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★ 科技与工程 ★

六道湾煤矿西翼规划公路下伏采空区治理措施研究

郭燕敏1 陈 凯2 安兆龙3

(1. 北京岩土工程勘察院有限公司,北京市朝阳区,100083;2. 新疆大学地质与矿业工程学院,新疆自治区乌鲁木齐市,830046;3.中国地质工程集团有限公司,北京市海淀区,100093)

摘 要 六道湾煤矿采空区严重影响了乌鲁木齐市区的生态环境和城市基础建设,笔者从研究区地质条件的角度出发,对六道湾煤矿西翼规划公路下伏采空区的治理措施进行了研究,并通过钻孔、孔内波速测井以及室内岩块穿透声波法对治理效果进行了检测。研究结果表明:研究区下伏采空区可划分为稳定区、基本稳定区、不稳定区,治理总面积65637.4 m2;对浅部塌陷坑填土可以采用强夯处理方案,深部采空区可以采用全充填注浆法进行治理;岩体的横波波速均大于250.0 m/s,强夯处理后浅层回填土的地基承载力特征值fak≥160 kPa,各项检测指标均满足设计相关要求。

关键词 六道湾煤矿 急倾斜采空区 治理措施 稳定性 效果检验

乌鲁木齐煤田属于侏罗纪煤田,辖区内煤炭储量达100亿t以上,但是经过半个多世纪的开采,在市区地表形成了约440万m2的地面塌陷,严重影响了市区的生态环境和城市基础建设,同时也制约了城市的整体规划、生态环境和经济发展。

乌鲁木齐市规划4111公路属于城市次干道,长约456 m,规划红线宽度60 m,规划路面宽度24 m。该公路的规划路线位于六道湾煤矿塌陷区西翼西南部,公路西段跨越南大槽煤层的采空区及南大槽和北大槽煤层西侧的影响变形区。煤层开采形成的采空不稳定区及其影响变形下的基本稳定区内的路段,将对4111公路的安全运营带来潜在的威胁,甚至可能引发重大地质灾害。

专家和学者针对煤层开采厚度大、埋深浅以及急倾斜等特点煤层采空区的治理措施进行了一定程度的理论分析和工程实践,取得了较好的治理效果。付小铜[1]、刘博文[2]基于物探手段探明了采空区的分布范围和高度,为采空区的治理提供了基础依据;付小铜[1]、刘庆顺[3]、吴志臣[4]等采用压力注浆法和多分支孔技术对采空区进行了治理,提高了采空区治理的效果;张志沛[5]、李云龙[6]、郭良春[7]、贺阳阳[8]等针对乌鲁木齐地区急倾斜煤层采空区的稳定性评价和治理措施进行了研究,通过治理提升了上部道路和建筑物的安全性。因此,在对研究区规划道路下伏采空区地质条件分析的基础上,对乌鲁木齐市规划4111公路下伏采空区发育特征、稳定性和治理措施进行评价和分析。通过对乌鲁木齐市规划4111公路下覆采空区的工程治理,可以消除地质灾害隐患对公路的威胁,促进该区的经济发展和社会和谐。

1 研究区地质条件概况

1.1 自然地理

乌鲁木齐市地处欧亚大陆腹地,属温带大陆性干旱气候。研究区位于乌鲁木齐河与水磨沟河的河间地块上,原为梁状丘陵台地地形,区域总地势南高北低。

1.2 地层岩性

研究区位于准南煤田东南部乌鲁木齐市六道湾煤矿西翼,区内均为陆相沉积地层,以中新生界为主,其中以侏罗系分布最广,新生界次之。研究区出露地层除南部的红山背斜有二叠系分布外,在整个塌陷区及其南北广大地区均分布着第四系松散沉积物,下伏地层为侏罗系含煤地层,侏罗系大部分被第四系所覆盖。

