京福国道主干线徐州东绕道煤矿采空区地质特征及沉陷成因分析

京福国道主干线徐州东绕道煤矿采空区地质特征及沉陷成因分析

1上更新统、石炭系调京福路主干线徐州东环公路东段为煤矿采空区，位于徐州铜山县大庙山村。k30820k3170是江苏省第一个采矿办。由于区内溶洞发育,地下水大,加上煤矿为多层开采等特点,给处治施工及质量检测带来很大的困难。a.地质状况。施工区内地层自上而下为:第四系、全新统、上更新统、石炭系太原组。拟建的京福国道主干线徐州东绕城公路从大庙四煤矿矿区中部穿过,在施工区(k30+820～k31+170)内,地层总体向东南缓倾,倾角在10～28°,煤层埋藏西北浅,东南深,断层不发育。施工区内地势较平坦,地表被第四系松散层覆盖。其下的基岩主要有页岩、泥岩、砂岩、灰岩等。岩石性脆,未变质,褶皱,节理发育。按岩石的饱和抗压强度,区内岩石按强度分为3类,其中上部全风化页岩饱和抗压强度<5MPa,属极软岩石;弱风化页岩、弱风化泥岩、强风化灰岩、砂岩饱和抗压强度在5～30MPa之间,属软质岩石;弱风化灰岩、微风化灰岩强度在30～127.8MPa之间,属硬质-极硬质岩石。煤层顶板均为页岩,20#、21#煤层顶板为灰岩,其上覆的岩层塌陷冒落,自下而上形成冒落带、裂隙带和整体弯曲带,导致部分地表发生变形,产生裂隙及地面沉陷;而抽水巷道及水仓上覆岩层岩溶、裂隙发育,长期抽水导致巷道衬砌失稳,产生塌陷冒落,造成地表下沉。上述2处塌陷区对拟建公路具有极大的破坏作用。2治理深度、水质京福国道主干线徐州东绕城公路东段煤矿采空区治理工程采用注浆治理方案。该方案具有施工相对简单、安全性高、施工工艺成熟、施工易于管理的特点,治理后的采空区路基能满足公路工程的要求,但缺点是材料用量较大。a.采空区治理范围。按设计,治理宽度为106～137m,治理长度为180m(k30+820～k31+000)和86m(k31+084～k31+170),治理深度:①16#～19#煤层采空区为33～57m;②20#煤层采空区为25～80m;③抽水巷道为71～98m。b.浆液材料及水灰比。浆液材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝剂等组成。其水灰比为1∶1～1∶1.5,由于采空区充水或半充水,在还原环境下,水泥含量较低时,无法凝固,经室内试验研究,其水泥比例为30%,粉煤灰比例为70%较合适。路基处理范围最外侧一排边缘注浆孔,在施工过程中可考虑在注浆浆液中按水泥重量的1%～2%掺加速凝剂,使灌入采空区的浆液尽快凝固,防止浆液流失。通过试验孔,正式施工确定了两种水灰比方案,见表1。c.治理工程量。治理工程主要工程量为注浆孔79个,检查孔4个,总进尺4792m,注浆量为20429m3。d.注浆工艺。设计注浆工艺如图1所示。3施工与质量监测3.1钻孔注浆试验a.钻探施工试验。工程试验根据设计要求及采空区多层富水等特点,对4个钻孔分别进行了一次成孔、两次成孔、分段成孔等多项试验,并对设计套管止浆、法兰盘止浆效果进行了试验。试验确认设计的各种成孔工艺在本区均可实施。b.注水试验。按设计及科研要求对各注浆孔进行了简易水文地质与注水试验,试验采用定流量注水方式,试验结果表明16～19#煤层采空区冒落带及上部岩石,其透水性一般,渗透系数为4.79～12.49m/d,20#煤层采空区因其顶板灰岩强度大,基本未出现冒落,贯通性好,渗透系数达48.76m/d。c.物探测试。为配合物探测试对钻孔进行了多次透孔及加深。d.注浆试验。注浆时,采用了1∶1.0～1∶1.5各种配比,分别对浆液的物理性能如密度、结石率、7d强度、28d强度及地下24h凝结情况等进行观测和试验,并针对注浆超量及扩散过大问题,做了间歇注浆试验。