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摘要：针对场地的岩土工程条件，综合采用资料收集、地质测绘、工程物探、工程钻探等技术手段和勘察方法，查明了采空区的分布特征，对采空区场地稳定性进行了评价分析，并以此为依据分别对全冒落顶板管理多煤层采空区和小采煤点采取了不同的治理措施。
关键词：复杂采空区；地质勘察；稳定性评价；治理措施
0 前言
对采空区进行准确的地质勘察、稳定性评价，并采取有效的加固治理措施，是采空区场地进行工程建设的前提。目前，国内外采空区勘察、治理技术尚未形成完备的系统，近年来国内铁路、煤炭、冶金、建筑、公路工程等领域在采空区应用方面积累了一些经验，但未建立完备的技术规程或行业标准，尤其在复杂采空区勘察治理方面具有较大的技术难题[1-3]。
贵州黔桂天能焦化有限责任公司130万吨/年循环经济型煤焦化扩建项目厂区总占地面积59.78 万m2，总建筑面积约248090m2，拟建工程包括工业厂房、办公楼、堆煤场、场区道路及绿地建设等，沉降敏感的建（构）筑物为焦炉、烟囱、煤塔、熄焦塔、配煤仓、筛焦楼及化产、煤气深加工装置等。拟建工程场地位于富贵庄煤矿、龙山头煤矿多煤层采空区范围内，且当地村民开采的小采煤点遍及整个厂区，拟建工程遭受地下采空区潜在威胁严重。本文结合该项目勘察、评价及治理工作，探讨可靠性高、系统性强、经济实用的采空区治理应用技术。
1 煤层及开采情况概述
场地内出露地层为二叠系上统龙潭组及第四系覆盖层，场区位于大弯子背斜南西翼，且发育多个次级纵向断层，最大断距达20m，构造较为复杂。研究区内可采煤层为1、5、6和17煤层，均位于龙潭组，各可采煤层的主要特征见表1。
表1 研究区主采煤层主要特征表
煤层
编号 平均厚度（m） 倾角
（º） 煤层间距
（m） 煤层稳
定 性 顶底板岩性
顶板 底板
1 1.00 19-30 50
10-20
15-20 较稳定 粉砂岩 泥岩或粉砂岩
5 1.25 19-30 较稳定 泥岩 泥岩或粉砂岩
6 1.05 19-30 较稳定 粉砂质泥岩 泥岩或粉砂岩
17 1.80 19-30 较稳定 泥质粉砂岩 泥岩
场地下伏富贵庄煤矿建于1996年，2011年3月正式关闭，设计生产能力3万吨/年，主要开采1#、5#、6#和17#煤层；龙山头煤矿于2001年12月获取采矿许可证，设计生产能力3万吨/年。两矿均采用走向长壁式采煤法，爆破落煤，全部垮落法管理顶板。场区存在众多小采煤点残留洞口，开采深度30~70m以内，为当地村民生活自用性采挖。
2 采空区地质勘察
2.1地质勘察工作概述
目前，国内外较为成熟的采空区的地质勘察手段主要有工程地质测绘、工程物探、工程钻探、室内试验及现场原位测试等，其中以工程物探和工程钻探为主[4]。
鉴于拟建场地下伏采空区复杂性，在充分分析基础资料的前提下，采用二维地震勘探对场地下伏采空区进行全面探测，在物探异常区域加以钻探揭露验证，并辅以地质测绘、波速测试等方法，较好地查明了采空区的层位、分布、范围和贯通关系及覆岩垮塌密实状况
2.2 场地采空区分布
通过上述勘察工作，查明场地内富贵庄煤矿、龙山头煤矿及小采煤点采空区分布范围、空间展布形态及覆岩破坏特征，为采空区场地稳定性评价及加固处理方案设计提供依据。场地采空区分布详见图1。
图1 场地采空区分布平面图
2.3 采空区稳定性分析
参考《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）对采空区稳定性评价相关规定，综合考虑地形地貌、地质采矿条件、钻探异常、地表剩余变形量及地面建（构）筑物布局等因素，将场地划分为稳定区、基本稳定区和不稳定区，分区标准及各分区占场区面积见表2，场地内各分区分布情况见图2。
