■ 陳本一 蔡同淼
(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)江蘇連云港222000)
某擬建高速公路下淺埋采空區(qū)的治理方案探討
■陳本一蔡同淼
(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)江蘇連云港222000)
本文根據(jù)某高速公路工程勘察取得的資料,通過分析采空區(qū)的工程地質(zhì)條件,綜合評(píng)估了采空區(qū)對(duì)工程建設(shè)的影響,提出了工程治理的建議方案。
采空區(qū)工程地質(zhì)采厚比治理方案注漿法
某擬建高速公路經(jīng)過一淺埋采空區(qū),采空區(qū)位于石家莊市井陘縣小作鎮(zhèn)南側(cè)。煤層產(chǎn)于石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)及石炭系中統(tǒng)本溪組(C2b)地層中。煤礦開采始于上世紀(jì)50年代,改革開放后由私人開采,2006年閉坑。采用小窯垮落式方式采煤,不規(guī)則的巷柱式,全部陷落法管理頂板,采空區(qū)密集區(qū)煤層回取率約50%,一般采空區(qū)回采率約30%,經(jīng)過多年開采形成了大面積采空區(qū),目前地表已發(fā)生多處塌陷等非連續(xù)變形,塌陷坑1.6~3.5米。工程勘察采用地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、物探等多種勘察方法,為采空區(qū)的科學(xué)評(píng)估提供了翔實(shí)的資料。
1.1地面塌陷特征
經(jīng)調(diào)查,該采空區(qū)的地面塌陷較為強(qiáng)烈,采空區(qū)有四處地面塌陷。塌陷坑的長(zhǎng)度8.5~26m,寬度8~22m,面積68~572m2,合計(jì)面積849.78m2,深度1.6~3.5m,周壁巖土為黃土狀土局部夾卵石。在地表還形成了大量裂隙,使水澆田變成旱地,農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。
1.2平面形態(tài)
根據(jù)巖層電阻率特征,共圈出5個(gè)低電阻異常特別區(qū),亦稱“煤礦采空密集區(qū)”。平面上呈橢圓狀、靴狀及不規(guī)則形狀,短軸長(zhǎng)度30~175m,長(zhǎng)軸長(zhǎng)度40~294m,面積1200~50000 m2。
1.3剖面特征
通過物探解譯和鉆探驗(yàn)證,查明采空區(qū)的分布狀況。采空區(qū)頂板埋深15~70 m,底板埋深30~77 m。鉆孔中均見到了采空區(qū)冒落帶或空洞,而且采空區(qū)的頂?shù)装迓裆?、冒落帶高度以及上覆第四系松散堆積層的厚度均與物探成果相吻合。
1.4冒落帶特征
煤礦采空區(qū)冒落帶特征,除在鉆進(jìn)過程中發(fā)生突然掉鉆、卡鉆、嚴(yán)重漏水、巖芯破碎、取芯困難、采取率低等現(xiàn)象外,還表現(xiàn)在巖芯混雜,既有巖粉、煤泥、巖屑,還有玻璃碎片等人類活動(dòng)殘留物。而且?guī)r芯多呈碎塊狀、角礫狀和碴?duì)畹?。代表性鉆孔地層為:①0~26.7m (Q3+4al+pl):黃土狀土,粉土,粉質(zhì)黏土,黏土,夾3層卵石層,共厚26.7m。②26.7~30.0m強(qiáng)風(fēng)化頁巖:巖芯呈碎塊或碎片狀,縱向裂隙發(fā)育,手捏易碎,厚3.30m。③30.0~40.0m冒落帶:灰黃、灰黑、黑等色,成分有頁巖、炭質(zhì)頁巖、煤屑、巖屑和砂粒,厚10m。鉆進(jìn)過程中漏水嚴(yán)重,卡鉆。④40.0~40.9m中風(fēng)化灰?guī)r:灰黑色,巖芯呈柱狀,長(zhǎng)8-20cm,致密堅(jiān)硬,有方解石脈穿插,厚0.90m。⑤40.9~42.5m空洞:無充填物,掉鉆。高1.60m。⑥42.5~64.0m冒落帶:灰黃、灰黑等色,成分為頁巖、砂質(zhì)頁巖、砂巖及各類巖屑、巖粉、煤屑和玻璃碎片等,成分混雜,分布無序,巖芯呈碎塊狀,泥屑狀和碴?duì)畹龋?1.5m。⑦64.0~65.0m全風(fēng)化粉砂巖:深灰色,松軟,手捏即碎,呈砂土狀。厚1.00m。⑧65.0~69.0m強(qiáng)風(fēng)化頁巖:頁理清晰,質(zhì)軟易碎,巖芯較完整,采取率80%以上,含植物化石碎片,局部夾灰?guī)r薄層,厚20cm。該層可見厚度4.00m。
