屈艷妮，劉 斌，劉小平

(1.陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院， 陜西 西安 710001；2.中煤科工集團西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

彬長礦區(qū)是國家規(guī)劃的黃隴煤炭基地的主要礦區(qū)之一。彬長礦區(qū)位于陜西省長武縣境內(nèi)，規(guī)劃面積978 km2。其地處黃土高原溝壑區(qū)，屬于水資源匱乏地區(qū)。長期以來，不僅水資源短缺且開發(fā)不足，嚴重限制了當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展[1]。為此，修建彬長礦區(qū)輸配水工程，統(tǒng)籌解決彬長礦區(qū)開發(fā)及當?shù)爻擎?zhèn)生活生產(chǎn)的用水已成為當務(wù)之急[2]。

由于彬長礦區(qū)被開采后出現(xiàn)大量的采空區(qū)，對修建輸配水工程帶來極大威脅[3]。陜西省水利廳在《咸陽市彬長礦區(qū)輸配水工程初步設(shè)計報告》(簡稱初設(shè)報告)(陜水規(guī)計函[2014]78號)的審查意見函和咸陽市發(fā)改委在《初設(shè)報告》(咸發(fā)改[2014]766號)的批復文件中均提出“輸水管線局部位于煤礦采空區(qū)，應(yīng)采取處理措施”[4]。通過對輸水線路進行復勘發(fā)現(xiàn)采空導致地面塌陷、開裂(最大裂縫寬度為1.0 m左右)，致使采空區(qū)上方大部分村民房屋墻體、屋頂大梁斷裂，成為危房，村民大部分已經(jīng)搬遷。彬長礦區(qū)輸配水工程共包括4條線路，約55.5 km，含1處電站、6處泵站、7條隧洞(約11.8 km)。其中最為危險的是位于亭南煤礦201工作面采空區(qū)的亭口配水站，主采煤層平均厚度達9.3 m，位于涇河與黑河交匯口偏黑河的漫灘上，受各種因素影響無法采取避讓措施，亟需開展其下伏采空區(qū)穩(wěn)定性評價及治理措施研究。

近年來，針對采空區(qū)上部修建公路、鐵路、工業(yè)建筑物后開展穩(wěn)定性評價及治理措施的研究工作較多[5]。針對穩(wěn)定性評價，余學義等[6]針對公路下伏采空區(qū)的地表殘余變形問題，建立了概率積分法的應(yīng)用程序。谷拴成等[7]針對山區(qū)淺埋煤層地表移動變化規(guī)律，利用概率積分法建立了修正后的地表沉降預(yù)測公式。左建平等[8]針對上覆巖層整體移動規(guī)律開展了研究，建立了上覆巖層移動“類雙曲線”模型。楊路平采用概率積分法分析了萬盛-南川高速公路下伏采空區(qū)穩(wěn)定性。針對治理措施研究，黃健豐研究了火石咀煤礦8712工作面上的紅巖河水庫，提出了全采空區(qū)注漿、庫底防滲、監(jiān)測其移動變形的綜合治理技術(shù)。陳凱等采用注漿法對建筑物下方老采空區(qū)進行治理，取得較好的治理成果。國內(nèi)在研究采空區(qū)上建設(shè)工業(yè)建筑時，也采用注漿充填的處理措施，如陽泉固莊煤礦裝車站、本鋼電焊廠等。綜上所述，目前國內(nèi)外的研究主要集中在采空區(qū)上方地基的穩(wěn)定性評價，對于采空區(qū)附近的水利工程穩(wěn)定性評價及治理措施的研究比較匱乏[9]。

本文以位于亭口配水站的下伏亭南煤礦201工作面采空區(qū)為研究對象，采用概率積分法分析沿線下伏采空區(qū)穩(wěn)定性，評價現(xiàn)狀采空區(qū)地表殘余變形和總變形規(guī)律，判斷因下方采空而導致的地基不穩(wěn)定情況，及對上方配水站的影響程度，并提出合理的治理措施。

1 概率積分法穩(wěn)定性評價模型

目前針對地基穩(wěn)定性的研究方法有很多，地表變形預(yù)計法( 概率積分法) 、地表移動變形觀測法及數(shù)值模擬法是幾種比較常用的方法。概率積分法是一種定量分析方法，其理論依據(jù)清晰，適用性較強，適用范圍廣。其認為基礎(chǔ)主要是隨機介質(zhì)，利用統(tǒng)計學規(guī)律，將地下整體的開挖分解為無限小的面積開挖，并計算這些小面積對地表及巖體影響的總和[10]。地表穩(wěn)定性受到地下開采的影響是連續(xù)的，其下沉具有隨機性[11]。地表上每個點、不同方向的移動與變形原理如圖1所示：

