采空区地基处理相关问题研究

王永倩，宣以琼

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)



采空区地基处理相关问题研究

王永倩，宣以琼

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)

摘要：根据采空区现状，对采空区进行勘察、变形稳定性分析和沉陷分析，提出对采空区的处理方法，结果表明：注浆法优势明显，未来一段时间内为主要处理手段。

关键词：采空区；采空区勘察；沉陷；注浆法

0　引　　言

我国地域幅员辽阔、矿产资源丰富但各地域矿产资源储存情况、开采情况差异较大，因此在进行公路建设的时候，多地区的高速公路建设作业不可避免地要布设于煤矿或者其他矿产采空区地表[1]。煤炭开采后在地下会形成较大采空区，造成地表产生均匀或不均匀变形、裂缝或塌陷等破坏现象，地面沉降导致了一系列的严重不利影响如：建筑物产生裂缝倾斜、道路及管道设施破坏、耕地塌陷甚至积水而无法耕种、地下水污染等[2-5]。地表的这些显著变化将对高速公路路基和路面稳定性产生影响，严重情况下会导致路基沉降开裂甚至塌陷，危害路面结构层，使面层产生波浪、凹陷、裂缝等病害，直接影响行车安全，减少公路使用时间，增加维修养护费用[6]。因此在采空区上部修建公路时，必须对其进行相应的实地勘察勘探、稳定性评价和分析，对于存在有不满足公路施工地基标准要求的地基情况进行相应的处理，确保公路路基的稳定。

1　采空区现状分析

地下固体矿床开采后的空间及其围岩失稳而产生位移、开裂、破碎垮落，直到上层岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的地区或范围，称采空区[7]。

1.1煤层开采主要技术分析

1.1.1井下采煤

目前我国的采煤方式主要分为两类：旱采和水采。旱采包括壁式采煤法和柱式采煤法。壁式采煤法工作面长，一般为100～200m，可容纳功率大，生产力高的采煤机械，产量大，效率高；柱式采煤法工作面短，一般6～30m，工作面短，顶板易维护。

1.1.2露天采煤[8]

对敞露地表的煤层进行开采

1.2采空区现状(见图1)

2　采空区勘察

公路采空区勘察工作按照工程可行性研究、初步勘察及详细勘察三个阶段进行。主要工作：对老采空区是评价上覆岩层的稳定性；而现采区和未来采空区则是预测地表移动规律，计算变形特征值。地质勘查方法主要有工程地质测绘、地球物理勘探及工程钻探。

2.1工程地质测绘

为了查清公路沿线采空区的分布位置，确定物探、钻探探测范围、探测工作量，并初步建立采空区的三维地质模型。需进行的测绘内容主要有：测区工程地质条件调查、采空区调查(地表变形情况、地表建筑物情况两三项调查内容分别见表1、表2)、采空区地表变形观测。

表1　采空区地表变形情况调查一览表

表2　采空区地表建筑物情况调查一览表

2.2工程物探

国有大型煤矿采空区的资料齐全可不进行物探，只进行采矿调查即可；而小型煤矿采空区应进行必要的物探工作，明确采空区范围、埋深、大小、上覆沉积物类型、断裂构造位置、岩层厚度等情况[9]。因此选择物探法(见表3)时需要结合具体的采空区情况。

表3　物探方法组合表

2.3工程钻探

钻探工作内容：查明采空区的地层岩性、水文地质条件、控制范围、几何形态、三代发育状况(见图2)、上覆岩层的物理力学性质等情况。钻探所得结果用以评价地质测绘和物探的结论的可靠性。

3　采空区变形稳定性

3.1采空区变形稳定性分析

在采空区上部修建高速公路或者在高速公路路基下进行开采作业，此两项工作内容较复杂，施工作业要求严格，质量标准要求较高，道路服务年限的标准较长，因此不仅需要严格控制公路修建过程中各施工作业环节的质量标准，而且需要定期检测公路在建成使用年限内的地表剩余位移变形量和变形总量，并据此变形量考察公路的使用状况和路基的稳定情况。

