煤矿老采空区地基注浆处治后稳定性评价研究

刘新文

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

在过去几十年中，大规模的地下开采形成了大范围的采空塌陷区。近年来，随着基建活动的增多和土地资源的减少，部分建筑不得不修筑在采空区影响范围内。采空区引发的地表沉降将会影响建筑物的安全使用，且其影响通常贯穿于构筑物的整个使用寿命[1]。

在建设高速公路时，由于不同地区的地势、地质条件及周围环境等不同，一般采用复合材料注浆填充加固的方式进行高速公路下伏采空区的治理[2]。法国的Charles Berigny 最早提出注浆法用于地下复杂地质的堵水和地基加固。随着工程需求和科技进步，各种多层次复合的新型注浆材料逐渐被发明出来，且完善了注浆过程的精细度，有效保证了注浆后的效果[2]。高速公路下伏采空区常用的注浆治理工程属隐蔽工程，其质量检测是确保后续工程施工安全及运营的重要环节。然而，目前老采空区建筑地基的稳定性评价研究多针对近水平煤层、中等稳定顶板，采用相似模型试验和数值分析方法，不能完全揭示老采空区的岩体结构特征及注浆效果。因此，针对不同岩体结构的采空区，如何评价注浆加固治理效果，如何评估治理后的采煤沉陷区土地是否能满足工程建设需要，十分重要。本文介绍软弱覆岩场地，开采倾斜煤层形成老采空区，经注浆处治后的场地稳定性评价研究。

1 工程概况

某高速公路JK1+100—JK1+300 段东北侧，场地占地面积15 333.4 m2，拟布设5 层综合楼、4 层办公楼、3层宿舍楼、附属用房及配套设施；综合楼、办公楼采用桩筏基础，宿舍楼采用筏板基础，框架结构。

该场地下伏3 号煤层采空区，该采空区开采方式为房柱式开采和走向长壁法开采。房柱式开采时间为1970—1976年，采深34.3～178.2 m，采厚3.6～5.2 m，煤层倾角约28°～39°，采空区处于充水状态，地表塌陷坑局部存在积水。走向长壁法开采时间约1970—1976年，采深75.5～360.8 m，采厚3.8～5.0 m，煤层倾角30°～41°。根据终采时间计算，场地内采空区均属于倾斜煤层老采空区。

该场地采空区治理深度为34.3～300.0 m，治理面积9 660 m2。注浆浆液为水泥粉煤灰浆，其水固比为1∶1.3～1∶1.0，建筑物区水泥含量占固相30%的浆液，非建筑物区水泥含量占固相20%的浆液，共设计注浆孔104 个。注浆孔梅花型布设，设计充填率为85%。建筑物及注浆孔平面布置示意图见图1。

图1 建筑物及注浆孔平面布置示意图

根据建设单位及采空区治理施工单位提供的资料，治理工程完成注浆孔104 个，注浆量17 056 m3。场地注浆孔单孔平均注浆量为164 m3。

2 评价标准及方法

按照现行国标《煤矿采空区岩土工程勘察规范》，根据处治结束后检测所取得的第一手资料，通过对比分析房柱式采空区处治前后的主要场地稳定性参数，对该场地采空区当前及今后一段时期的稳定性进行评价。

2.1 勘察前期与施工结束稳定性评价方法比对

场区内的采空区类型属于采掘不规则、顶板垮落不充分、难以进行准确定量计算的老采空区场地，勘察前期结合拟建场地，进行稳评。

2.2 条件判别法分析

采空区处治施工结束后，采用终采时间、顶板管理等条件对采空区稳定性进行判别已失去意义，由于采空区处治与未处治最大差异为剩余空洞量，所以该次条件判别法采用采深采厚比和地表移动变形特征对处治后采空区场地稳定性进行评价。