圖1 煤層開采空間坐標系

設(shè)i為回采工作面中的任一單元，坐標為(x,y,z)，單元i引起空間任意點為A(X,Y,Z)。其中：煤層傾斜角為α，將開挖單元i(x,y,z)轉(zhuǎn)化為平面坐標i′(x′,y′,z′)。其中x′=x，y′=ycosα，z′=z-ysinα，將x′，y′，z′分別代替x，y，z，即可以得到該傾斜單元引起的任意點A(X,Y,Z)的下沉值W(X,Y,Z)。

概率積分法的影響函數(shù)是正態(tài)分布函數(shù)，預(yù)測地表的移動變形用積分法來進行。根據(jù)國家煤炭工業(yè)局指定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》并結(jié)合開采沉陷預(yù)計理論，其數(shù)學計算如式(1)—式(10)：

(1)下沉

(1)

(2)傾斜

(2)

(3)

(3)水平移動

(4)

(5)

(4) 水平變形

(6)

(7)

ωmax=q·m·cosα

(8)

umax=b·ωmax

(9)

(10)

式中：ωmax為充分開采的最大下沉值，mm，它只與開采礦層的法線厚度m(單位mm)以及礦層的傾斜角度α(單位(°))有關(guān)；q為礦層充分開采的下沉系數(shù)；b為水平移動系數(shù)；r為盆地走向主斷面的主要影響半徑，m；β為開采影響角；θ為開采影響傳播角，一般與最大下沉角值接近(°)。

2 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

2.1 研究區(qū)概況

彬長礦區(qū)輸配工程年供水7 179 萬m3，工程中亭口配水站位于亭口水庫壩址區(qū)下游，黑河右岸一級階地上。亭口配水站主要建筑物包括進水閘、匯流池、主副廠房、出水管道、沖沙閘、沖沙管道、溢流井以及中塬溝反調(diào)節(jié)蓄水泵站、附屬設(shè)備用房和配水站綜合辦公大樓及活動場等，而彬長礦區(qū)輸配水工程的配水站位于某煤礦201工作面上。

某煤礦井田面積35.55 km2，煤礦2002年開始籌建，2005年12月投產(chǎn)，服務(wù)年限50.5 a，開采4#煤層，煤層平均厚度15 m，采高9.3 m。采用長臂后退式綜采放頂煤采煤工藝，頂板全部跨落法管理。

201工作面開采時間為2010年8月20日至2011年4月20日，圖2為4#煤采層，由南向北變厚，傾角2°，煤層底板埋深為460 mm～480 mm，平均為470 m，工作面傾向長度109.4 m，排進距離636 m，采空面積70 436 m2。

采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)見圖3，覆蓋層厚度10 m～12 m，平均厚度11 m，基巖厚度438.35 m～442.10 m，平均厚度約440.23 m，煤層頂板以砂巖為主，局部為泥巖或砂質(zhì)泥巖，采空區(qū)“三帶”發(fā)育特征明顯，垮落帶高度17.4 m，導水裂隙帶高度142.1 m，裂采比15.3，采空區(qū)部分被垮落體充填，鉆探掉鉆明顯，采空區(qū)剩余空洞體積為168 742 m3。

圖2 配水站采空區(qū)平面分布圖(治理范圍圖)

圖3 配水站采空區(qū)工程地質(zhì)斷面圖

2.2 地表變形計算

根據(jù)大佛寺40108、40301工作面、胡家河40101工作面及小莊煤礦401201、40202工作面觀測數(shù)據(jù)計算結(jié)果，并結(jié)合《建筑物下、水體下、鐵路下及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(煤行管字(2000)第81號)相關(guān)規(guī)定及要求確定相關(guān)經(jīng)驗系數(shù)[12]。

由此確定，針對某煤礦201工作面采空區(qū)所采用的地表剩余變形和未來開采地表變形參數(shù)(見表1)。計算與處理地面物、開采范圍及地表位移變形等數(shù)據(jù)，預(yù)測現(xiàn)有采空區(qū)的變形，包括總變形和殘余變形，見表2。

