隧道在煤层采空区的治理方法

文章编号: 0451- 0712(2005) 08- 0176- 04 中图分类号: U455. 49 文献标识码: B 隧道在煤层采空区的治理方法 张志沛, 覃羡安, 刘 旭 ( 西安科技大学地质与环境工程系 西安市 710054) 摘 要: 针对某隧道工程及煤层采空区工程地质的特点, 探讨了隧道工程在煤层采空区地段的治理方法, 并 在此基础上, 提出了适合于隧道工程在煤层采空区地段治理的方法与对策。 关键词: 隧道; 采空区; 治理方法 某隧道位于山西省灵石县南关镇仁义河与左沟 之间, 拟建高速公路左线 LK88+ 290LK89+ 650 和右线 RK88+ 275RK89+ 670之间, 该隧道横断 面采用分离式上、 下单行双洞断面, 两洞间距一般控 制在 30 m 左右。净宽 9. 75 m, 净高 5. 0 m。勘察资 料表明: 该隧道穿越煤层采空区不良地质灾害地段, 因此, 如何提高隧道穿越煤层和采空区部位及其附 近围岩强度, 成为采空区处治方法研究中的主要问 题。 本文通过该隧道工程实例, 对隧道工程在煤层采 空区地段治理的方法和对策, 进行必要的研究, 以期 为类似工程地质条件下的治理提供借鉴。 1 工程地质概况与特点 1. 1 工程地质概况 该隧道地段属基岩中低山剥蚀地貌, 海拔 820 1 100 m。隧址区内的地层从新到老依次为: 第四 系、 二叠系、 石炭系、 奥陶系等。 其中煤层采空区位于 石炭系地层中, 岩性为泥岩、 砂岩互层, 夹煤层, 软 硬相间岩组, 单斜构造。 某隧址区内的地质构造主要 有断裂带及节理。断层: F5 正断层位于设计里程 LK89+ 465 及 RK89+ 450 处, 在地表与路线相交, 断层走向近东西, 高角度南倾, 产状为 170 75 , 断 层带影响宽度约 30 m。影响洞室范围为LK89+ 60 + 510, RK89+ 475+ 510。断层带由断层角砾 岩、 泥岩组成。隧址区内主要发育 3 组节理, 由于夹 有煤系地层及采空区, 岩体的完整性受到一定程度 的影响, 层间结合较差, 岩体较破碎, 呈碎石状, 围岩 的稳定性极差, 隧道开挖时易产生大的坍塌现象。 该煤矿采空区, 主要分布于 K88+ 990K89+ 600 之间。 生产活动在民国以前, 现在古窑进口已被 埋没, 该段线路之下均发生过采煤活动, 据地勘分 析, 采空区顶板冒落高度在 0. 56. 5 m, 塌陷堆积 物厚约 0. 22. 5 m, 实际悬空高度约 0. 52. 0 m, 采空区内, 部分充水。 该隧道设计标高 900936 m, 在采空区段埋深 约 100150 m, 受采空区影响长约 245 m, 其中采 空区位于隧道洞身及其以上长 110 m, 位于洞身以 下长 135 m。煤层采空区在剖面上分布比较广泛而 均匀, 大部分已冒落。 2号煤层采空区冒落带高度在 0. 56. 5 m, 裂隙带发育在煤矿采空塌陷区上方约 20 m 至地表, 煤矿采空塌陷区影响变形角为 68 左 右。 由于顶板部分冒落的原因, 2 号煤层煤矿采空塌 陷物, 堆积厚度约0. 22. 5 m, 实际悬空高度约0. 5 2. 0 m。 在采空区部位充水, 按公路隧道围岩分类标准, 由于岩体破碎, 将该路段隧道围岩按类考虑。 