多层采空区场地勘察与注浆治理关键技术应用

张太平，张红军*，张瑞华，王奎峰，王 强，许 艳，陈书平，王 薇，刘 洋

(1.山东省地质科学研究院，济南 250013；2.徐州中国矿大岩土工程新技术发展有限公司，江苏徐州 221008)

0 引言

据不完全统计，我国每年由于煤矿开采所带来的土地塌陷面积可达2.68万余公顷[1-2]。许多地区不得不将部分居民住宅楼、工业厂房、道路等建立在采空区上方[3-5]，但是在采空区上方建立地面建筑物，极容易打破原来的平衡状态，导致采空区的覆岩及地表的再次移动与变形，直接威胁其上方建筑构物的安全使用，成为制约工程建设的一个重要难题[6]。

我国小煤窑一般分布于煤田浅部，由于不规范开采，具有数量多、发育不规则、位置不清晰的特点。实际工程上一般先采用地球物理方法进行探测，然后在物探圈定的异常范围布置钻孔进行钻探验证，这样可精确查明采空区的分布范围及其富水性[7-8]。地面综合物探中的瞬变电磁法[9]具有成本相对较低、探测精度相对较高等优点，是目前探测煤矿采空区及其富水性的主要地球物理方法[10]。

注浆已成为对采空区进行充填，加固地基的有效手段，在不同工程领域都取得了丰富的研究应用成果[11-12]。例如：孙忠弟[13]对采空区注浆参数进行了详细研究，并成功在某高速公路下伏采空区进行了应用。王联芳[14]等运用水泥粉煤灰对唐津高速公路采空区进行了治理，取得了良好的注浆效果。文浩雄[15]则在研究灌浆法处理路基的原理基础上成功对95 000m3采空区进行了治理。

本文以典型高层建筑群下多层采空区场地山东龙泉科技大厦为工程背景，综合采用瞬变电磁、钻孔探测等手段对重点区域进行了针对性探测，探测结果相互结合，有效探明了煤矿采空区位置和分布范围。并在勘察结果的基础上，针对性提出了采空区注浆设计关键参数，最终取得了良好的加固效果，以期治理经验可为类似工程提供一定的借鉴参考。

1 工程概况

拟建的山东龙泉管道工程股份有限公司厂区项目位于山东省淄博市博山区205国道以东、人民路以南、中心路北约300m的老厂区内，总建筑面积约395 507m2，拟建1栋12-23层局部3层的办公大楼、3栋30层、5栋33层住宅楼。根据初步调查，拟建场地位于原高家洼煤井井田范围内，附近存在大李煤井、石门煤井等多个小煤矿，开采情况复杂。根据初步收集资料分析，拟建场地下煤层1煤、2煤、3煤、4煤、7煤、9煤、10-1煤、10-2、3煤，其中1煤、2煤、3煤、4煤厚度变化大且分布复杂，为局部可采煤，开采情况不明；拟建场地下主要分布有4煤、5煤、7煤、10-1煤、10-2、3煤采空区，9煤开采情况不明。开采方法均为房柱式开采，顶板管理方式为自然垮落法。通过收集资料各煤层埋深情况统计如下表1所示，拟建场地煤层情况如图1所示。

图1 拟建场地煤层剖面

表1 各煤层埋深情况

2 采空区探测

为更为详尽的摸清采空区分布范围、层数、层间距等关键信息，本次探测综合采用物探、钻探相互结合、相互验证的综合高效办法进行探测。2018年9-12月在拟建场地分别利用瞬变电磁法与钻孔勘察两种方法分别对采空区进行了对比探测。

2.1 瞬变电磁探测

瞬变电磁法(简称 TEM)是解决地质问题的一种电磁方法，目前已经成为必不可少的一种岩土工程勘察技术手段[16-17]。本次的探测采用V8电法工作站，发射线框400m×400m，采用小线框进行接收，本次物探测线共布置13条，点距为10m，试验点5个，质量检测点10个，共计测点250个。

根据本次瞬变电磁探测结果，拟建场地下30～110m存在相对低阻异常区、各视电阻率等值线剖面图的相对低阻异常区深度与搜集资料确定的2、3煤位置基本一致，说明拟建场地下可能分布有2、3煤采空区，须结合钻探成果验证2、3煤采空区的分布，并进一步查明采空区塌落密实情况(图2)。

图2 部分视电阻率等值线剖面及切片

2.2 采空区钻孔勘察

根据瞬变电磁探测成果结合各煤层收集资料，于2018年10月开展了钻孔探测工作。根据场地的实际情况，共布置钻探孔19个，钻孔布置平面图如图3所示(图中半红色圆圈)。

图3 瞬变电磁法探测采空区范围及钻孔布置平面

通过钻孔揭露，拟建场地下分布有小窑采空区、2、3、4、5、7煤采空区，其中小窑采空区埋深38.0～44.0m、采厚0.3～1.2m、位于拟建场地北部；2煤采空区埋深37.3～97.3m、采厚0.3～1.7m、普遍分布于拟建场地下，3煤采空区埋深50.0～115.5m、采厚0.4～2.0m、普遍分布于拟建场地下；4煤埋深115.0～115.6m、厚约0.3m、位于拟建场地中部东侧，5煤采空区埋深106.5～159.0m、采厚0.5～1.5m、位于拟建场地北部，7煤采空区埋深124.5～150.0m、采厚0.5～2.0m、普遍分布于拟建场地下。钻孔揭露2、3、5、7煤及小窑采空区时均出现掉钻、进尺快等现象、对部分钻孔进行的钻孔成像也表明2、3、5、7煤及小窑采空区局部存在空洞。采空区水位为48.5～63.3m、平均57.6m、标高207.7m，水位以下采空区均已充水。部分钻孔成果成像如图4所示。