2.3 穩(wěn)定性評價

根據(jù)表2計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，某煤礦201工作面采空區(qū)地表殘余變形結(jié)果為：最大下沉量為266.00 mm，最大傾斜量為1.16 mm/m，最大曲率為±0.008 mm/m2，最大水平位移為79.8 mm，最大水平變形為±0.529 mm/m。未來變形結(jié)果為：最大沉降量為7 800 mm～13 000 mm，最大傾斜量為31.985 mm/m～61.986 mm/m，最大豎曲率為±0.199 mm/m2～0.449 mm/m2，最大水平位移為2 730 mm～4 550 mm，最大水平變形為±16.90 mm/m～32.76 mm/m。

表1 概率積分法預(yù)計參數(shù)

表2 配水站受殘余沉陷與未來開采影響移動與變形值

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》[13](GB 51044—2014)、《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》[14](JTG/T D31—03—2011)及《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》[15]中規(guī)定的采空區(qū)穩(wěn)定性評價標準如表3所示[16]。

依據(jù)采空區(qū)地表剩余變形計算結(jié)果及表3評價標準，發(fā)現(xiàn)某煤礦201工作面采空區(qū)盡管傾斜量、曲率、水平變形滿足穩(wěn)定要求，但是下沉量不滿足穩(wěn)定要求，綜合評定認為其殘余變形不滿足穩(wěn)定要求，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，具體評價見表4。201工作面采空區(qū)對亭口配水站存在影響。再分析采空區(qū)地表未來變形預(yù)測值，發(fā)現(xiàn)201工作面采空區(qū)盡管傾斜量、曲率、水平變形、下沉量均不滿足穩(wěn)定要求，亭口配水站在未來面臨極大威脅。綜上所述，亟需針對201工作面采空區(qū)開展重點整治。

表3 采空穩(wěn)定性評價標準

表4 穩(wěn)定性評價結(jié)果

3 采空區(qū)治理措施

注漿法和非注漿法是采空區(qū)治理主要方法。其中，非注漿法形式多樣，主要包含干漿砌法、砌方法和開挖回填法等等[17]。注漿法是在地面上打孔，將水泥粉煤灰漿注入采空區(qū)及上覆巖體裂隙中，漿液會在其中固化，不僅對巖層裂隙帶起膠結(jié)的作用，同時漿液會在采空區(qū)內(nèi)形成完整的結(jié)石體，對上覆巖層起支撐作用，遏制了巖層塌陷冒落的繼續(xù)發(fā)展，確保了地表的穩(wěn)定。注漿法是目前在治理采空區(qū)時應(yīng)用較廣、效果較好的方法[18]。適用于埋深不同且不具備人工進洞施工的采空區(qū)[19]。

3.1 治理范圍

根據(jù)《“三下”采煤規(guī)程》，本次治理以擬保護范圍外輪廓為保護邊界，保護帶寬度取20 m，第四系松散層移動角θ= 45°，基巖移動角δ= 70°[20]，計算最外總體治理范圍，計算如圖4所示。

根據(jù)上述計算方法，亭口配水站布在采空區(qū)，確定亭口配水站201工作面采空區(qū)治理面積為57 860 m2。

3.2 注漿參數(shù)

3.2.1 注漿量計算

煤層被采后形成的采空區(qū)經(jīng)過冒落后，注漿充填注漿量估算方法為：

圖4 采空區(qū)治理范圍計算示意圖

Q總=S×m×K×ΔV×A×η/C

(11)

式中：S為采空面積；m為煤層厚度；K為煤層回采率；ΔV為剩余變形量；A為漿液消耗系數(shù)；C為水泥粉煤灰的結(jié)石率，充填系數(shù)為η。

采用實際采厚代替煤層厚度，采出率按調(diào)查、鉆探及資料綜合確定，剩余變形量按鉆探及物探資料綜合選取。采空區(qū)回采率K取100%。由于漿液有10%的損失，漿液的消耗系數(shù)取A=1.10。水泥粉煤灰的結(jié)石率為C=75%，采空區(qū)及上覆巖層裂隙、縫隙中漿液的充填系數(shù)為η=85%[21]。

經(jīng)表5計算，亭口配水站采空區(qū)注漿量約66 362 m3。

表5 采空區(qū)治理注漿量計算表

3.2.2 漿液配合比

本次設(shè)計注漿漿液為水泥粉煤灰穩(wěn)定漿液[22]。水∶固相配合比：1∶1～1∶1.2。水泥與粉煤灰配合比分別為2∶8、3∶7、4∶6、6∶4。具體見表6。

