不规则小煤窑采空区治理施工技术

刘兴安

（中铁十八局集团第三工程有限公司 河北涿州 072750）

不规则小煤窑采空区治理施工技术

刘兴安

（中铁十八局集团第三工程有限公司 河北涿州 072750）

铜黄高速公路TH-C17合同段部分路基、桥梁、服务区房建工程经过小煤窑采空区，采空区开采规律性差，不规则，施工难度大。通过对该段采空区治理过程中的工艺控制，并经过各项检测，检测指标均满足要求，能够控制好路基质量，可作为类似工程施工参考。

不规则 小煤窑 采空区 治理

1 工程概况

铜黄高速公路TH-C17合同段经过马坊村小煤窑采空区，采空区位于K127+033～K127+357段及K127+567～K128+012段，两段共影响主线路线长度706米，影响构造物含路基、桥梁、服务区房建工程等，影响范围较大。本标段的采空区为20世纪90年代中期开采小煤窑，开采方式为人工下井预留煤柱式开采，煤柱截面大小约2×3m,巷道宽约6～10m不等，因煤炭呈鸡窝状分布，开采规律性差,采空区巷道不规则，方向性差，顶板采取采后部分出渣、部分回填管理模式,该小煤窑于上世纪90年代末关停。

采空区开采煤层为一层，煤层标高约为1100～1120m，煤层厚度在0.8～4.5m左右，开采厚度0.8～2.9m，采空区埋深37～56m、平均埋深45m。K127+033～K127+357段采空区平均煤层开采厚度约2.0m；K127+567～K128+012段采空区平均煤层开采厚度约2.5m。根据采矿了解、走访调查及钻探分析，小煤窑底层有小范围底鼓和顶部塌陷现象发生，勘察区小煤窑回采率约为50%左右。采空区主要为深埋，施工难度大，采空区的处治直接影响路基施工质量和进度。

2 采空区治理工艺流程（图1所示）

3 施工技术

3.1 定点

（1）注浆孔应进行实地测量放样，钻孔位置原则上不应偏离设计1.0m。确因地形影响，应先施工其周围可以就位的钻孔，再根据钻探揭露采空区的情况予以调整。

（2）钻孔应分序次间隔进行，宜分成二～三个次序成孔，一序次孔对采空区可以起到补堪作用，根据实际地层及采空区情况对后续孔的孔位、孔数进行适当调整，弥补均匀布孔设计的不足。

（3）已施工钻孔揭示为采空区的，在治理范围边界内侧5m处布设帷幕孔，帷幕孔间距10m；治理边界范围内钻孔揭示为非采空区的，在治理范围边界内侧5m处布设注浆孔，注浆孔间距25m；治理范围内布设一般注浆孔，间距20-25m，梅花形布设。

3.2 成孔工艺

（1）钻孔均在地表施工。用Φ146mm钻头开孔，钻至完整基岩5m后，下入Φ130套管护壁，然后变径为Φ89mm，钻至采空区中的塌陷冒落带底板或煤层底板以下1.0m终孔；注浆管采用Φ76mm钢管，注浆孔的注浆长度为采空区最上部完整基岩顶面以下5m至煤层或采空区底板，孔口管长度为地表至完整基岩以下8m处的深度。

（2）做好钻探原始记录、岩芯编录及拍照工作，钻孔每50m测斜一次，每百米孔斜不超过1º。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）钻孔终孔的标准

鉴于小煤窑开采和塌陷变形的复杂性，通过有限的勘探钻孔尚难以精确查明地下的全部情况，需要在施工过程中逐孔进行判断。

a、在钻探过程中，有明显的掉钻现象，即认为达到了采空区，可终孔。

b、在钻探过程中，循环液突然漏失严重，即认为到达了采空区的塌陷裂缝带（不一定有明显的空洞），钻至底板（完整层）以下1m可终孔。

c、观察岩芯：当为人工填充的煤渣、煤矸石、片石或稀糊状泥土、煤末时，即认为到达了采空区，钻至底板（完整层）以下1m可终孔。

d、在设计深度内钻孔过程中未出现以上情况，则为煤柱，钻至设计深度（或参照相邻有采空现象的孔最终深度确定）即可。示意图详见图2。

图2 采空区治理终孔标准示意图

（4）孔深确定

终孔深度通过测量每节钻杆长度进行累加。建立逐孔施工台账、钻孔深度确认单和设计与实际孔深对比表并进行签认；无采空区的钻孔在提钻以后会出现泥浆沉淀或塌孔现象，注浆前应先注入清水清孔。

