某隧道附屬工程遇煤層采空區(qū)的處治

朱明輝

(西華大學(xué)土木與建筑學(xué)院，四川成都610000)

1 工程概況

該隧道附屬工程為1號豎井，豎井深度360 m，開挖斷面直徑9.75 m。1號豎井穿越龍池煤礦采空區(qū)，采空區(qū)深度102 m，地面風(fēng)機(jī)房等建筑物下均為采空區(qū)，風(fēng)機(jī)房占地面積6 069.3 m2。

隧道穿越呂梁山東部余脈西山煤田，地表分布著眾多生產(chǎn)煤礦及廢棄古窯，生產(chǎn)煤礦多為地方村辦和個體小煤窯，年生產(chǎn)能力大多在3～10萬噸，開采無規(guī)律，主采石炭系太原組(C3t)8#、9#煤層，煤層厚2.6～3.2 m，一般采厚2.3 m，開采范圍廣，隧道頂板位于煤礦采空區(qū)底板下213～314 m，煤礦采空區(qū)對隧道主體工程無影響。由于1號豎井穿越采空區(qū)，風(fēng)機(jī)房位于采空區(qū)之上，采空區(qū)須進(jìn)行勘察，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價(jià)，然后根據(jù)勘察結(jié)論，對1號豎井和風(fēng)機(jī)房進(jìn)行必要的處治。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)

當(dāng)?shù)孛旱V為村辦小窯開采。采空區(qū)工作面停采時(shí)間為2008年5月，房柱式開采，采空區(qū)埋深102 m，采厚2.3 m，采深采厚比44，回采率25%。1號豎井和風(fēng)機(jī)房采空區(qū)范圍內(nèi)，地表發(fā)現(xiàn)少量沉陷和裂縫，采空區(qū)場地欠穩(wěn)定，地基不穩(wěn)定。豎井和風(fēng)機(jī)房下采空區(qū)須進(jìn)行注漿處治，加固和充填松散破碎巖體。

ZK5+940左44 m布設(shè)鉆孔，揭露到采空區(qū)，采空區(qū)冒落帶高度7.67 m，裂隙帶和彎曲沉降帶不明顯，其原因除房柱式采煤方法外，與采空區(qū)上覆巖體有直接關(guān)系。采空區(qū)上覆巖體有三層巨厚層狀堅(jiān)硬石灰?guī)r，煤層開采后，完整堅(jiān)硬巖體阻止采空區(qū)塌陷冒落，灰?guī)r與上覆巖體間未發(fā)生移動和離層現(xiàn)象，采煤空洞體全部轉(zhuǎn)化為巖體冒落塌陷裂隙中。剩余空洞體積率為80%。

1號豎井開挖斷面直徑9.75 m。采空區(qū)埋深102 m，回采率25%，采空區(qū)巖體移動角84°。采空區(qū)處治范圍以豎井為中心，半徑15 m的圓柱體為采空區(qū)處治范圍，計(jì)算豎井采空區(qū)空洞體積。同時(shí)考慮風(fēng)機(jī)房之下采空區(qū)的體積計(jì)算，以風(fēng)機(jī)房外輪廓以外25 m為采空區(qū)處治平面范圍邊界，8#煤層采厚2.3 m，回采率25%，剩余空隙率80%。通過計(jì)算，1號豎井范圍采空區(qū)剩余空洞體積325 m3，風(fēng)機(jī)房范圍采空區(qū)剩余空洞體積11 267 m3，豎井與風(fēng)機(jī)房采空區(qū)剩余空洞總體積11 592 m3。

3 采空區(qū)處治辦法

3.1 處治原則

采空區(qū)經(jīng)處治后，采空區(qū)殘余空洞和松散冒落物巖體得到充填和有效加固，提高隧道圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)。同時(shí)，通過注漿，在豎井一定范圍形成環(huán)形柱狀水泥漿液結(jié)石體，隔斷采空區(qū)積水涌入，有利于安全，便于施工。

3.2 處治方案

本項(xiàng)目為小窯采空區(qū)，回采率低，充水，采空區(qū)具有隱蔽性和復(fù)雜性，其變形特點(diǎn)具有持續(xù)性和突發(fā)性。

豎井采空區(qū)處治除加固豎井圍巖、阻隔采空區(qū)積水與豎井范圍的水力聯(lián)系外，考慮到漿液的凝固時(shí)間和工期因素，豎井范圍采用純水泥漿加2%～4%的速凝劑進(jìn)行注漿充填處治。

風(fēng)機(jī)房下采空區(qū)處治主要是充填加固，防止采空區(qū)的塌陷冒落。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和材料配比試驗(yàn)，確定風(fēng)機(jī)房采空區(qū)處治為水泥粉煤灰漿，其中水泥占固相的20%，粉煤灰占固相的80%。豎井采空區(qū)注漿漿液為純水泥漿，其水固比為1∶1.0～1∶1.8。根據(jù)現(xiàn)場情況，采用較稠的漿液或在漿液中摻加水泥重量的2%～4%速凝劑，使注入采空區(qū)的漿液盡快凝固，防止?jié){液流失。

3.3 處治流程及要求

本工程處治流程如圖1。

圖1 處治流程

3.3.1 定點(diǎn)

注漿孔應(yīng)用經(jīng)緯儀、皮尺進(jìn)行實(shí)地測量放樣，鉆孔實(shí)際位置原則上不應(yīng)超過設(shè)計(jì)位置1.0 m。因受地形影響，鉆孔不能放在設(shè)計(jì)位置時(shí)，可視具體情況在設(shè)計(jì)代表和工程監(jiān)理的認(rèn)可下予以調(diào)整。

