浆的注入量与采空区的高度、地层性质、采空区冒落状况以及覆岩破坏情况有关，同一地区各孔相差也很大，准确预计注浆量存在一定困难[8]。但根据浆液有效扩散半径、老采空区上覆岩层残余空隙率等参数，可以估计出各注浆孔的最大需要注入量，经计算本次采空区治理工程平均单孔注浆量为1 764 m3，预计总的注浆量约为29 988 m3。

4 采空区注浆工程实施

4.1 注浆材料及配比

本着经济合理、技术可行的原则，此次注浆选择水泥、粉煤灰材料，其固相比(水泥与粉煤灰的比例)选为1∶3，注浆过程中，浆液的水灰比随注浆时段的不同分为1∶1，0.8∶1，0.6∶1。初期注浆以稀浆为主，以利于浆液扩散。待掌握特点后，逐渐提高浆液浓度。

为确定注浆结实体的强度是否满足实际要求，按规定对各配比的注浆结实体进行了强度检验，试块强度变化如图2所示。

图2 试块强度变化Fig.2 The strength changes of test blocks◆—浆液水固比1∶1；■—浆液水固比0.8∶1；▲—浆液水固比0.6∶1

注浆工程充填体强度测试主要是通过抗压强度的测试，得出充填体的强度参数，设计要求浆液结实体单轴抗压强度≥0.3 MPa，由试验结果可知，结实体强度符合设计要求。

4.2 注浆参数的确定

4.2.1 注浆段划分

勘察孔钻探施工与钻孔电视观测的结果显示，在孔深120～300 m的深度范围内，岩层裂隙比较发育。为保证老采空区裂隙岩层加固质量，需要采取分段注浆方式，钻孔钻进一段，注浆一段，由外向里依次推进；终孔后，由下而上分段复注。根据以往注浆实践经验，确定注浆段高度为25 m。

4.2.2 注浆扩散半径

浆液有效扩散半径与注浆压力、浆液稠度、浆液初凝的速度、注浆材料、注浆方法、空区充填压实程度，以及注浆孔穿过或揭露采空区的不同部位等有关，一般应通过现场试验确定[9-11]。浆液在采空区中的扩散距离一般为5～50 m。根据类似工程推测此类工程注浆设计的有效扩散半径选择25 m左右是合理的，充填效果较好，本次注浆孔注浆设计的有效扩散半径为20～25 m。

4.2.3 注浆压力

注浆压力与注浆处的被注岩体结构、浆液黏度、凝胶时间长短等多个因素有关，很难确定一个统一的标准，一般通过现场注浆试验确定，通常注浆压力越大扩散半径越大，注浆效果越好。鉴于采空区附近多为塌落堆积物且岩层破碎较为严重，故可适当降低注浆终压，选为1.0～1.5 MPa。

4.2.4 注浆工艺及施工

采空区注浆工程的施工工艺一般工序：施工前的准备—施工注浆孔—建立注浆站—注浆系统耐压试验—钻孔冲洗及压水试验—制浆注浆—观测孔注浆工艺—观测与记录—注浆结束后的压水试验—关闭注浆系统—提取注浆塞—封孔—分析注浆效果。

上述工艺中注浆孔的施工在整个过程中起着至关重要的作用，其施工方法是：在地表冲积层阶段，以开孔直径钻进至未风化基岩内部8～10 m，下直径127 mm套管护壁；以下以120 mm直径钻进至120 m深度，灌注水灰比为0.6∶1 或更浓的加水玻璃的水泥浆，其水泥浆柱高度不小于8 m，下入直径110 mm的止浆管，待水泥浆终凝或24 h后再变径至91 mm钻至第一注浆段设计深度，然后开始注浆。等该段注浆完毕、水泥浆终凝后扫孔并钻至第二注浆段设计深度，进行下一段注浆。如此多次重复,直至注浆结束。

5 注浆效果检测分析

为检验注浆效果是否达到预期目的，本项目选择了钻探与物探相结合的方法进行了效果检验，并在在检验的基础上运用概率积分法，对注浆加固处理前后的地表残余变形参数进行了对比分析，最终对本次注浆加固的效果进行评价。

5.1 钻探检测结果

检查孔一般布置在岩石破碎或坍塌最严重的部位，同时也要兼顾浆液扩散半径最小部位或注浆加固效果欠理想部位[12-13]。本次注浆效果检测最终确定2个检查孔，I号检查孔设在1车间的南部，II号检查孔设在服务中心大楼的东南部。