(a)Z6孔 (b)Z5孔 (c)Z10孔 (d)Z11孔

2.3 综合探测成果及分析

结合物探及钻探成果可知，拟建场地下普遍分布有2、3煤采空区，拟建场地北部分布有小窑采空区。钻孔揭露4、5、7煤的煤层、采空区深度及分布与收集资料及物探结果基本一致。小窑采空区、2、3、4、5、7煤采空区尚未冒落密实，仍有残留有空洞。根据Z18、Z19孔揭露，Z18孔在61.5～64.5m处、Z19孔在79.5～103.5m处岩心极破碎，且卡钻极为严重至无法钻进，疑为煤矿大巷或煤仓等构筑物。经过综合分析最终确定各煤层采空区位置，如图5所示。

图5 各煤层采空区位置分布

3 采空区注浆设计及治理

从物探及钻探勘测结果可知，拟建场地大部分区域为采空区，建构筑物应避开该区域或对埋深小于127.5m的采空区进行治理，且应加强对埋深小于65m采空区及疑为巷道或煤仓分布区域的治理，以消除、减小采空区对拟建建构筑物地基稳定性的影响，待治理结束并检测合格后方可进行建设。

3.1 注浆孔设计及施工次序

1)注浆孔设计。综合考虑治理区采空区分布特征及周边环境条件，在治理范围周边布置一排帷幕孔，间距8～12m，建筑物部位的注浆孔间距根据拟建建筑物下采空区分布特点采用不同的孔距，浅部采空区注浆孔孔距为12m，深部采空区注浆孔孔距为18～24m，建筑物外围注浆孔间距为24～30m。

2)施工次序。考虑到采空区已充水，采取由场地中间向周边的注浆顺序，便于采空区的地下水排出，即先施工建筑物下注浆孔，后施工建筑物外围注浆孔。均从采空区下山向上山方向推进即由北向南推进，并按批次间隔孔施工，严禁连片成孔后注浆，采空区注浆治理顺序为先治理上部的采空区，逐层向下处理。

3.2 注浆施工工艺

本次治理根据采空区密实情况采用灌注水泥粉煤灰浆和水泥砂浆两种工艺。对残留空洞小于等于0.5m及残留空洞大于0.5m且埋深小于95m的采空区灌注水泥粉煤灰浆，对残留空洞大于0.5m且埋深大于95m的采空区可灌注水泥砂浆。

注浆孔采用开孔直径为Φ150mm或Φ130mm，穿过覆盖层后，进入中风化岩石5～10m，下入Φ127mm套管并固管，然后变径为Φ91mm，终孔直径为Φ91mm，若掉钻大于0.5m，则采用108mm钻头扩孔至采空区，以便灌注水泥砂浆，注浆孔终孔深度以钻至各治理采空区底板3m。

3.3 注浆参数

1)注浆压力。先采用少量清水冲孔，再进行注浆，原则上控制在注浆孔孔口压力为1.0～1.5MPa，最终注浆压力可根据注浆情况优化调整。

2)注浆终止条件。当注浆压力达到1.0～1.5MPa，泵量稳定在50L/min以下，稳定5min以上、地面变形严重或地面有冒浆现象出现时，可作为该孔终止注浆标准，最终标准可根据现场试验情况优化调整。

3)注浆量控制。建筑物范围内注浆孔不限制注浆量，若最外围边界注浆孔单次注浆量超过50m3，则采取间歇灌注浓浆液。

4 注浆效果检测

4.1 高密度电测试

本次工作使用WGMD-9超级高密度电法系统对采空区注浆区域进行检测。测试工作延注浆区域横向共布设4条高密度电法测线，由于各测试结果相差不大，只列出了测线2的测试结果，如图6所示。

图6 高密度电法测线2成果

高密度电法电阻率等值线断面图显示采空区注浆区域视电阻率表现为高阻特征，无明显的低阻异常说明均已进行注浆密实。

4.2 波速测井

本次共完成2个钻孔，钻孔深度160m，共计完成320个测点工作量。1号孔注浆位置：孔深87.0～88.0m，υs为836m/s；98.0～99.0m，υs为821m/s。2号孔注浆位置：孔深73.0～74.0m，υs为867m/s；98.0～99.0m，υs为852m/s；101.0～103.0m，υs为867m/s，说明水泥浆与围岩胶结较好。

4.3 钻探验证

本次共完成2个钻孔，ZK1钻孔深度160m，ZK2钻孔深度157m。其中在1号钻孔中有两处揭露水泥浆，深度分别为87.0～88.2m和87.8～88.6m，多为裂隙中充填，胶结度较好。在2号孔中119m处漏浆较快，在后期补注水泥过程中注入量较少，推断为岩石破碎带引起。两个钻孔中均未发现掉钻现象。

5 结论

1)采用物探、钻探及钻孔成像技术对拟建工程山东龙泉科技大厦龙泉家园地基采空区进行了综合探测，各探测手段相互验证，基本查明了勘探范围内不同煤层低阻异常区，有效探明了煤矿采空区位置和分布范围。

2)基于采空区探测结果及拟建工程特点，综合确定了注浆孔间距、孔深、注浆次序、注浆孔大小、注浆压力、注浆材料配比等关键注浆参数及工艺。

3)为检验工程治理区的治理效果，采用地面高密度电法、钻探、波速测试等工作手段对工程治理区的治理效果进行分析论证，检测结果表明注浆效果良好，基本达到了理想治理效果，治理经验可为类似工程提供一定的参考意义。