1.3 水文地质条件

研究区地下水类型除西部靠近乌鲁木齐河床地带分布有松散岩类孔隙水外,其余地区均为碎屑岩类裂隙孔隙水。地下水主要接受南侧和西南、东南侧侧向地下径流补给,遇强降雨天气时还接受少量降水入渗补给;在松散岩类孔隙和碎屑岩类裂隙中大体由南向北径流;至矿区北界处大部分以地下径流方式向北排泄到邻区,一部分排入六道湾煤矿的矿区排水系统,最终排出地表。主要含水岩层及其富水性如下所述。

(1)第四系砂卵砾石孔隙含水层。主要分布于外环路以西地区,含水层岩性为砂卵砾石,厚度2~5 m。地下水埋深在5~16 m之间,外环路与南湖路交界处东南部和以北受六道湾西翼采煤的影响,野外调查期间研究区此层不含水。

(2)侏罗系砂岩裂隙孔隙含水层。分布于整个研究区,在西部与上覆砂卵砾石孔隙含水层连成一体,中间没有隔水层。含水层岩性主要为煤层顶底板砂岩和粉砂岩,局部夹有薄层砾岩。煤层开采前,由于煤层和所夹的炭质泥岩起相对隔水作用,煤层顶底板含水层互不连通或连通微弱。煤层开采后,所有含水层均连为一体,地下水位埋深与上覆第四系砂卵砾石孔隙含水层相一致。

1.4 工程地质条件

研究区分布的工程地质岩组和岩土体包括4种类型。

(1)中厚层状较坚硬砂岩、粉砂岩岩组。该岩组岩性主要为侏罗系中侏罗统西山窑组砂岩和粉砂岩,其上在头屯河组中下部夹有少量薄层砾岩。砂岩和砾岩较坚硬,抗风化性较强,力学强度较大;粉砂岩尤其是泥质或炭质粉砂岩相对较软弱,抗风化性较差,力学强度相对较小,粉砂岩天然抗压强度为14.6~70.6 MPa,饱和抗压强度为3.08~37.40 MPa,软化系数为0.15~0.84。

(2)中厚层及薄层炭质泥岩与煤层互层岩组。该岩组岩性为侏罗系中侏罗统西山窑组炭质或泥质粉砂岩、碳质泥岩夹煤层,质地软弱,抗风化性差,炭质泥岩风化后极易崩解成小碎块,力学强度小,天然抗压强度为10.9~90.1 MPa,饱和抗压强度为1.5~28.4 MPa,软化系数为0.09~0.32。

(3)粉土、砂砾石双层土体。该岩土体分布于研究区周边地区,不整合覆盖在上述侏罗系岩组之上。组成岩性上部为粉土,下部为圆砾,局部夹有粉质粘土,岩组总厚度一般为10~20 m,厚者可达30 m左右。结构松散,无湿陷性。

(4)人工填土。杂色、松散,主要成分为建筑垃圾、粘性土、粉煤灰及少量生活垃圾等。

2 研究区下伏采空区稳定性分区

研究区存在的主要地质环境问题是地面塌陷,六道湾南大槽和北大槽煤层2个塌陷带在20世纪70年代已基本形成。南大槽煤层塌陷带宽度为35~50 m,塌陷变形带宽度达70~80 m,塌陷区面积约5.6万m2;北大槽煤层塌陷带宽度为40~60 m,塌陷变形带宽度达100 m以上,塌陷区面积约7万 m2。除南大槽和北大槽煤层外,在北大槽煤层以北的2组近距离煤层群分布区,还发育有众多成带状延续的塌陷坑,近似呈圆形,直径一般在30~50 m,深度20~40 m不等,部分地段塌陷坑贯通成不连续的槽形,现已回填。