表2场地采空区稳定性分区划分
分区 采空区类型 地表移
动阶段 地表残余变形值 回采
情况 占场区面积
稳定区 长壁式采煤采空区 衰退期 im’<3mm/m；
Km’<0.2mm/m2；
εm’<2mm/m 回采 24.6%
掘采巷道区 未回采
小采煤点采空区 回采
无采空区 未回采
基本稳定区 长壁式采煤采空区 衰退期 im’为3~10mm/m
或Km’为0.2~0.6mm/m2
或εm’为2~6mm/m； 回采 67.9%
小采煤点采空区 回采
不稳定区 长壁式采煤采空区 活跃期 im’>10mm/m
或Km’>0.6mm/m2
或εm’>6mm/m 回采 7.4%
注：上表中im’、Km’、εm’分别为采空区地表残余倾斜、曲率及水平变形值。
图2 场地采空区稳定性分区图
3 采空区治理措施
3.1 采空区治理方案选取
采空区治理方案主要依据地表的变形特征、地质与采矿特征等因素确定，国内应用较为成熟的采空区治理方法有桩基穿过采空区、支撑法治理、注浆治理及修建后维修等[5-6]。
综合考虑本场地具体情况，对场地下伏采空区采用注浆的方法进行加固治理，即利用钻孔将水泥粉煤灰浆注入采空区，其结石体不仅充填到剩余空洞及上覆岩层的裂隙中，同时阻止上覆岩层进一步的塌陷冒落。注浆法具有施工方便，易于控制施工质量，技术成熟，经济合理的优点。注浆孔平面布置图见图3。
3.2 多煤层采空区治理
对富贵庄矿多煤层采空及影响区，先从主井和回风井井口注入水泥粉煤灰浆液、携带粗骨料（砂或碎石），注浆结束后采用厂区内拆除的建筑垃圾（砖块）将主井和回风井的井口回填，并采用M7.5浆砌片石砌筑封堵。在采空及影响区范围内，全面布置注浆钻孔对该采空区的残留空洞及采动裂隙进行充填。
注浆孔采用Φ127mm钻头开孔，钻至稳定基岩5.0m后，下入Φ130mm孔口管，变径为91mm，用89mm钻头继续钻至终孔。注浆管为φ76mm的钢管，下段2m处焊接φ125mm法兰盘。注浆孔及孔口管结构详见图4，采空区注浆工艺流程见图5。
图3 注浆孔平面布置图
图4注浆孔及孔口管结构示意图
图5注浆工艺流程图
3.3 小采煤点采空区治理
对场地内分布的小采煤点，场坪结束后，将注浆管从挖开的废弃巷道或者洞口插入到底部，注入水泥-粉煤灰浆液，注浆结束后采用厂区内拆除的建筑垃圾（砖块）将废弃巷道或者洞口回填，并采用M7.5浆砌片石砌筑封堵。结合地面建（构）筑物平面布局、建（构）筑物的重要性等级、残留小采煤点洞口的分布以及物探异常区，在建（构）筑基础下布置适当的注浆钻孔，对地基进行注浆补强加固。小采煤点采空区注浆工艺参照多煤层治理注浆。
4 总结
本项目采用多种技术手段对采空区场地进行准确而全面的勘察，以此为基础分析采空区稳定性，并通过注浆法对场地下伏复杂采空区进行行之有效的加固治理，保证了拟建工程顺利建设和安全使用。该方法可靠性高，系统性强，并在工程实践中得以验证。笔者对此加以总结，以为类似工程提供借鉴，希望能在后续实践中得以不断完善。
参考文献
[1] 张志沛,王红.某高速公路下伏煤矿采空区稳定性分析[J].煤田地质与勘探,2005,(01).
[2] 高清武,牛景才.煤田采空沉陷及其影响因素分析[J].中国地质灾害与防治学报,1997,(03).
[3] 蒋泽泉,姚建明.煤矿采空区注浆治理工程探讨[J].陕西煤炭,2007,(05).
[4] 熊彩霞,梁恒昌,马金荣,张鄂芬.煤矿采空区建筑场地地基适宜性分析[J].采矿与安全工程学报, 2010, (01).
[5] 张斗群,周华群.煤矿浅埋采空区的地面注浆处理技术[J].煤炭科学技术,2006,(02).
[6] 童立元,邱钰,杜广印,黄卫,刘松玉.高速公路下伏多层采空区注浆充填法治理试验研究[J].公路交通科技,2002,(05).