3.2采空区变形稳定性研究方法

国内目前采用较常见的研究方法主要有：数值模拟、预计法、解析法、半预计半解析法。其中数值模拟的方法适用范围更广，更精确，普遍为工程研究人员所接受。运用数值模拟方法进行分析时采用有限单元法、边界单元法、离散单元法和有限差分法等进行数据的收集处理。其中有限单元法起源较早、发展较成熟而且可以选择不同的本构体系，特别适用于覆岩开采沉陷的研究，分析预测与覆岩沉陷相关的复杂大变形问题。并且从分析结果中寻求问题解决的办法。国内外早已经有许多用于岩土工程分析、比较成熟的有限元计算软件，如ANSYS、SAP、ADINA等。

4采空区沉陷分析方法及地基处理措施

4.1采煤沉陷预测模型

4.1.1概率积分法，又叫随机介质理论法

随机介质移动过程的发展可用随机游动模型来说明(见图3)。

假设由C层取出球，则腾出的空间只可能由上层的A球或B球来充填，其概率可由下式表示：

(1)

若颗粒的尺寸非常小，a、b和x、z相比可以认为是极小量，则上式中含有概率P的项可在点(x,z)附近用台劳公式展开，并取前2项，经整理后可得：

(2)

式(1)中P(x,z)表示中点坐标为(x,z)的假想格子出现空位的概率。P(x,z)在岩体内的分布是不连续的。但在格子尺寸非常小，即a→0、b→0时，P(x,z)可以近似地看成连续函数。为此，要对(2)式两边在a→0、b→0的条件下取极限，可得:

(3)

(4)

式(4)为描述这类随机介质理论模型(见图3)岩层移动的基本微分方程式，A为一个反映格子尺寸的常数，其解P(x,z)为一个连续函数表示点(x,z)附近的无穷小格子出现空位的概率，则水平煤层的单元开采引起的空间点(x,y,z)无限小格子出现空位的概率为：

(5)

若对于平面问题，考虑边界条件，解(4)式得：

(6)

(7)

根据弹性力学，考虑岩体体积不可压缩的假定，可导出地表单元水平移动的表达式：

(8)

对式(7)和(8)式进行积分，即可得半无限(有限)开采地表下沉盆地的预计公式。

如煤层开采坐标系(见图4)所示，设i为回采工作面中的任一单元，该单元的煤在ti时刻瞬时采出，按开采沉陷学中概率积分法预计的基本原理，单元i开采引起的地层内任意点(X，Y)在t时刻的下沉为：

(9)

式中：ri——i单元中心点处的主要影响半径,m

ri=Hi/tanβ；Hi——i单元的采深(m)；

li=Hicotθ，θ为最大下沉角(o)；

(x,y)——i单元中心平面坐标；

(X，Y)——计算平面任一点坐标；

Δt——单元开采时刻ti与预计时刻t时间间隔：

Δt=t-ti，d；c——下沉速度系数，可由实测值求得，或用拟合公式计算。

因此，所有已开采单元引起地层内任意点(X，Y)在t时刻的下沉量为：

(10)

式中：W0―该地质采矿条件下的最大下沉，m；

d―已开采的采空区走向长，m；

a―采空区沿倾斜方向的水平距离，m；

4.1.2双曲函数法

(1)沿煤层走向主断面上的分布函数(充分采动)

①地表下沉分布函数

(11)

②地表倾斜分布函数：

(12)

(2)沿煤层倾斜方向主断面上的分布函数(非充分采动)

①地表下沉分布函数

(13)

②地表倾斜分布函数

(14)

式中：W0,i0,K0,U0,ε0—分别为充分采动条件下地表的最大下沉、倾斜、 曲率、水平移动和变形；

r,r上,r下——分别为工作面走向方向、上山方向和下山方向的主要影响半径；

l，L——分别为工作面倾斜方向的计算长度、实际长度；l=L-S上-S下；

S上、S下——分别为工作面上山、下山方向的拐点平移距。

4.2地基处理方法

选择采空区地基处理方案应综合考虑采空区开采时间、埋深、规模、水文地质等诸多差异较大的因素，且与经济、地基、道路、施工技术等因素相协调进行选择采空区处理方法(见表4)。