3.3 浇铸孔口管

将一端带有Φ130mm法兰托盘的Φ76mm注浆管下入孔内变径处，孔内投入20cm厚砾石，以堵塞大的缝隙，之后投入30cm厚粘土，防止浆液大量渗漏。然后灌入水灰比为1:1.5～1:2的水泥浆，浇筑长度为8m，浇筑要求达到注浆过程中浆液不会从注浆孔壁四周溢出。水泥浆液中应加入水泥重量2～5%的速凝剂，快速将注浆管与孔壁固结。示意图详见图3。

图3 注浆孔口管结构示意图

3.4 灰浆搅拌

（1）原材料品种及规格

根据设计要求，注浆主要原材料包括：P.O32.5水泥，II级粉煤灰，水玻璃，水泥及粉煤灰采用散装，水泥采用水泥罐盛装，粉煤灰场地堆放并进行覆盖。施工前，按施工时使用的水泥、粉煤灰，在实验室做浆液配合比试验，确定每立方米浆液干料含量、浆液浓度、密度、结石率、初凝和终凝时间以及结石体的无侧限抗压强度等各项参数。

（2）搅拌站建设方案

灰浆搅拌站主要包括：原材料存放区、一级搅拌池、二级搅拌池、水池。搅拌池采用人工地下挖坑，周围砌37墙，水泥砂浆抹面，搅拌池顶面配置电机带动搅拌螺旋浆，每次搅拌时间不少于5min。搅拌站布置示意图见图4。

（3）注浆泵

注浆采用活塞液压式注浆机，每台注浆机配备1块压力表及1块流量表，并配置一块压力表及1块流量表进行备用，使用前到计量所进行标定。

图4 搅拌站布置示意图

（4）原材料计量

每盘灰浆按照施工配比进行配制，原材料计量采用体积计量法，每个灰浆搅拌池的体积为12m3，在第一次使用时对各项原材料进行标定，首先采用磅秤对水进行称量，然后倒入搅拌池中，在水面与搅拌池侧壁交接处用钢筋做好第一道标记，用磅秤对水泥进行称量，然后将称量好的水泥倒入搅拌池进行搅拌，在水面与搅拌池侧壁交接处用钢筋做好第二道标记，用磅秤对粉煤灰进行称量，然后将称好的粉煤灰倒入搅拌池进行搅拌，在水面与搅拌池侧壁交接处用钢筋做好第三道标记，搅拌5min，放入二级搅拌池继续搅拌，开启注浆泵进行注浆，具体示意见图5。

图5 搅拌池配料示意图

3.5 注浆材料的要求、配比及用量

（1）注浆浆液为水泥粉煤灰浆，浆液的浓度使用，应由稀到浓，其水固比为1∶1.2。

（2）K127+033～K127+357段采空区为主线桥梁、路基、服务区下伏采空区，桥梁注浆孔（40孔）、加油站注浆孔（3孔），浆液水泥用量占固相的30%、粉煤灰用量占固相的70%；其余一般注浆孔浆液水泥用量占固相的20%、粉煤灰用量占固相的80%。K127+567～K128+012段采空区为公路路基下伏采空区，一般注浆孔浆液水泥用量占固相的20%、粉煤灰用量占固相的80%。上述两处采空区帷幕孔浆液水泥用量占固相的20%、粉煤灰用量占固相的80%。

（3）水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级为32.5级；粉煤灰应符合国家二级质量标准；水应符合拌制混凝土用水要求，PH值大于4；水玻璃模数2.4-3.4，浓度500BE’以上。