试验结果表明:①原材料水、水泥、粉煤灰选材合理,各配比浆液结石体7d强度为0.7～2.3MPa,28d强度为0.7～5.6MPa,达到设计要求;②对多层采空区中间注浆,采用全孔一次灌注的注浆工艺可行;③套管止浆及法兰盘止浆效果良好;④16～19#煤层采空区已冒落,其采空区多被顶部冒落物充填,以裂隙注浆为主。20#煤层采空区以空洞注浆为主;⑤采用间歇式注浆工艺注浆孔可达设计终孔标准。3.2按边缘孔灌注进行施工a.边缘孔的灌注。采空区治理工程边缘孔的注浆质量,决定了边缘孔的帷幕效果,直接影响到中间注浆孔质量。为既保证边缘孔灌注质量,又能有效地控制边缘孔的注浆量,监理人员组织施工单位,根据试验工程的资料,并参照国内外有关理论和工程资料,在边缘孔灌注施工中采取了以下措施:①根据边缘孔所处采空区治理边界的不同,将边缘孔分成三类。一类为地下煤层基本没有采动,对于此类边缘孔,采取不间歇一次性灌注;二类为处在煤层开采区域边界附近的边缘孔,对此类边缘孔灌注时,考虑浆液不会流失到采空区治理区域外,故也采取不间歇一次性灌注;三类为采空区治理区域外仍有采空区的边缘孔,此类孔灌注浆液可能流失到采空区治理边界外,故该类孔采取了逐次减少灌注量,多次间歇的注浆方式;②根据边缘孔钻探情况(如掉钻深度、钻孔循环液漏失量等),进行单孔注浆量与间歇次数设计;③根据边缘孔灌注过程中出现的问题,如吸浆量大小、孔口压力变化等现象,及时调整注浆方案,尽量让孔口能起压,保证边缘孔灌注质量。通过以上措施,在保证边缘孔灌注质量的前提下,边缘孔实际总注浆量(7701.48m3)比设计注浆量(10500m3)少2899.52m3,节省投资近60万元;同时,使实际工期比设计工期大为减少,提前一个多月完成采空区治理工程,为完成采空区治理段的路基填筑赢得了宝贵的时间。b.中间孔的灌注。边缘孔注浆完成,帷幕效应形成后,即对中间孔进行灌注。一序中间注浆孔采取定量灌注,二序中间注浆孔采取定压灌注。但在二序中间注浆孔的灌注情况来看,发生冒浆、串浆的现象较为严重。如对6个注浆孔的灌注过程中,地面均出现不同程度的开裂与冒浆现象,间歇后复注仍能灌注,可能原因:①采空区塌落形成了岩层、土层裂隙;②地下水不能及时排出,浆液沿岩层、土层塌落裂隙上窜到地面,底部采空区没能够有效地注实。为保证中间注浆孔的注浆效果,单纯地面冒浆不能作为注浆结束标准,需适当间歇后进行复注,若注浆孔不再吸浆,才能终孔。c.水仓部位的灌注。水仓部位对水仓灌注的7个注浆孔按设计文件中的孔位进行成孔,注浆孔均没有见到水仓,但利用一个原有抽水井,对水仓进行了灌注,灌注量达285.98m3,1-38注浆孔的灌注过程中,可能与水仓贯通,灌注量达273m3时,出现水井冒浆,另外在1-37灌注过程中,也出现水井冒浆现象,由此说明在路基征地范围内地下水仓已基本得到充填。4灌注过程中的性岩特点a.边缘孔的注浆效果。在边缘孔的灌注过程中,除2-4、2-8、2-34三个孔达到最大设计注浆量而终孔外,其余的边缘孔均达到设计的终孔压力标准。边缘孔的灌注质量都得到了有效的控制。b.中间孔的注浆效果。在二序注浆孔钻孔施工中,虽然没有见到粉煤灰浆,但对二序孔钻探过程,尤其是二序孔后期钻孔中,钻孔已基本不漏水,这说明经过一序的灌注,采空区与岩溶裂隙已基本得到充填,再通过二序孔的补浆,采空区与岩溶裂隙的充填效果更得到了保证。c.水仓部位注浆结果。对水仓灌注的7个注浆孔按设计文件中的孔位进行成孔,注浆孔均没有见到水仓,在路基征地范围内,利用一个原有抽水井,对水仓进行了灌注,1-38注浆孔的灌注过程中与水仓贯通,出现水井冒浆;另外在1-37灌注过程中,也出现水井冒浆现象