表4　采空区处理方法分类

4.2.1充填法

注浆充填：从地面钻孔至地下采空区，进而在破碎岩体内注浆增加岩体的整体性。该法效果良好、应用广泛、适用不同埋深的采空区。

水力充填：利用地下矿井的涌水的水位上升以致充满整个采空区，依靠水压支撑顶板。因此要求采空区与外界隔绝、无连通空隙。

干(浆)砌充填：在采空区进行人工回填砌筑石灰岩或砂岩片石(厚度>15cm,长>30cm,强度≧10MP)等材料(浆砌采用砂浆砌筑)；在顶板塌陷不完全、空间大、埋深浅、具备人工作业条件的采空区进行地基处理时采用此法。

4.2.2局部支撑

注浆柱：在对采空区顶板的位置和性质掌握清楚的前提下，在采空区地面布置格子状钻孔，先后注入粉碎的矿渣、碎石、水泥浆或粉煤灰到孔内，这样就形成注浆柱，该注浆柱强度较大用以支撑上覆顶板使之保持稳定。此法缺点是随柱体积增大，材料消耗将显著增大，不经济。

井下砌筑柱：在采空区内直接砌筑钢筋混凝土、石、砖等材料的柱墩用来支撑、上覆顶板的重量，保持顶板稳定。该方法适用于巷道较宽敞且顶板条件较好的采空区类型。

4.2.3释放沉降潜力法

井下复采或爆破：采出采空区残余煤柱或者在已完采采空区进行爆破作业，爆破造成顶板岩层破碎落下后充填采空区。此方法缩短沉陷时间，但是爆破后采空区连续沉降时间不可控制。

高能级强夯：采用高能量强夯处理破碎岩体，使浅部岩体的裂隙、离层裂缝压密，从而提高其地基承载力。

水诱导沉陷法：将水导入破碎的上覆岩层，加速其沉陷，待上覆岩层稳定后再展开地表回填等工作。此法适用于地表附近无需要构筑物保护的沉陷活动区。

5　结　　论

目前下伏采空区的公路地基处理以注浆充填为主，因其具有的适应性广、处理深度大且技术成熟可靠、处治费用低等优点而被工程上普遍采用。在未来一段时间内仍然作为主要的采空区地基处理手段。

参考文献

1张留俊，王福胜，李刚.公路地基处理设计施工实用技术[M]. 北京：人民交通出版社，2004:198-209.

2柴登榜.矿井地质工作手册[M].北京：煤炭工业出版社，1984：86—87.

3刘增辉.杨本水.利用数值模拟方法确定导水裂隙带发育高度[J].矿业安全与环保.2006.33(05).16-19.

4孙文华.三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册[M].北京：中国煤炭出版社，2005：798—803.

5杨本水.缩小防护煤柱开采的机理研究[J].矿山压力与顶板管理.1999(2):69-71.

6刘松玉.公路地基处理[M].南京：东南大学出版社.2009(6):296-310.

7刘树良.公路路基施工技术规范.释义手册[M].北京：人民交通出版社,2009：345-349.

8蔡宝金.浅谈”三下”采煤技术[J].煤炭技术.2003(6):54-58.

Research related issues gob foundation treatment

WANG Yongqian, XUAN Yiqiong

(School of Civil engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei, 230022, China)

Abstract:According to the present situation of gob, the survey of mined out area, deformation and stability analysis and settlement analysis about gob, and proposes new methods of gob treatment. Results show that grouting method has obvious advantages, and this method should be for a period of time in the future as the main way of gob treatment.

Key words:gob; gob reconnaissance; subsidence; grouting method

中图分类号：TB22

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)05-031-05

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150507

作者简介：王永倩(1990-)，女，硕士生，主要研究方向为岩土工程。

基金项目：国家自然科学 (51274007)

收稿日期：2015-04-14