按普 氏岩石坚固性分类, 该路段属类, 其坚固性系数 fk= 2。 1. 2 隧道采空区地段变形破坏形式及危害性评价 隧道穿越采空区路段可分两部分。当采空区位 于隧道上方时, 由于煤层的开采活动, 使得煤层底板 产生裂缝与裂隙, 破坏围岩的稳定性。 煤矿系统的观 测资料表明: 一般情况下, 煤层底板产生裂缝与裂隙 的深度为 68 m( 在唐山, 最大深度为14 m) 。 当采 空区位于隧道下方时, 由于煤层的开采活动, 使得采 空区覆岩产生塌陷垮落, 破坏围岩的稳定性。 该采空 收稿日期: 2005- 01- 26 公路 2005 年 8 月 第 8 期 HIGHWAY Aug. 2005 No. 8 区隧道路段围岩, 包括各种软弱的层状结构岩体( 如 泥岩、 细砂岩等) 和散体结构岩体( 采空塌陷冒落 区) 。 这类围岩的变形与破坏, 主要有塑性挤出、 膨胀 内鼓和重力坍塌等不同类型。 研究结果表明: 虽然该采空区剩余变形量较小, 但在修建桥梁、 隧道等公路建筑物及开挖边坡条件 下, 目前脆弱平衡的古采空区极有可能再度发生大 的变形, 从而对路基及围岩稳定构成严重威胁, 足以 使隧道产生裂缝, 对拟建公路将产生大的危害。 在勘 察中钻孔揭示的资料也表明, 该段采空区变形尚未 结束, 对公路工程危害极大, 因此, 必须进行治理。 2 公路采空区治理方法 采空区治理方案, 主要依据地表的变形特征、 地 质与采矿特征等因素确定, 主要有桥或板跨采空区方 案、 支撑法治理方案、 地面注浆治理方案、 隧道内大管 棚预注浆超前支护方案及修建后维修的方案等。 桥或板跨采空区方案, 是将桩基放在采空区下 部的稳定地层之上, 采用桥或板的方式通过采空区。 支撑法治理, 是在采空区形成类似桥基的墩台, 支撑 采空区不再继续沉降塌陷, 该方案已在 109 国道大 同采空区治理工程取得成功, 但该方法要求采空区 必须具有一个极坚硬的顶板, 类似的工程地质条件 仅分布在山西大同地区, 其他地区尚不具备这种条 件。上述两个方案适用于路基或桥基工程。 地面注浆法治理是在地面上打孔, 通过注浆孔 将水泥粉煤灰浆注入采空区, 其结石体不仅充填到 采空区及上覆岩层的裂隙中, 同时阻止上覆岩层进 一步的塌陷冒落, 该方案已在太旧线、 乌奎线、 晋焦 线、 徐州绕城东线等地取得成功经验。 隧道内超前小导管预注浆方案, 是沿隧道纵向 在拱部开挖轮廓线外一定范围内, 向前上方倾斜一 定角度的密排注浆花管, 通过注浆泵的压力, 将水泥 浆液通过小导管渗透、 扩散到岩体孔隙和裂隙中, 以 改善和增强围岩的力学性能。在预挖隧洞周围形成 一层止水、 稳定的承载壳, 同时, 管体又可起到超前 锚杆的作用, 从而达到增加岩体的自稳时间, 提高开 挖面周围岩体的自稳能力, 限制地层松弛变形。 施工 时, 注浆花管外露端, 支于开挖面后的格栅钢架上, 共同组成预支护系统, 该方案具有以下特点: ( 1) 大 管棚刚度大、 结构强度高, 所形成的拱棚承载能力 强; ( 2) 一次支护长度大, 可以减少超前支护的次数, 缩短施工时间; ( 3) 由工程经验得知, 大管棚预注浆 支护效果可靠, 劳动消耗量相对较少, 虽然材料费用 要高些, 但安全系数也能相对提高, 可望能有效地保 持隧道周边围岩的稳定, 确保施工安全等。 