1.5被采煤層厚度估算
要弄清采空區(qū)變形特征必須先了解被采煤層的厚度。但經(jīng)多方調(diào)查,目前尚未摸清被采煤層的確切層數(shù)與厚度,故采用已知采空區(qū)冒落帶高度,運(yùn)用反演方法,估算出被采煤層的厚度。
式中:h—冒落帶高度(m);
m— 被采煤層厚度(m);
K—巖石碎脹系數(shù),取1.15;
α—煤層傾角,根據(jù)鉆孔巖芯觀察,為15°;
被采煤層厚度計(jì)算結(jié)果為1.16~5.23米,平均4.12米。
1.6采空區(qū)體積計(jì)算
式中:S—采空區(qū)面積(m2);
H—被采煤層厚度(m);
K—回采率,該采空區(qū)為巷柱式開采,回采率較低,按50%計(jì);
估算結(jié)果為422658m3。
1.7采空區(qū)公路路基影響范圍及剩余空洞的體積
該公路等級(jí)為高速公路面寬度33.5m,為填方路基,路基底寬取為50m,路基兩側(cè)維護(hù)帶寬度取為10m。路基底寬+維護(hù)帶寬度=50+2×10=70m。采空區(qū)的塌陷變形對(duì)路線的影響范圍,經(jīng)計(jì)算確定為K線采空區(qū)路基影響面積26150m2,DK線采空區(qū)路基影響面積101654m2。采空區(qū)公路影響范圍內(nèi)剩余空洞體積K線46024m3,DK線178911m3。
1.8采空區(qū)水文地質(zhì)特征
采空區(qū)地下水,主要為松散巖類孔隙水和各類基巖(頁巖、砂質(zhì)頁巖、灰?guī)r)的裂隙水,地下水埋地下水補(bǔ)給來源,主要為大氣降水和部分農(nóng)田灌溉的入滲,排泄主要是人工抽取和少量蒸發(fā)。地下水水化學(xué)類型為型水,經(jīng)采取水樣試驗(yàn)判定:地下水對(duì)水泥混凝土及混凝土中的鋼筋均具微腐蝕性。
2.1依據(jù)《礦山開采沉陷學(xué)》
根據(jù)《礦山開采沉陷學(xué)》理論及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn):利用礦山開采的深度與被采礦層厚度的比值可以作為采空區(qū)對(duì)地表建筑物危害程度的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)之一。當(dāng)被采礦層的埋深與礦層厚度之比大于30時(shí),地表相對(duì)較為穩(wěn)定,常表現(xiàn)為連續(xù)性變形,如較大范圍的移動(dòng)盆地等,這種情況下采空區(qū)對(duì)公路工程的危害不大,可以不進(jìn)行處治。當(dāng)開采深度與被采礦層厚度之比小于30時(shí),地表則出現(xiàn)不連續(xù)變形,產(chǎn)生較大的裂隙和不均勻的塌陷坑等,對(duì)公路將造成極大危害,在這種情況下對(duì)采空區(qū)必須進(jìn)行處治。
區(qū)內(nèi)采厚比一般為11.21~18.17m,最大為26.72m,遠(yuǎn)低于一般規(guī)定的界限值30,因此,今后的變形對(duì)公路危害很大。其主要表現(xiàn)在:造成公路路基下沉;路基在下沉的同時(shí),將伴隨著水平方向上的移動(dòng),垂直于路線方向的橫向移動(dòng)將改變路基的原有方向;路基隨地表的下沉而下沉,因地表變形的不連續(xù)性與無規(guī)律沉降的不均勻性,使得路面的原有坡度出現(xiàn)無規(guī)律變化,如果地表傾斜方向和路線坡向一致,路線坡度將增加,反之,路線坡度將減少或形成反坡;地表不均勻下沉、路線坡度改變時(shí),必然導(dǎo)致路線在豎直方向上彎曲,改變?cè)性O(shè)計(jì)的曲率半徑。
2.2依據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》