（4）注浆参数：K127+033～K127+357段采空区桥梁、加油站注浆孔注浆压力控制在2～3MPa、浆液结石体的单轴抗压强度不小于2MPa、注浆处治充填率应达到90～95%；其余注浆孔注浆压力控制在1.0～1.5MPa、浆液结石体的单轴抗压强度不小于0.6MPa、注浆处治充填率应达到80～85%；K127+567～K128+012段采空区注浆孔注浆压力控制在1.0～1.5MPa、浆液结石体的单轴抗压强度不小于0.6MPa、注浆处治充填率应达到80～85%。上述两段采空区在注浆压力达到设计结束压力时，结束吸浆量应小于70L/min。

3.6 注浆材料配制

（1）浆液配制按设计配合比进行，随机抽查浆液的各项指标。

（2）原材料：水用定量容器计量，水泥按定量容器（散装水泥）计量，粉煤灰用定量容器计量，用磅秤抽查水泥、粉煤灰的数量。搅拌过程不小于5分钟。具体详见图6。

图6 制浆工艺流程图

3.7 注浆工艺及有关参数

（1）施工顺序

先施工帷幕孔，再按采空区的倾斜方向，先施工采空区底板标高较低位置的注浆孔及结构物（桥梁）工点处的注浆孔，再沿倾斜方向由低向高、由边部向中心展开施工。

注浆应间隔式分序次进行，一序次孔浆液可能扩散范围较大，二、三序次孔注浆将使前序次未充填的空洞得到充填。具体详见图7。

（2）注浆

注浆开始前，测量孔内地下水位，在孔口连接三通，分别连接漏斗状的投砂器和孔口压力表，并安装流量表。

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，或减小泵量及采取地表填充裂隙的措施，阻止浆液从地面大量流失。

注浆时，应避免在短时间内注入大量的水泥粉煤灰浆，当注浆量较大时，应采用间歇式注浆法施工，或在注浆同时加注粗集料，或在浆液中加入水泥重量2%的速凝剂。

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对大于0.5m掉钻孔，注浆同时加注粗砂，并采取间歇式加速凝剂注浆工艺（间歇时间不小于36小时）。每一次注浆前，先注入清水不小于10min，以便将岩石裂缝疏通，利于浆液扩散。

注浆孔投砂采用开放式工艺，投砂前在注浆初始阶段，投砂器投入的砂经过浆液流动带入孔中，为防止堵孔，应避免在短时间内投入大量的砂。投砂量占总注浆填充量的15%，具体可根据实际情况调整。注浆末期，将投砂器取下，三通口封闭，投砂结束，孔内压力逐渐升高。

图7 注浆顺序图

帷幕孔的灌浆方法及工艺除执行设计要求外，对于灌浆量较大的帷幕孔，采用低压稠浆小泵量多间歇的方法灌注，以控制灌浆量，达到最佳的灌浆效果，防止浆液过量流失到非注浆部位或地段。

单孔注浆结束标准：

在注浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当泵量小于70L/min时，孔口压力在1.0～1.5Mpa，稳定10～15分钟，可结束该孔的注浆施工。

当注入一定浆量，孔口压力≮0.3Mpa，若出现地表裂隙大量跑浆时，即可暂停该孔的注浆施工。间歇适当时间后（以12小时为宜），再行注浆。如此反复最少三次以上，仍跑浆时即可结束该孔注浆施工。

注浆结束，经监理验收合格后，应采用M7.5水泥砂浆封孔，封孔范围为地表至浇铸孔口管顶面。（3）注浆量确认

方法一：注浆施工过程连续，不宜间断，施工采用散装水泥和粉煤灰，通过每天水泥或粉煤灰使用量按照理论配合比换算出水泥浆方量，由工作组、总监办、驻地办和施工单位现场共同确定并签