公路修建后, 维修方案是指在采空区路段可考 虑先修建高速公路, 然后在运营期间, 对该路段进行 维修, 该方案一般适用于采空区治理工程投资占公 路工程投资比例较大的情况。 鉴于隧道工程的特点及本采空区的特征, 如采 用建成后维修方案, 在采空区地段先不进行采空区 处理, 公路建成后每隔 710 年维修一次, 主要是注 浆加固隧道。 该方案虽然技术上可行, 但在公路运营 过程中, 维修工作困难, 公路运营效益较差; 隧道内 超前小导管预注浆方案, 施工相对简单, 材料用量较 少, 施工易于管理, 但缺点是安全性较差, 施工技术 要求高, 且采空区中存在大量的瓦斯等有害气体, 对 施工影响较大, 施工周期较长; 地面注浆法方案工程 量较大, 相对工程费用较低, 该方案不影响隧道施 工, 且能保证隧道施工的安全, 建成后不需要维修, 能保证公路运营的连续性, 该方案在煤炭、 冶金、 水 利系统都有类似成功的工程实例, 因此, 该方案技术 上是可行的。 综上所述, 结合公路系统以往的采空区治理工 程经验, 比较上述各方案后, 采用了地面注浆法为该 线路隧道采空区的治理方案。 3 地面注浆方案 3. 1 注浆设计概要 煤矿采空区注浆工程的范围: 在公路轴线上以采 空塌陷范围为界, 公路横向上的宽度以左右隧道治理 宽度各为36 m( 隧道底宽为12 m, 两侧各为12 m) 。 注 浆深度以采空区底板为准, 深度在 90150 m 之 间。注浆段高度以采空区垮落带与裂隙带主要部分 高度之和为准。 根据这个原则, 注浆工程在垂直深度 范围内, 为采空区之上 20 m, 至采空区底板 4 m。 注浆孔采用均匀布孔方法, 沿公路横向方向布 设 5 排注浆孔, 隧道中心线与两侧注浆孔的排距为 8 m, 边缘孔与注浆孔的排距为 10. 0 m。 每排注浆孔 的孔距为 8 m。平面上注浆孔的布设为梅花形或近 似梅花形。 隧道采空区注浆目的是加固隧道围岩, 提高围 岩的强度, 保证隧道的安全, 因此, 采用水灰比为 0. 71. 2 的纯水泥浆。 注浆总量可按下式计算: 177 2005 年 第 8 期 张志沛等: 隧道在煤层采空区的治理方法 Q总= A SmK ?V?/ C( 1) 式中: Q总为采空区总注浆量, m 3; S 为采空区 治理面积, 其值为采空区治理长度与采空区治理宽 度之积, m2; m 为采空区煤层厚度, m; ?V 为采空区 剩余空隙率, 即煤层被采出后, 原空间经塌陷冒落岩 块充填后剩余的空隙, 其取值在 0. 21 之间( 该值 可通过三种方式确定: ( 1) 矿山已有的沉降及采空区 观测资料, 即先计算采空区上方地面的最大沉降量, 通过已有的观测资料, 确定已完成的沉降量, 然后用 两者的差值与地面的最大沉降量之比来估算; ( 2) 勘 察过程中勘察孔内空洞和裂隙的资料, 即通过孔内 空洞和裂隙发育的平均高度与矿层开采厚度之比来 估算; ( 3) 该地区已有的工程资料) , 一般情况下闭矿 时间在 5 年之内, 取值在 0. 31 之间, 闭矿时间在 5 年之上, 取值在 0. 20. 3 之间, 当采空区的顶板 和覆岩为较坚硬的岩石时, 取值宜稍大; K 为煤层 采出率, 一般通过矿山实际情况调查确定; A 为注 浆总量浆液损耗系数, 取值在 1. 01. 5 之间; ?为 注浆充填系数, 取值在 0. 750. 