京福國道主干線徐州東繞道煤礦采空區(qū)地質(zhì)特征及沉陷成因分析

京福國道主干線徐州東繞道煤礦采空區(qū)地質(zhì)特征及沉陷成因分析

1上更新統(tǒng)、石炭系調(diào)京福路主干線徐州東環(huán)公路東段為煤礦采空區(qū)，位于徐州銅山縣大廟山村。k30820k3170是江蘇省第一個采礦辦。由于區(qū)內(nèi)溶洞發(fā)育,地下水大,加上煤礦為多層開采等特點,給處治施工及質(zhì)量檢測帶來很大的困難。a.地質(zhì)狀況。施工區(qū)內(nèi)地層自上而下為:第四系、全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、石炭系太原組。擬建的京福國道主干線徐州東繞城公路從大廟四煤礦礦區(qū)中部穿過,在施工區(qū)(k30+820～k31+170)內(nèi),地層總體向東南緩傾,傾角在10～28°,煤層埋藏西北淺,東南深,斷層不發(fā)育。施工區(qū)內(nèi)地勢較平坦,地表被第四系松散層覆蓋。其下的基巖主要有頁巖、泥巖、砂巖、灰?guī)r等。巖石性脆,未變質(zhì),褶皺,節(jié)理發(fā)育。按巖石的飽和抗壓強(qiáng)度,區(qū)內(nèi)巖石按強(qiáng)度分為3類,其中上部全風(fēng)化頁巖飽和抗壓強(qiáng)度<5MPa,屬極軟巖石;弱風(fēng)化頁巖、弱風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、砂巖飽和抗壓強(qiáng)度在5～30MPa之間,屬軟質(zhì)巖石;弱風(fēng)化灰?guī)r、微風(fēng)化灰?guī)r強(qiáng)度在30～127.8MPa之間,屬硬質(zhì)-極硬質(zhì)巖石。煤層頂板均為頁巖,20#、21#煤層頂板為灰?guī)r,其上覆的巖層塌陷冒落,自下而上形成冒落帶、裂隙帶和整體彎曲帶,導(dǎo)致部分地表發(fā)生變形,產(chǎn)生裂隙及地面沉陷;而抽水巷道及水倉上覆巖層巖溶、裂隙發(fā)育,長期抽水導(dǎo)致巷道襯砌失穩(wěn),產(chǎn)生塌陷冒落,造成地表下沉。上述2處塌陷區(qū)對擬建公路具有極大的破壞作用。2治理深度、水質(zhì)京福國道主干線徐州東繞城公路東段煤礦采空區(qū)治理工程采用注漿治理方案。該方案具有施工相對簡單、安全性高、施工工藝成熟、施工易于管理的特點,治理后的采空區(qū)路基能滿足公路工程的要求,但缺點是材料用量較大。a.采空區(qū)治理范圍。按設(shè)計,治理寬度為106～137m,治理長度為180m(k30+820～k31+000)和86m(k31+084～k31+170),治理深度:①16#～19#煤層采空區(qū)為33～57m;②20#煤層采空區(qū)為25～80m;③抽水巷道為71～98m。b.漿液材料及水灰比。漿液材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝劑等組成。其水灰比為1∶1～1∶1.5,由于采空區(qū)充水或半充水,在還原環(huán)境下,水泥含量較低時,無法凝固,經(jīng)室內(nèi)試驗研究,其水泥比例為30%,粉煤灰比例為70%較合適。路基處理范圍最外側(cè)一排邊緣注漿孔,在施工過程中可考慮在注漿漿液中按水泥重量的1%～2%摻加速凝劑,使灌入采空區(qū)的漿液盡快凝固,防止?jié){液流失。通過試驗孔,正式施工確定了兩種水灰比方案,見表1。c.治理工程量。治理工程主要工程量為注漿孔79個,檢查孔4個,總進(jìn)尺4792m,注漿量為20429m3。d.注漿工藝。設(shè)計注漿工藝如圖1所示。3施工與質(zhì)量監(jiān)測3.1鉆孔注漿試驗a.鉆探施工試驗。工程試驗根據(jù)設(shè)計要求及采空區(qū)多層富水等特點,對4個鉆孔分別進(jìn)行了一次成孔、兩次成孔、分段成孔等多項試驗,并對設(shè)計套管止?jié){、法蘭盤止?jié){效果進(jìn)行了試驗。試驗確認(rèn)設(shè)計的各種成孔工藝在本區(qū)均可實施。b.注水試驗。按設(shè)計及科研要求對各注漿孔進(jìn)行了簡易水文地質(zhì)與注水試驗,試驗采用定流量注水方式,試驗結(jié)果表明16～19#煤層采空區(qū)冒落帶及上部巖石,其透水性一般,滲透系數(shù)為4.79～12.49m/d,20#煤層采空區(qū)因其頂板灰?guī)r強(qiáng)度大,基本未出現(xiàn)冒落,貫通性好,滲透系數(shù)達(dá)48.76m/d。c.物探測試。為配合物探測試對鉆孔進(jìn)行了多次透孔及加深。d.注漿試驗。