[7] 张志沛,刘旭,徐汉民,杨俊生.煤矿采空区注浆工程质量检测的试验研究[J].岩土工程学报,2005,(05).
注：文章內所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：复杂采空区；地质勘察；稳定性评价；治理措施
0 前言
对采空区进行准确的地质勘察、稳定性评价，并采取有效的加固治理措施，是采空区场地进行工程建设的前提。目前，国内外采空区勘察、治理技术尚未形成完备的系统，近年来国内铁路、煤炭、冶金、建筑、公路工程等领域在采空区应用方面积累了一些经验，但未建立完备的技术规程或行业标准，尤其在复杂采空区勘察治理方面具有较大的技术难题[1-3]。
贵州黔桂天能焦化有限责任公司130万吨/年循环经济型煤焦化扩建项目厂区总占地面积59.78 万m2，总建筑面积约248090m2，拟建工程包括工业厂房、办公楼、堆煤场、场区道路及绿地建设等，沉降敏感的建（构）筑物为焦炉、烟囱、煤塔、熄焦塔、配煤仓、筛焦楼及化产、煤气深加工装置等。拟建工程场地位于富贵庄煤矿、龙山头煤矿多煤层采空区范围内，且当地村民开采的小采煤点遍及整个厂区，拟建工程遭受地下采空区潜在威胁严重。本文结合该项目勘察、评价及治理工作，探讨可靠性高、系统性强、经济实用的采空区治理应用技术。
1 煤层及开采情况概述
场地内出露地层为二叠系上统龙潭组及第四系覆盖层，场区位于大弯子背斜南西翼，且发育多个次级纵向断层，最大断距达20m，构造较为复杂。研究区内可采煤层为1、5、6和17煤层，均位于龙潭组，各可采煤层的主要特征见表1。
表1 研究区主采煤层主要特征表
煤层
编号 平均厚度（m） 倾角
（º） 煤层间距
（m） 煤层稳
定 性 顶底板岩性
顶板 底板
1 1.00 19-30 50
10-20
15-20 较稳定 粉砂岩 泥岩或粉砂岩
5 1.25 19-30 较稳定 泥岩 泥岩或粉砂岩
6 1.05 19-30 较稳定 粉砂质泥岩 泥岩或粉砂岩
17 1.80 19-30 较稳定 泥质粉砂岩 泥岩
场地下伏富贵庄煤矿建于1996年，2011年3月正式关闭，设计生产能力3万吨/年，主要开采1#、5#、6#和17#煤层；龙山头煤矿于2001年12月获取采矿许可证，设计生产能力3万吨/年。两矿均采用走向长壁式采煤法，爆破落煤，全部垮落法管理顶板。场区存在众多小采煤点残留洞口，开采深度30~70m以内，为当地村民生活自用性采挖。
2 采空区地质勘察
2.1地质勘察工作概述
目前，国内外较为成熟的采空区的地质勘察手段主要有工程地质测绘、工程物探、工程钻探、室内试验及现场原位测试等，其中以工程物探和工程钻探为主[4]。
鉴于拟建场地下伏采空区复杂性，在充分分析基础资料的前提下，采用二维地震勘探对场地下伏采空区进行全面探测，在物探异常区域加以钻探揭露验证，并辅以地质测绘、波速测试等方法，较好地查明了采空区的层位、分布、范围和贯通关系及覆岩垮塌密实状况
2.2 场地采空区分布
通过上述勘察工作，查明场地内富贵庄煤矿、龙山头煤矿及小采煤点采空区分布范围、空间展布形态及覆岩破坏特征，为采空区场地稳定性评价及加固处理方案设计提供依据。场地采空区分布详见图1。
图1 场地采空区分布平面图
2.3 采空区稳定性分析
参考《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）对采空区稳定性评价相关规定，综合考虑地形地貌、地质采矿条件、钻探异常、地表剩余变形量及地面建（构）筑物布局等因素，将场地划分为稳定区、基本稳定区和不稳定区，分区标准及各分区占场区面积见表2，场地内各分区分布情况见图2。
表2场地采空区稳定性分区划分
分区 采空区类型 地表移
动阶段 地表残余变形值 回采
情况 占场区面积