3.3.2 成孔工藝

鉆孔均在地表施工。

(1)用φ127 mm鉆頭開孔，鉆至較完整基巖或地表下41～47 m至L5灰?guī)r后，變徑為φ91 mm。

(2)用φ89 mm鉆頭，鉆至煤層采空區(qū)中的塌陷冒落帶底板以下1 m。

3.3.3 鉆探技術(shù)要求

(1)布置1～2個鉆孔進(jìn)行全取芯，以便指導(dǎo)鉆探和注漿施工。對于全取芯孔，采空區(qū)冒落帶部位巖芯采取率不應(yīng)小于30%，其它部位巖芯采取率不應(yīng)小于60%。

(2)做好鉆探原始記錄和巖芯編錄及拍照工作。

(3)鉆孔施工過程中，如發(fā)現(xiàn)漏水、掉鉆、埋鉆等現(xiàn)象要詳細(xì)記錄其深度、層位和耗水量。

3.3.4 注漿材料的配制

(1)漿液配制應(yīng)按設(shè)計(jì)漿液配合比進(jìn)行，并隨機(jī)抽查漿液的各項(xiàng)指標(biāo)。

(2)原材料:水用水表或定量容器計(jì)量;水泥按袋或按定量容器(散裝水泥)計(jì)量，并要求用磅稱抽查水泥的數(shù)量。

(3)制漿工藝如圖2。

(4)攪拌過程:每次攪拌時(shí)間不得少于3 min。

圖2 制漿工藝

3.3.5 注漿工藝及其有關(guān)參數(shù)

(1)施工順序。巖層產(chǎn)狀225∠9°，按巖層傾向方向，由北東向向南西向推進(jìn)，先帷幕孔，后注漿孔，先風(fēng)機(jī)房后豎井的施工順序進(jìn)行采空區(qū)處治。

(2)注漿。注漿采用漿液濃度先稀后稠的方法，注漿開始后，要定時(shí)觀測泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，收集原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整注漿量和漿液濃度。

注漿時(shí)，應(yīng)避免在短時(shí)間內(nèi)注入大量的水泥漿，當(dāng)注漿量較大時(shí)，應(yīng)采用間歇式注漿法施工，同時(shí)在漿液中加入一定量的速凝劑。

(3)單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。在灌漿孔的注漿末期，泵壓逐漸升高，當(dāng)泵量小于50 L/min時(shí)，孔口壓力在2.0～3.0 MPa，穩(wěn)定10～15 min，可結(jié)束該孔的注漿施工。

(4)注漿過程中若出現(xiàn)地表裂隙大量跑漿時(shí)，應(yīng)采用間歇式注漿或減小泵量及地表充填裂隙的措施，阻止?jié){液從地面大量流失。

3.3.6 注漿技術(shù)要求

(1)注漿及間歇注漿前必須用清水洗孔，壓水時(shí)間不得小于10 min。

(2)稀漿灌注量取單孔注漿量的30%為宜。

4 工程質(zhì)量檢測

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，注漿結(jié)束10 d后在豎井范圍布置一個鉆孔對豎井采空區(qū)處治效果進(jìn)行檢測，6個月后在風(fēng)機(jī)房范圍布置一個鉆孔對風(fēng)機(jī)房采空區(qū)處治效果進(jìn)行檢測。

通過鉆探取芯，一是觀察漿液對冒落裂隙巖體的充填和固結(jié)程度，測試漿液結(jié)石體的物理力學(xué)參數(shù);二是通過鉆孔內(nèi)電視攝影，觀察分析水泥漿液擠走采空區(qū)積水后，漿液結(jié)石體隔斷豎井、風(fēng)機(jī)房下采空區(qū)冒落裂隙巖體與區(qū)域地下水力聯(lián)系，分析和評價(jià)采空區(qū)處治效果。通過綜合分析，確認(rèn)采空區(qū)穩(wěn)定后再進(jìn)行豎井的開挖和風(fēng)機(jī)房的施工。

5 結(jié)論與建議

(1)該煤礦采空區(qū)對隧道1號豎井和風(fēng)機(jī)房影響嚴(yán)重，1號豎井和風(fēng)機(jī)房采空區(qū)須進(jìn)行注漿處治。

(2)瓦斯賦存于煤層、采空區(qū)空洞及其冒落物松散巖體內(nèi)，依據(jù)《隧道瓦斯災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)報(bào)告》，隧道1號豎井瓦斯涌出量小于0.5 m3/min，為低瓦斯工區(qū)。施工過程中注意瓦斯的檢測與排放。

(3)通過收集礦區(qū)開采條件相關(guān)資料，煤塵爆炸指數(shù)為10%～20%，具有爆炸性。1號豎井施工過程中，應(yīng)采取通風(fēng)和防塵措施。

(4)通過檢測評價(jià)，確認(rèn)采空區(qū)穩(wěn)定后，再進(jìn)行豎井的開挖施工。

(5)在豎井施工過程中加強(qiáng)防排水，防止積水短時(shí)間大量涌入工作面。

［1］山西省交通廳．高速公路采空區(qū)勘察設(shè)計(jì)與施工治理手冊［M］．北京:人民交通出版社，2006

［2］JTJ042－94公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］

［3］鐵道部第二勘察設(shè)計(jì)院．鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊:隧道［M］．北京:中國鐵道出版社，1995

［4］鐵道部第二工程局．鐵路工程施工技術(shù)手冊:隧道［M］．北京:中國鐵道出版社，1995