95 之间, 该值宜根 据公路工程的性质确定, 对于路基范围内的采空区 取值在 0. 750. 85 之间, 对于构筑物范围的采空区 取值在 0. 850. 95 之间; C 为浆液结石率, 取值在 0. 70. 95 之间, 一般经试验确定。 单孔注浆量可按公式计算: Q单= ? A R 2m?V? / C ( 2) 式中: Q单为单孔注浆量, m 3; A 为单孔注浆量浆 液损耗系数, 取值在1. 22 之间; R 为浆液有效扩散 半径, 按孔距的一半计算, m; 其他符号意义同前。 注浆时的孔口压力, 以不破坏地层的天然结构 为原则, 通过现场的多个注浆孔试验确定, 隧道煤矿 采空区孔口的压力值应大于 1. 5 MPa。 在单孔注浆临近结束时, 泵压逐渐升高, 当泵量 小于70 L/ min 时, 孔口管压力在 1. 52. 5 MPa, 稳 定 1015 min, 即可结束单孔注浆。 3. 2 钻探施工工艺 钻孔孔径用 ?130 mm 钻头开孔, 钻至隧道洞顶 之上 20 m, 到达设计变径深度, 然后变径为 ?91 mm, 如钻孔坍塌时需下 ?130 mm 套管护壁。用 ?91 mm 钻头, 钻至采空区塌陷冒落带底板或煤层底板 以下4 m 时终孔。当孔深大于 100 m 时, 每孔测斜2 次, 终孔孔斜不大于 2 。 变径位置与止浆方法, 是保证施工质量的重要 环节, 变径位置应根据隧道工程的特征、 地层岩性、 整体破碎及裂隙发育程度来确定, 通过工程实践, 将 变径止浆深度控制在采空区上方覆岩 20 m。 浇注孔 口管采用法兰盘加纯水泥浆封孔法, 具体方法是: 将 一端带有 ?120130 mm 法兰托盘的 ?50 mm 注浆 管下入孔内变径处, 孔内投入 20 cm 厚砾石, 以堵塞 大的缝隙, 之后投入 30 cm 厚粘土, 防止浆液大量渗 漏; 然后灌入水灰比为 11. 512 的稠水泥浆, 浇注长度为孔口到变径处的深度。 浇注要求是, 在注 浆过程中, 浆液不会从注浆孔壁四周溢出。 水泥浆液 中应加入水泥重量 2% 的早强剂, 快速将注浆管与 孔壁固结。 钻探过程中, 由专业技术人认真填写钻探报表, 详细记录孔内岩性、 颜色、 矿物成分、 风化程度、 节理 裂隙发育情况和结构构造、 包含物等, 详细真实地描 述漏水、 掉钻、 卡钻、 耗水量、 地下水位等与本工程的 相关情况。终孔后, 经验收符合质量标准后, 则可下 注浆管, 并用配比为 l1. 512 的水泥浆浇注孔 口管, 达到止浆效果。 塌孔、 堵孔是采空区钻探施工中常见现象, 尤其 是在钻进进入采空区冒落带后, 由于地层破碎易发 生塌孔、 卡钻等孔内事故。因此, 要求施钻人员在进 入破碎岩层后, 应随时观察钻进速度, 若发现钻进异 常, 应迅速提钻, 然后缓慢放钻。 当塌孔特别严重时, 最好采取跟管钻进工艺。 3. 3 注浆施工工艺 注浆施工顺序为先帷幕孔( 边缘孔) 后注浆孔, 一般要求帷幕孔超前注浆孔34 个孔位。 为使注浆 后的浆液尽快凝结, 可在浆液中掺入水泥重量 1. 5% 左右的早强剂, 或采用间歇式注浆工艺, 以控 制浆液的流动, 减少浆液损失。 浆液搅拌一般为二级搅拌, 第一级搅拌即为混 合浆液, 完成搅拌均匀的功能, 在材料全部进入搅拌 池之后, 对于一般转速的搅拌机, 其净搅拌时间不宜 少于 5 min; 第二级搅拌为泵送浆液储备池, 其搅拌 功能为不使浆液沉淀离析, 浆液进入二次搅拌池后 的停留时间应小于 4 h。