认，每天进行一次确认，建立注浆量台账和注浆量签认单，作为注浆量签认的主要方法；散装水泥、粉煤灰及粗砂通过过磅的方法进行确定。

方法二：通过在注浆泵安装流量表进行控制，由工作组、总监办、驻地办和施工单位现场共同确定并签认，每天进行一次确认，建立注浆量台账和注浆量签认单。

4 采空区治理监测

K127+033～K127+343段桥梁共布设4处工后变形监测点，房建设施共布设2处工后变形监测点，其中，房建区1处、加油站1处。

监测项目应包括水平位移、垂直位移、构造物倾斜和裂缝监测，采空区治理施工期间监测，半年内每周监测一次，半年后至通车期间每月监测一次；通车两年内，每两个月监测一次，变形显著时，增加监测频次。经变形监测资料分析和评价，确认采空区已完全稳定，对公路工程无影响时，方可停止监测。

5 采空区治理检测

5.1 检测孔的布设及监测项目

K127+033～k127+343段桥梁布设8处检测孔，检测项目为：结石体无侧限抗压强度，采用钻探检测；横波波速，采用孔内波速测井检测；填充率，采用岩芯描述或孔内电视检测；注浆量，采用注浆检测；倾斜值、水平变形值、曲率值，采用变形观测检测。

K127+100～K127+357段路基共布设4处检测孔。检测项目为：结石体无侧限抗压强度，采用钻探检测；横波波速，采用孔内波速测井检测；填充率，采用岩芯描述或孔内电视检测。

房建区、加油站共布设3处检测孔。检测项目为：结石体无侧限抗压强度，采用钻探检测；横波波速，采用孔内波速测井检测；填充率，采用岩芯描述或孔内电视检测。

K127+567～k128+012段路基共布设6处检测孔，检测项目：结石体无侧限抗压强度，采用钻探检测；横波波速，采用孔内波速测井检测；填充率，采用岩芯描述或孔内电视检测。

5.2 采空区治理检测要求

钻探及岩土测试应在采空区治理至施工结束6个月后进行，在采空区治理范围内，应按设计要求，钻孔取全芯，钻孔孔径不小于91mm，每回次岩芯采取率应大于90%。浆液结石体应做抗压强度试验，K127+033～K127+357段桥梁、加油站注浆孔（不含帷幕孔）结石体强度应不小于2.0MPa、其余注浆孔结石体强度不应小于6.0MPa；K127+567～k128+012段注浆孔结石体强度不应小于6.0MPa。采空区桥梁构造物采用注浆检测，注浆浆液为水泥浆，水固比1:1.2，注浆结束条件为单位时间注入孔内浆量小于50L/min，终孔压力2～3MPa。当浆液的注入量超过治理单孔平均注浆量的5%时，应查明原因，做出分析，必要时进行补充注浆。

5.3 采空区治理质量验收标准

表1 采空区治理质量验收标准

同时，用加强采空区治理施工的过程管理，将施工过程中的相关资料纳入质量评定验收的依据。

6 结语

通过本工程的施工，根据本方案施工，截止目前，经过各项检测，各项检测指标均满足要求，可控制好路基质量，对不规则小煤窑采空区治理得到广泛的推广和应用，对类似采空区治理起到借鉴作用。

[1]JTJ 076-95.公路工程施工安全技术规程[S].

[2]JTJ/T D31-03-2011.采空区公路设计与施工技术细则[S].

[3]JTG F10-2006.公路路基施工技术规范[S].

Harness Technology for the Irregular Goafs in Small Coal Mines

LIU Xing-an
(No.3 Engineering Corporation Limited of China Railway 18th Bureau Group Co. Ltd Zhuozhou Hebei 072750 China)

Some roadbeds, bridges, and housing construction of service areas in the contracted TH-C17 part of Xitong-Huangling highway cross goafs of small coal mines. Those goafs are irregular because of uneven mining. This paper introduces the technology used for harnessing those goafs in this section. And after various testing, the final indicators are able to meet requirements and well guarantee the quality of roadbeds. The experience is of great referential value for similar projects.

irregular small coal mine goaf harness

A

1673-1816(2017)01-0021-07

2016-04-12

刘兴安（1984-），男，山东临沂人，学士，工程师，研究方向桥梁、路基等施工领域。