稳定区 长壁式采煤采空区 衰退期 im’<3mm/m；
Km’<0.2mm/m2；
εm’<2mm/m 回采 24.6%
掘采巷道区 未回采
小采煤点采空区 回采
无采空区 未回采
基本稳定区 长壁式采煤采空区 衰退期 im’为3~10mm/m
或Km’为0.2~0.6mm/m2
或εm’为2~6mm/m； 回采 67.9%
小采煤点采空区 回采
不稳定区 长壁式采煤采空区 活跃期 im’>10mm/m
或Km’>0.6mm/m2
或εm’>6mm/m 回采 7.4%
注：上表中im’、Km’、εm’分别为采空区地表残余倾斜、曲率及水平变形值。
图2 场地采空区稳定性分区图
3 采空区治理措施
3.1 采空区治理方案选取
采空区治理方案主要依据地表的变形特征、地质与采矿特征等因素确定，国内应用较为成熟的采空区治理方法有桩基穿过采空区、支撑法治理、注浆治理及修建后维修等[5-6]。
综合考虑本场地具体情况，对场地下伏采空区采用注浆的方法进行加固治理，即利用钻孔将水泥粉煤灰浆注入采空区，其结石体不仅充填到剩余空洞及上覆岩层的裂隙中，同时阻止上覆岩层进一步的塌陷冒落。注浆法具有施工方便，易于控制施工质量，技术成熟，经济合理的优点。注浆孔平面布置图见图3。
3.2 多煤层采空区治理
对富贵庄矿多煤层采空及影响区，先从主井和回风井井口注入水泥粉煤灰浆液、携带粗骨料（砂或碎石），注浆结束后采用厂区内拆除的建筑垃圾（砖块）将主井和回风井的井口回填，并采用M7.5浆砌片石砌筑封堵。在采空及影响区范围内，全面布置注浆钻孔对该采空区的残留空洞及采动裂隙进行充填。
注浆孔采用Φ127mm钻头开孔，钻至稳定基岩5.0m后，下入Φ130mm孔口管，变径为91mm，用89mm钻头继续钻至终孔。注浆管为φ76mm的钢管，下段2m处焊接φ125mm法兰盘。注浆孔及孔口管结构详见图4，采空区注浆工艺流程见图5。
图3 注浆孔平面布置图
图4注浆孔及孔口管结构示意图
图5注浆工艺流程图
3.3 小采煤点采空区治理
对场地内分布的小采煤点，场坪结束后，将注浆管从挖开的废弃巷道或者洞口插入到底部，注入水泥-粉煤灰浆液，注浆结束后采用厂区内拆除的建筑垃圾（砖块）将废弃巷道或者洞口回填，并采用M7.5浆砌片石砌筑封堵。结合地面建（构）筑物平面布局、建（构）筑物的重要性等级、残留小采煤点洞口的分布以及物探异常区，在建（构）筑基础下布置适当的注浆钻孔，对地基进行注浆补强加固。小采煤点采空区注浆工艺参照多煤层治理注浆。
4 总结
本项目采用多种技术手段对采空区场地进行准确而全面的勘察，以此为基础分析采空区稳定性，并通过注浆法对场地下伏复杂采空区进行行之有效的加固治理，保证了拟建工程顺利建设和安全使用。该方法可靠性高，系统性强，并在工程实践中得以验证。笔者对此加以总结，以为类似工程提供借鉴，希望能在后续实践中得以不断完善。
参考文献
[1] 张志沛,王红.某高速公路下伏煤矿采空区稳定性分析[J].煤田地质与勘探,2005,(01).
[2] 高清武,牛景才.煤田采空沉陷及其影响因素分析[J].中国地质灾害与防治学报,1997,(03).
[3] 蒋泽泉,姚建明.煤矿采空区注浆治理工程探讨[J].陕西煤炭,2007,(05).
[4] 熊彩霞,梁恒昌,马金荣,张鄂芬.煤矿采空区建筑场地地基适宜性分析[J].采矿与安全工程学报, 2010, (01).
[5] 张斗群,周华群.煤矿浅埋采空区的地面注浆处理技术[J].煤炭科学技术,2006,(02).
[6] 童立元,邱钰,杜广印,黄卫,刘松玉.高速公路下伏多层采空区注浆充填法治理试验研究[J].公路交通科技,2002,(05).
[7] 张志沛,刘旭,徐汉民,杨俊生.煤矿采空区注浆工程质量检测的试验研究[J].岩土工程学报,2005,(05).
注：文章內所有公式及图表请以PDF形式查看。