其搅拌时间不做规定, 以不 停歇搅拌为度, 保证浆液随机可以泵送。 3. 4 注浆治理工程的质量综述 该煤矿采空区共完成注浆孔 305 个, 设计总孔 深为 34 865. 24 m, 实际钻探进尺为 34 032. 05 m, 两者相差 833 m, 钻探揭示证实, 是因采空区深度变 浅所致。设计注浆量为 8 370. 85 m 3, 实际完成 11 038. 23m3, 超额 31. 86% 。造成注浆超量的原因 178 公 路 2005 年 第 8 期 是, 该区地层除受采矿活动影响产生冒落, 还因构造 影响, 使得岩石破碎、 裂隙较为发育, 从而导致空洞 体积比设计值大, 相应地注浆量亦随之增大。 通过钻探、 物探及现场观测与统计等方法, 对注 浆工程质量进行了评价, 其主要内容如下。 ( 1) 注浆施工前, 钻孔内的岩芯裂隙发育, 岩芯 较短或呈沫状, 取芯率一般在 15% 30%之间。注 浆施工后, 钻孔内的岩芯裂隙被灰色水泥浆液充填, 岩芯呈短柱或长柱状, 取芯率一般在 60%以上, 钻 孔内提取的水泥浆结石体长度为 0. 200. 60 m, 其 抗压强度均大于设计要求的 8 MPa。 ( 2) 通过声波测试, 注浆后岩体的横波速度提高 160 m/ s 以上, 达到设计要求。 ( 3) 据现场观测与统计: 在采空区及垮落带路 段, 大多数注浆孔的有效扩散范围为 1020 m 之 间, 注浆浆液的结石体比较集中, 充填效果较好, 充 填率达到 90%96% 。在采空区以下路段, 由于受 区域地质构造的影响, 岩体内以这种裂隙为主, 大多 数注浆孔的有效扩散范围为 515 m 之间, 注浆浆 液的结石体比较分散, 注浆浆液往往沿某个( 组) 裂 隙流动, 扩散范围较大, 但有效扩散范围较小, 充填 率达到 85%95% 之间。 ( 4) 在采空区路段, 注浆施工后, 隧道围岩结构 由碎石状松散结构、 碎石镶嵌结构“ 转化” 为块石状 镶嵌结构, 岩体中的节理被水泥浆液固结, 呈“ 不发 育状态” ; 同时, 注浆施工减少了地下水对隧道工程 的影响。 基于上述的分析结果, 按公路系统隧道围岩 的分类方法, 则注浆后采空区路段隧道围岩类别为 类, 即注浆后, 隧道围岩的类别提高至类及 类以上。 通过已有的施工资料及质量检测结果表明, 该 治理工程设计满足了公路隧道工程的要求, 经治理 后的采空区, 在隧道开挖施工和运营过程中, 能有效 地承受公路和车辆荷载, 不产生破坏和影响隧道工 程正常使用的变形, 保证了隧道安全营运。 4 注浆后隧道支护方案 采空区部位经地面注浆后, 该地段隧道仍按 类围岩设计, 支护参数主要为: ( 1) 超前支护, ?89 长 管棚注浆支护, 环向间距为 30 cm, ? = 6 ; ( 2) C20 喷 射混凝土, 厚 30 cm; ( 3) 锚杆, ?25 有压注浆锚杆, 长 4 m, 间距为 80 cm80 cm; ( 4) 钢筋网, ?6. 5 钢筋 网, 间距为 20 cm20 cm; ( 5) 钢支撑, I20 钢拱架, 纵向间距为 75 cm; ( 6) 二次衬砌, C25 钢筋混凝土, 厚度为50 cm。 虽然采空区地段经地面注浆后, 围岩力学条件 有很