注漿時,采用了1∶1.0～1∶1.5各種配比,分別對漿液的物理性能如密度、結(jié)石率、7d強(qiáng)度、28d強(qiáng)度及地下24h凝結(jié)情況等進(jìn)行觀測和試驗,并針對注漿超量及擴(kuò)散過大問題,做了間歇注漿試驗。試驗結(jié)果表明:①原材料水、水泥、粉煤灰選材合理,各配比漿液結(jié)石體7d強(qiáng)度為0.7～2.3MPa,28d強(qiáng)度為0.7～5.6MPa,達(dá)到設(shè)計要求;②對多層采空區(qū)中間注漿,采用全孔一次灌注的注漿工藝可行;③套管止?jié){及法蘭盤止?jié){效果良好;④16～19#煤層采空區(qū)已冒落,其采空區(qū)多被頂部冒落物充填,以裂隙注漿為主。20#煤層采空區(qū)以空洞注漿為主;⑤采用間歇式注漿工藝注漿孔可達(dá)設(shè)計終孔標(biāo)準(zhǔn)。3.2按邊緣孔灌注進(jìn)行施工a.邊緣孔的灌注。采空區(qū)治理工程邊緣孔的注漿質(zhì)量,決定了邊緣孔的帷幕效果,直接影響到中間注漿孔質(zhì)量。為既保證邊緣孔灌注質(zhì)量,又能有效地控制邊緣孔的注漿量,監(jiān)理人員組織施工單位,根據(jù)試驗工程的資料,并參照國內(nèi)外有關(guān)理論和工程資料,在邊緣孔灌注施工中采取了以下措施:①根據(jù)邊緣孔所處采空區(qū)治理邊界的不同,將邊緣孔分成三類。一類為地下煤層基本沒有采動,對于此類邊緣孔,采取不間歇一次性灌注;二類為處在煤層開采區(qū)域邊界附近的邊緣孔,對此類邊緣孔灌注時,考慮漿液不會流失到采空區(qū)治理區(qū)域外,故也采取不間歇一次性灌注;三類為采空區(qū)治理區(qū)域外仍有采空區(qū)的邊緣孔,此類孔灌注漿液可能流失到采空區(qū)治理邊界外,故該類孔采取了逐次減少灌注量,多次間歇的注漿方式;②根據(jù)邊緣孔鉆探情況(如掉鉆深度、鉆孔循環(huán)液漏失量等),進(jìn)行單孔注漿量與間歇次數(shù)設(shè)計;③根據(jù)邊緣孔灌注過程中出現(xiàn)的問題,如吸漿量大小、孔口壓力變化等現(xiàn)象,及時調(diào)整注漿方案,盡量讓孔口能起壓,保證邊緣孔灌注質(zhì)量。通過以上措施,在保證邊緣孔灌注質(zhì)量的前提下,邊緣孔實際總注漿量(7701.48m3)比設(shè)計注漿量(10500m3)少2899.52m3,節(jié)省投資近60萬元;同時,使實際工期比設(shè)計工期大為減少,提前一個多月完成采空區(qū)治理工程,為完成采空區(qū)治理段的路基填筑贏得了寶貴的時間。b.中間孔的灌注。邊緣孔注漿完成,帷幕效應(yīng)形成后,即對中間孔進(jìn)行灌注。一序中間注漿孔采取定量灌注,二序中間注漿孔采取定壓灌注。但在二序中間注漿孔的灌注情況來看,發(fā)生冒漿、串漿的現(xiàn)象較為嚴(yán)重。如對6個注漿孔的灌注過程中,地面均出現(xiàn)不同程度的開裂與冒漿現(xiàn)象,間歇后復(fù)注仍能灌注,可能原因:①采空區(qū)塌落形成了巖層、土層裂隙;②地下水不能及時排出,漿液沿巖層、土層塌落裂隙上竄到地面,底部采空區(qū)沒能夠有效地注實。為保證中間注漿孔的注漿效果,單純地面冒漿不能作為注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),需適當(dāng)間歇后進(jìn)行復(fù)注,若注漿孔不再吸漿,才能終孔。c.水倉部位的灌注。水倉部位對水倉灌注的7個注漿孔按設(shè)計文件中的孔位進(jìn)行成孔,注漿孔均沒有見到水倉,但利用一個原有抽水井,對水倉進(jìn)行了灌注,灌注量達(dá)285.98m3,1-38注漿孔的灌注過程中,可能與水倉貫通,灌注量達(dá)273m3時,出現(xiàn)水井冒漿,另外在1-37灌注過程中,也出現(xiàn)水井冒漿現(xiàn)象,由此說明在路基征地范圍內(nèi)地下水倉已基本得到充填。4灌注過程中的性巖特點a.邊緣孔的注漿效果。在邊緣孔的灌注過程中,除2-4、2-8、2-34三個孔達(dá)到最大設(shè)計注漿量而終孔外,其余的邊緣孔均達(dá)到設(shè)計的終孔壓力標(biāo)準(zhǔn)。邊緣孔的灌注質(zhì)量都得到了有效的控制。b.中間孔的注漿效果。在二序注漿孔鉆孔施工中,雖然沒有見到粉煤灰漿,但對二序孔鉆探過程,尤其是二序孔后期鉆孔中,鉆孔已基本不漏水,這說明經(jīng)過一序的灌注,采空區(qū)與巖溶裂隙已基本得到充填,再通過二序孔的補(bǔ)漿,采空區(qū)與巖溶裂隙的充填效果更得到了保證。c.水倉部位注漿結(jié)果。對水倉灌注的7個注漿孔按設(shè)計文件中的孔位進(jìn)行成孔,注漿孔均沒有見到水倉,在路基征地范圍內(nèi),利用一個原有抽水井,對水倉進(jìn)行了灌注,1-38注漿孔的灌注過程中與水倉貫通,出現(xiàn)水井冒漿;另外在1-37灌注過程中,也出現(xiàn)水井冒漿現(xiàn)象