3 稳定性评价

3.1 稳定性主要参数变化

根据该项目采空区治理工程勘察设计文件，采空区处治后最大的变化为充填采空区后剩余空洞量，按最初勘察确定的房柱式采空区回采率为40%，处治前剩余孔隙率为回采率的50%，设计充填率为85%，处治后剩余孔隙率理论上将由20%降为3%；依钻芯检测综合情况与最初的勘察稳评资料对比分析，处治前最大掉钻高度约4.2 m，处治后揭示到最大掉钻高度0.3 m。房柱式采空区按采深采厚比、地表移动变形等对比分析判定如下。

3.1.1 采深采厚比稳定性判定

参照《采空区公路设计与施工技术细则》4.2 条规定，评价标准如表1。依据处治前后剩余空洞高度（处治前空洞高4.2 m，处治后空洞高按0.63 m 计），以50 m、100 m、150 m、200 m 等4 个采深（根据计算结果处治后100 m 以下均稳定，故分析至200 m）进行稳定性评价如表2。

表1 不规则柱式采空区场地稳定性等级评价标准

表2 参照公路房柱式采空区处治前后稳定性分析评价表

根据以上计算结果，处治前房柱式采空区早期稳定性均为不稳定；处治后房柱式采空区为欠稳定-稳定，二者临界深度为72 m。

3.1.2 按地表移动变形特征判定

在房柱式采空区处治之前，煤柱与空洞巷道相间分布，即使发生变形也属于非连续性变形，采空区处治之后，大量剩余空洞被冒落碎屑和结石体所充填，煤柱与冒落充填物接触较充分，原非连续变形逐渐被盆地边缘的连续变形所替代，可参考地表移动变形特征对采空区场地稳定性进行评价，见表3。

表3 房柱式采空区处治前后稳定性分析评价表

3.2 煤岩柱稳定性定量分析法

拟建场地西部区域采空区房柱式开采形成，根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》，分别对综合楼、办公楼、宿舍楼栋下伏房柱式采空区的煤（岩）柱进行稳定性评价，见表4。

表4 煤柱安全稳定性系数评价标准

式中：Pu为岩柱能承受的极限荷载，kN；Pz为岩柱实际承受的荷载，kN；γ0为上覆岩层的平均重度，kN∕m3；H1为煤岩柱埋深，m；Bh为保留煤岩柱条带宽度，m；Bz为采出条带宽度，m；M为采出煤层厚度，m；σm为煤岩柱的极限抗压强度，kPa。

该次计算中参数煤岩柱埋深采用楼座范围内取芯检测数据，煤岩柱极限抗压强度、上覆岩土平均重度均采用该场地原稳评单位煤矿采空区场地稳定性评价报告数据，煤岩柱长度、煤岩柱宽度采用楼座范围原采掘资料代表性煤柱，考虑到原采出条带宽度、煤层矿房巷道原始高度已因冒落坍塌及处治充填大幅缩小，剩余空洞宽度与高度显著降低，原始巷道宽度一般约3.5 m，处治后采出条带剩余宽度按原宽度35%取值，即Bz=1.2 m，处治后采掘巷道剩余高度0.6 m 取值，即M=0.6 m，煤岩柱稳定性分析计算结果见表5。

表5 楼栋煤岩柱稳定性分析计算结果

4 拟建工程对采空区稳定性的影响分析

4.1 根据荷载临界影响深度定量评价

根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》12.3.3 条[5]，拟建工程对采空区的影响程度，根据建筑物荷载及影响深度等，采用荷载临界影响深度判别法、附加应力分析法分析评价采空区场地适宜性。荷载临界影响深度定量评价工程建设对采空区稳定性影响程度的评价标准见表6，当HD≥H时，荷载对采空区影响程度大；当HD＜H≤1.5HD时，荷载对采空区影响程度中等；当H＞1.5HD时，荷载对采空区影响程度小。

表6 根据荷载临界影响深度定量评价工程建设对采空区稳定性影响程度的评价标准

临界开采深度的计算模型见图2，该次计算利用原稳评单位前期稳评资料参数，假定处治后巷道宽度减小为1.2 m（与煤岩柱计算一致），其余参数不变，则处治后HD=7.0 m，1.5HD=10.5 m。