根据研究区塌陷体稳定性评价以及六道湾煤矿移动盆地岩层影响角建议值,将研究区划分为稳定区、基本稳定区、不稳定区3个区,分区范围如图1所示。

图1 研究区下伏采空区稳定性分区

(1)稳定区是位于移动盆地最外边界线以外,也就是以地表移动和变形都为零的边界以外区域,不受采空区的影响,研究区内稳定区面积为1281951 m2

(2)基本稳定区是位于移动盆地的最外边界线与裂缝边界线之间的区域,面积为624957 m2。此区域裂缝发育,为介于稳定区与不稳定区之间的区域。

(3)不稳定区范围为地下煤层采空区在地表的垂直投影分布范围,即煤层采空区最大深度在地表的投影与煤层露头地表投影(或第四系覆盖煤层未采前在地表的投影)之间的范围,此区域为采空塌陷区,属正在活动的塌陷或呈间歇缓慢活动的塌陷区域,面积为1047136 m2

根据研究区下伏采空区稳定性分区图,4111公路采空区治理总面积为65637.4 m2。其中,范围跨越南大槽和北大槽煤层开采形成的采空塌陷区不稳定区面积24769.3 m2,底板和西侧向的拉伸影响带基本稳定区面积40868.1 m2

3 研究区下伏采空区的工程治理措施

3.1 治理方案

根据目前国内外采空区的处理方法,对研究区的地基处理可采用堵、换、挖、灌等诸多方法,主要有注浆法和非注浆法[9-10]。由于规划4111路不稳定区治理段受南大槽和北大槽煤层开采的影响发生了严重的垮塌,形成了较深的塌陷坑;后虽然用建筑垃圾回填整平,但未采取逐层夯实措施,回填后稳定性很差,为欠固结类土质。因此,研究区浅部塌陷坑填土可以采用强夯处理方案,深部采空区可以采用全充填注浆法进行治理。

3.2 治理设计

3.2.1 浅层回填土的强夯治理设计

由于研究区地层主要为建筑垃圾为主的回填土,且研究区周边比较开阔。因此,对于未能处理好的浅层填土可以采用低夯击功的强夯法处理,要求加固影响深度不小于6 m,加固宽度为32 m。强夯治理应在注浆治理结束,检测合格后,修筑路基前施工。

施工采用二遍点夯和一遍普夯。二遍点夯夯点布置间隔为5.8 m×5.8 m,呈正方形布置;夯击能量1000 kN·m;单点夯击次数为5~8击;一遍普夯夯击能量为600 kN·m,要求夯印搭接不小于1/4锤底面积,每点夯击2击。

3.2.2 浆液材料及配合比

(1)浆液类型。根据当地材料供给情况,结合国内采空区治理工程使用的浆液类型[3,9],该采空区治理工程注浆采用水泥粉煤灰浆液,充分利用粉煤灰浆液的稳定性及浆液结石体后期强度稳定提高的特性,保证工程质量。

(2)浆液材料。浆液材料主要由水、水泥、粉煤灰等组成。水可采用饮用水,当采用其他水源时,水质应符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)的规定;水泥为强度等级32.5的复合硅酸盐水泥,其质量应符合《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)的规定;粉煤灰为电厂初排产品,除含水率、细度外,其余指标应满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB1596-2005)规定的Ⅲ级技术指标要求;速凝剂宜采用水玻璃,模数2.4~3.4,浓度30~45波美度,满足《工业硅酸钠》(GB/T4209-2008)中的液-2、液-3标准;骨料可为当地产中粗砂或石屑。

(3)浆液配合比。注浆浆液为水泥粉煤灰浆,其水固比为1∶1.0、1∶1.1、1∶1.2、1∶1.3。水泥占固相15%,粉煤灰占固相85%。帷幕孔注浆施工时,应在浆液中掺加水泥重量3%的速凝剂(水玻璃),使灌入采空区的浆液尽快凝固形成帷幕,减少流出治理区的浆液损失。