I号检查孔设计深度为260 m，终孔深度为260 m。在钻进过程中冲洗液有少量间歇性漏失，没有出现大幅度冲洗液消耗现象，进尺比较正常。在246 m左右冲洗液携带上来大量粉煤灰，说明浆液已达到此处。II号检查孔施工到155 m时冲洗液完全消耗，158 m处孔内开始少量返水，但是没有发现见软现象，在240 m左右孔内返出大量粉煤灰，说明注浆已涉及到该位置，该孔按照设计要求为取芯孔，实际取芯率为89%。2个检查孔在钻进过程中均未发现明显的掉钻、落钻及异常进尺现象。结合钻孔电视观测可知，检查孔附近区域岩层充填效果明显，有大量注浆结实体存在的痕迹，验证钻孔的充填率达到85%以上。这说明注浆参数选择合理，工艺可行，注浆达到预期目的。

5.2 物探检测结果

根据注浆孔的分布情况及注浆范围布设了3条测线，每条测线长度320 m，经观测分析可知，注浆后测线中视电阻率值较注浆前相比有一定幅度的提高，相对低阻异常在视电阻率剖面上的范围大幅度减小甚至消失，仅在一车间东南部存在小部分的低阻异常现象，由此说明经注浆加固处理后岩层均一性得到提高，达到了注浆的目的。

5.3 地表移动变形分析

注浆可以有效地抵抗和减小地表变形，但其不能绝对地防止地表变形，故注浆后地表仍存在一定程度的残余变形，在进行建筑设计前为确保安全非常有必要对注浆后的采空区残余变形参数进行预计分析[14-15]。根据部分矿区的现场实测研究结果分析，结合本矿地质采矿条件及地表移动特点，运用概率积分法对注浆前后采空区上方地表移动变形各个参数进行预计，预计结果如表1所示。

表1 注浆前后地表残余变形参数最大值Table 1 Maximum surface residual deformation parameters before and after grouting

可见经过注浆治理后，项目区地表移动变形明显降低，为厂房安全投产提供了保证。

由钻探、物探资料以及概率积分法计算结果可知，通过注浆加固处理提高了老采空区上覆岩层裂缝区岩体的整体性，加强了上覆岩层的承载能力和抗扰动能力，有效地减小了地基在外载及其他因素影响下产生过大沉降和变形，将老采空区及其上覆岩层残余变形对上方建(构)筑物的影响降低到了允许范围内。

6 结 论

(1)多层采空区结构复杂、可预测性低，治理难度大，在对其进行稳定性评价时，宜准确掌握其地质采矿资料，对不确定及关键部位应结合钻探或物探资料去验证，根据实测资料合理选择治理方案。

(2)在采空区上方建设大型工业建筑物和设施，已经有很多成功的实例。对本项目来说，其特殊之处是地下开采煤层较多，拟建建筑物荷载大。经对注浆效果的检测证明：采空区进行注浆处理后，老采空区上覆破碎岩体得到一定的加固，其稳定性和承载能力得到加强，抗外载扰动能力提高，能够大大提高地基稳定性，确保建筑物建成后的安全运行。

(3)由于多层采空区十分复杂，残留煤柱、残留巷道、煤层倾角等因素均有可能影响注浆浆液的流动和扩散，所以在检查孔的施工过程中，仍然有可能出现掉钻、异常进尺等情况。在检查孔施工结束后，应利用钻孔电视对上覆岩层裂隙充填情况进行进一步的确认，对遗漏或注浆效果不理想的部位应及时进行追加注浆。

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(责任编辑 徐志宏)

Design and Construction of Grouting Reinforcement for Multi Strata Goaf

Chen Lisheng

(TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCorp.，Tangshan063012，China)

Multi-strata coal goaf belongs to concealed works.Due to its complex structure and being lack of stability，some measures should be taken if constructing new buildings especially high buildings on surface of goaf.Before governance，the feasibility for constructing was argued firstly，and based on the argumentation，reasonable design and construction were made.Combining with engineering example，some concerning issues in governance of multi-strata coal mined-out area were deeply studied.Based on the geological and mining data and using drilling detecting technology，the foundation′s stability was analyzed and assessed，and the grouting range，grouting scheme，and holes arrangement were determined.In the process of construction，such parameters as the material ratio of grout，grouting section division，grouting pressure and others were studied.Finally，grouting effect was tested with the use of drilling and geophysical technology，and the surface residual deformation parameters were estimated with probability integral method.The results showed that the grouting reached the expected target and provided guarantee for the safe operation of surface buildings.This research can be used as a reference for design and construction of similar project.

Multi-strata goaf，Stability analysis，Grouting design，Construction，Effect detection

2014-02-03

“十二五”国家科技支撑计划重点项目(编号：2012BAC13B03)。

陈利生(1978—)，男，主任，工程师，硕士。

TD853

A

1001-1250(2014)-05-010-05