图2 临界开采深度的计算模型

式中：HD为临界深度，m；P0为建筑物基底压力，单层取20 kPa；B为巷道宽度，m；γ0为顶板以上岩层的重度，kN∕m3；φ为顶板以上岩层的内摩擦角，（°），由岩样剪切试验求得。

根据处治后与前期勘察结果比对，拟建场地房柱式采空区剩余巷道埋深均大于10.5 m，因此该工程建设所形成的荷载对下伏采空区活化因素影响小。

4.2 附加应力影响深度判别法

工程建设对采空区的影响主要是地面建筑物形成的荷载对采动破碎岩体地基的扰动。对建筑地基下伏采空区而言，可能因地面建筑加载引起下伏采空区内冒落带、裂隙带、剩余空洞等破碎岩体产生二次活化位移，继而导致建筑物地基下沉或变形加剧，冒落带和裂隙带与建筑物荷载影响深度的关系见图3。

图3 冒落裂隙带与建筑物荷载影响深度的关系

地基中的自重应力与矩形基础下的附加应力：

式中：σc为自重应力，kPa；γi为第i层土的重度，kN∕m3；hi为第i层土的厚度，m；n为从地面到深度z处土的层数。

矩形基础下的附加应力计算采用角点法计算：

式中：σz为附加应力，kPa；P0为矩形面积均布垂直荷载，kPa；α为角点下竖向附加应力系数，是L∕B、z∕B的函数，L为基础的长边。

利用原稳评计算数据（评价取土层平均厚度20.0 m，土层平均重度取20 kN∕m3，岩层平均重度取25 kN∕m3），拟建工程为5F、4F、3F 建筑，按照最高的建筑物计算建筑物附加应力影响深度。单层建筑物基底压力按照20 kPa 进行计算，建筑考虑桩基础埋深为20.0 m，土层厚度取20.0 m，计算结果见表7。

表7 拟建5F荷载影响深度

建筑物地基附加应力最大影响深度为基底下26 m，距地面深度为46 m。该场地内房柱式采空区埋深均大于46 m（埋深小于46 m 的采空区不在建筑物下部），因此，建筑附加应力对采空区影响小。

根据荷载临界影响深度与附加应力影响深度等两种分析评价方法，拟建场地建筑物附加应力影响深度及荷载临界影响深度均小于采空区埋深，即场地内建筑物所产生的附加应力对处治后的采空区影响深度较小，建筑物所形成的附加应力在正常工况条件下不会引起采空区活化。

5 稳定性分析评价结论

a）依据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB 51044—2014），采用开采条件判别法、采深采厚比变化稳定性法等定性因素进行分析判定[6]；同时通过煤岩柱稳定性定量分析法，对处治后场地采空区稳定性进行了分析评价。采空区处治之后场地内较大的剩余空洞很少，因此场地已由原处治前不稳定场地转化为稳定场地。

b）参照《采空区公路设计与施工技术细则》4.2 条规定[7]，依据处治前后剩余空洞高度，处治后房柱式采空区大于72 m 为稳定场地，小于等于72 m 为欠稳定场地；由于该场地采空区埋深绝大多数大于72 m 的临界高度，故处治后采空区稳定性总体评价较好。

c）经对拟建场地综合楼、办公楼、宿舍楼下伏房柱式采空区的煤（岩）柱进行稳定性演算分析，场地内煤柱安全稳定性系数Kp均在2.0 以上，与注浆之前稳定性系数提升较大。通过演算，该采空场地处治后稳定性较好，判定为稳定-较稳定场地。

d）依据建筑荷载临界影响深度定量计算，场地建筑附加应力对采空区自身稳定性影响较小。

6 结语

本文针对灌浆处治后的房柱式采空区开展稳定性评价研究，参考国标和公路行业标准中处治前的稳定性评价方法，对处治后的老采空区地基稳定性进行综合评价研究。研究结果表明：场地建筑物附加应力影响深度及荷载临界影响深度均小于采空区埋深，场地已由原处治前不稳定场地转化为稳定场地。本文开展了勘察前期与施工结束稳定性评价分析，建立了煤矿老采空区地基注浆处治后稳定性评价方法，为类似工程提供了技术借鉴。