3.2.3 注漿壓力

注漿壓力應(yīng)以不使地層結(jié)構(gòu)破壞為原則，通過現(xiàn)場注漿試驗確定注漿壓力。確定采空帷幕孔及一般注漿孔注漿壓力控制在1 MPa～1.5 MPa[23]。

3.2.4 注漿孔布設(shè)

本次設(shè)計在采空區(qū)注漿邊緣設(shè)置帷幕鉆孔，孔間距為25 m，布設(shè)帷幕孔10個；采空區(qū)范圍內(nèi)部鉆孔按照梅花型布設(shè)，鉆孔間排距為40 m，注漿孔42個[24]。

布設(shè)鉆孔58個(其中帷幕孔16個、內(nèi)部注漿鉆孔42個)，鉆孔孔深按平均450計算，預(yù)計進尺26 100 m。

3.2.5 注漿工藝流程

注漿材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝劑等組成。在施工時，充填灌漿垂直鉆孔采用一次成孔，施工先外部邊界封堵，再內(nèi)部灌漿充填的施工順序。鉆孔時，按照“分區(qū)域，分序次、間隔”的方法進行。每個區(qū)域先施工先導性鉆孔，后內(nèi)部鉆孔施工的原則進行。注漿時，先灌注濃度大的漿液，再灌注濃度小的漿液，且應(yīng)根據(jù)實際情況及時調(diào)整注漿量和漿液濃度。

3.3 治理效果

為了檢測充填灌漿治理質(zhì)量，借鑒已成工程采空區(qū)治理檢測經(jīng)驗，檢測采用物探的波速測試，鉆孔檢測，孔內(nèi)電視檢測，結(jié)石體強度檢測的方法[25]。

鉆孔取芯檢測：結(jié)合物探手段對治理進行檢測，在治理的采空區(qū)范圍內(nèi)鉆孔取芯檢測，檢測采用孔內(nèi)電視測試儀[26]，對孔壁圖像采集并記錄在計算機上，觀測到采空區(qū)及其冒落段漿液結(jié)石體明顯，同時取樣鉆進過程中無掉鉆、循環(huán)液無漏失等,且基巖段每回次巖芯采取率大于90%，說明充填體回填密實且與頂板基巖面緊密接觸，治理效果良好。

表6 漿液配合比計算表

結(jié)石體強度檢測：鉆孔取芯得到的漿液結(jié)石體，標準養(yǎng)護 72 h 后送試驗室按《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》[27](JTG E30—2005)進行室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度測試，結(jié)石體抗壓強度均不低于0.6 MPa。

采空區(qū)充填灌漿治理后：傾斜值i=0.544 mm/m～0.568 mm/m，屬于穩(wěn)定等級；曲率值k=0.005 mm/m2，屬于穩(wěn)定等級；水平變形值ε=0.254 mm/m～0.265 mm/m，屬于穩(wěn)定等級；水平移動值U為29.19 mm，屬于穩(wěn)定等級；下沉量w=95.07 mm，屬于穩(wěn)定等級；以上各參數(shù)均滿足處理后的采空區(qū)場地變形允許值(見表3)，說明下伏采空區(qū)充填取得了良好的效果[28]。

4 結(jié) 論

煤礦采空引起的沉陷使工程建筑物在建設(shè)和使用中存在較大的安全隱患。受采空區(qū)引起的地面變形的地質(zhì)災(zāi)害影響，一般會使建筑物在建設(shè)和使用中，導致建筑物破損甚至坍塌，不能發(fā)揮正常使用。而目前國內(nèi)針對水工建筑物下伏深層煤炭采空沉陷問題研究的很少，沒有可以遵循的規(guī)范和成熟技術(shù)，一般依據(jù)借鑒三下規(guī)范、礦山開采沉陷學和工程經(jīng)驗。文中通過論述深層煤層采空區(qū)的勘察結(jié)果、穩(wěn)定分析，得出水工建筑物下伏的采空區(qū)分布、塌陷型式，判定工程建設(shè)場地的穩(wěn)定性和適宜性，結(jié)合水工建筑物基礎(chǔ)類型，提出深層煤炭采空區(qū)采用垂直鉆孔，全膠結(jié)法灌漿充填治理方案的合理性，并通過地表變形監(jiān)測，以及鉆孔取芯、孔內(nèi)電視成像、物探及強度檢測進一步論證了治理效果良好，為類似工程對采空區(qū)治理勘察、分析其穩(wěn)定性和危害性及治理措施提供借鑒經(jīng)驗。