在施工前,应按施工时使用的水泥、粉煤灰在试验室进行浆液配比试验(配比分别为1∶1.0、1∶1.1、1∶1.2、1∶1.3),试验内容包括每立方米浆液的干料含量、浆液密度、初终凝时间、结石率、试块结石体无侧限抗压强度,试块结石体28 d强度应≥0.6 MPa。各配合比条件下主要材料理论用量统计数据见表1。

表1 不同配比条件下主要材料理论用量统计表

水固比固相比(水泥∶粉煤灰)水∶水泥∶粉煤灰水泥/t粉煤灰/t水/t速凝剂/t备注1∶1.01.5∶8.51∶0.15∶0.8557173239938117401∶1.11.5∶8.51∶0.165∶0.9460933452736927431∶1.21.5∶8.51∶0.18∶1.0264463652635810451∶1.31.5∶8.51∶0.195∶1.116778384083475947浆液中加入水泥重量3%的速凝剂

根据表1中每立方米浆液材料理论用量表可以计算出本次规划4111公路采空区治理工程主要材料中水泥用量为6093 t,粉煤灰为34527 t。

3.2.3 采空区的注浆治理设计

采空区治理范围包括沿公路轴线方向上的治理长度、垂直轴线方向上的治理宽度及地下治理深度和注浆段的高度。道路中心线处治理长度为456 m,治理宽度为173.3 m,治理深度为由北向南变浅,注浆加固最大深度为煤层开采深度6~160 m。

对于影响道路范围内的采空区,可以采用固结注浆孔和帷幕孔相结合的方法进行注浆加固处理。固结注浆孔可以沿公路轴线按排距进行布设,平面位置为梅花形(近似等腰三角形);此外,为防止浆液流失,在研究区北侧和东侧布设一排帷幕孔。

由于规划道路分布在采空区的基本稳定区和不稳定区及局部填土覆盖层厚度较大区域,因此,可以分别采用全孔一次性注浆和下行式分段注浆的方式进行加固治理。其中全孔一次性注浆采用法兰盘止浆法,直径不小于Φ50 mm钢管或PPR管作为注浆管;下行式分段注浆采用孔口护壁管止浆法,开孔孔径不小于Φ130 mm,接着下Φ108~130 mm套管,待水泥终凝后,用Φ89 mm的钻头扫孔,最后,待注浆结束浆液终凝后,再用Φ89 mm的钻头扫孔并注浆。

3.3 治理效果

通过钻孔检测、孔内波速测井以及室内岩块穿透声波法,对乌鲁木齐市六道湾煤矿西翼规划公路下伏采空区的加固效果进行综合评价。

3.3.1 钻孔检测

通过采用泥浆循环护壁钻进过程中的进尺快慢情况、冲洗液漏失情况、取芯率、结石充填裂隙、掉钻落钻等情况进行观察,可以看出在检测孔成孔过程中,进尺快慢与地层岩性吻合,冲洗液消耗正常、岩芯采取率在75%~90%之间,基岩裂隙中可见水泥浆液充填痕迹,进尺慢、钻进平稳、无掉落钻现象。

3.3.2 孔内波速测井

对规划道路下伏采空区注浆后超声波纵波波速和利用超声波换算的横波波速结果见表2。

表2 研究区孔内波速测井结果

地层岩性注浆后超声波纵波波速/(m·s-1)注浆后超声波换算的横波波速/(m·s-1)强风化基岩2611.801509.70煤岩2519.921456.60中风化基岩2815.801627.60

通过表2可以看出注浆后强风化基岩层纵波波速为2611.80 m/s、橫波波速为1509.70 m/s,煤岩层纵波波速为2519.92 m/s、横波波速为1456.60 m/s,中风化基岩层纵波波速为2815.80 m/s、横波波速为1627.60 m/s。岩体的横波波速均大于250.00 m/s。