依據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-03—2011)中“表4.2.1-4不規(guī)則柱式采空區(qū)穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行評(píng)價(jià):該采空區(qū)覆巖主要以石炭系泥巖、頁巖等軟質(zhì)巖為主,可判定為軟弱覆巖,且采深采厚比≤40,該采空區(qū)場(chǎng)地屬于不穩(wěn)定場(chǎng)地,對(duì)工程建設(shè)的危害大,需對(duì)采空區(qū)路基影響范圍內(nèi)的采空區(qū)進(jìn)行處理,方可進(jìn)行公路建設(shè)。
該采空區(qū)采深采厚比為11.21~26.72(小于40),能力指數(shù)CPI(與40的比值)僅為0.28~0.67,且為淺層采空區(qū),地表變形以突然塌陷形式的非連續(xù)性變形為主,且采空區(qū)殘留的煤柱較多,地表變形較難預(yù)測(cè),地表變形具有突然性特點(diǎn)。
非注漿方案:
3.1橋或板跨采空區(qū)方案
橋或板跨采空區(qū)方案是將樁基放在采空區(qū)下部的穩(wěn)定地層之上,采用橋式或板的方式通過采空區(qū)地區(qū),該方案主要是樁基深度大、施工困難、工程費(fèi)用大。該采空區(qū)沿路線長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般橋梁跨度,設(shè)計(jì)及施工難度極大,在目前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下,難以采用該治理方案。
3.2支撐法治理方案
支撐法治理方案是在采空區(qū)形成類似橋基的墩臺(tái),支撐采空區(qū)不再繼續(xù)沉降塌陷,但該方法要求采空區(qū)必須具有一個(gè)極堅(jiān)硬的頂板,同時(shí)具備下井開展施工的井下工作條件,由于該采空區(qū)覆巖主要為石炭系軟質(zhì)巖,巖土體軟弱,抵抗變形能力較差;該處采空區(qū)采用全陷法管理,目前采空區(qū)巷道內(nèi)已充水,不具備巷道內(nèi)進(jìn)行施工的條件,無法進(jìn)行支撐治理。因此,支撐法治理方案在該采空區(qū)治理方案中不適用。
3.3充填方案
充填法主要有兩種,一種是井下充填,一種是地面灌注粗砂。
井下充填是在井下尚未形成塌陷的采空區(qū)充填石料、砂、煤矸石等,形成支撐,預(yù)防塌陷。該方案工藝不存在問題,但是該煤礦停采后地下巷道已充水,井下通道無法恢復(fù),加上施工質(zhì)量難以把握,安全難以保證,治理效果難以檢驗(yàn)。因此,不考慮該方案。
地面灌注粗砂方案是在采空區(qū)帷幕孔做好以后,對(duì)中間大面積采空進(jìn)行灌注粗砂處理,根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn),大面積采空區(qū)進(jìn)行地面灌注粗砂處理,施工工藝不成熟,施工過程質(zhì)量難以把握,同樣處理效果難以檢測(cè)。因此,不考慮該方案。
3.4建成后維修方案
建成后維修方案是指在采空區(qū)路段的路基段可先修建,不作治理,然后在運(yùn)營(yíng)期間,對(duì)變形較大的路段進(jìn)行維修,而橋和隧道段不能采用此方案。
該方案是將采空區(qū)不穩(wěn)定路段的路基工程設(shè)計(jì)為柔性路面,在路基底層和填土層加鋪土工格柵,防止較快的不均勻沉降。路基沉降后對(duì)其進(jìn)行維修,主要是重新填鋪路基路面,以保證道路正常運(yùn)行。具體維護(hù)周期根據(jù)沉降程度確定。
該方案適用于采空區(qū)地表變形為連續(xù)變形,剩余沉降量較小,且采空區(qū)基本穩(wěn)定的情況。
[1]江蘇連云港地質(zhì)工程勘察院,《河北省石家莊至冀晉界公路初步工程勘察報(bào)告》[R].2012.11.
[2]交通部交函規(guī)劃【2010】214號(hào)《關(guān)于京昆國(guó)家高速公路石家莊至冀晉界段可行性研究報(bào)告的審查意見》,2010.10.
[3]《河北省區(qū)域地質(zhì)志》,1982年.
[4]常士驃.張?zhí)K民《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版),2007.
P621[文獻(xiàn)碼]B
1000-405X(2016)-3-389-2