3.3.3 室内岩块穿透声波法

穿透声波的检测目的主要用于了解注浆后岩块的质量,测试结果见表3。

表3 室内岩块穿透声波法试验结果

钻孔编号岩块编号地层岩性岩块长度/mm岩块波速/(m·s-1)ZK11-11-2砂质泥岩11028201102780ZK22-12-2砂质泥岩11029201102950ZK33-13-2砂质泥岩11029301102970

通过表3可以看出:注浆后3个钻孔中砂质泥岩基岩层岩块的平均波速为2895 m/s。钻孔检测、孔内波速测井以及室内岩块穿透声波法检测指标均满足设计相关要求。

此外,还通过浅层平板载荷试验和动力触探试验相结合的方法对浅层回填土的强夯治理效果进行了检验。检测结果表明:强夯处理后浅层回填土的地基承载力特征值fak≥160 kPa,也满足设计要求。

4 结论

笔者通过对六道湾煤矿西翼规划公路下伏采空区孕灾地质条件、稳定性分区和治理措施的分析,可以得出以下结论。

(1)可以将研究区划分为稳定区、基本稳定区、不稳定区3个区;六道湾煤矿西翼规划公路下伏采空区治理总面积为65637.4 m2。其中,范围跨越南大槽和北大槽煤层开采形成的采空塌陷区不稳定区面积24769.3 m2;底板和西侧向的拉伸影响带基本稳定区面积40868.1 m2

(2)研究区治理范围主要包括浅部塌陷坑和深部采空区。其中浅部塌陷坑填土可以采用强夯处理方案,深部采空区可以采用全充填注浆法进行治理。

(3)通过钻孔检测、孔内波速测井以及室内岩块穿透声波法对乌鲁木齐市六道湾煤矿西翼规划公路下伏采空区的加固效果显示,各项检测指标均满足设计相关要求。

参考文献:

[1] 付小铜. 营涝公路下伏采空区探测与注浆治理实践[J]. 中国矿业, 2018, 27(7):161-162.

[2] 刘博文,王振伟,李伟,等.露天矿地下采空区探测与治理技术应用与实践[J].中国煤炭,2017,43(11):42-46,59.

[3] 刘庆顺,冯光明,贾凯军,等.注浆充填技术在处理小煤窑采空区冒矸中的应用[J].中国煤炭,2010,36(8):66-68.

[4] 吴志臣,李云飞,王学军,等.多分支孔技术在浅层急倾斜煤层采空区注浆治理中的应用[J].煤炭技术,2019,38(7):136-138.

[5] 张志沛, 刘杨, 任建军, 等.急倾斜煤层采空区注浆工程施工工艺研究[J]. 施工技术,2018(1):134-137.

[6] 李云龙, 郭春颖, 徐敏,等. 六道湾煤矿西翼塌陷区沉降变形规律研究[J]. 中国矿业, 2010, 19(5):94-96.

[7] 郭良春. 乌市东二环急倾斜煤层采空区稳定性与治理方案分析[D]. 西安:西安科技大学, 2012.

[8] 贺阳阳. 新疆乌市104团急倾斜煤层采空区稳定性及失稳过程分析[D].西安:西安科技大学,2020.

[9] 岳鹏举. 公路下伏采空区稳定性分析及治理技术研究[D].西安:西安科技大学,2019.

[10] 曾冠华. 乌鲁木齐绕城高速公路下伏倾斜煤层采空区稳定性分析与处治技术研究[D].西安:长安大学,2017.

Study on treatment measures of goaf under planning road in west wing of Liudaowan Coal Mine

Guo Yanmin1, Chen Kai2, An Zhaolong3

(1. Beijing Geotechnical and Investigation Engineering Institute, Chaoyang, Beijing 100083, China;2. College of Geology and Mining Engineering, Xinjiang University, Urumqi, Xinjiang 830046, China;3. China Geo-Engineering Corporation, Haidian, Beijing 100093, China)

Abstract The goaf of Liudaowan Coal Mine has seriously affected the ecological environment and urban infrastructure of Urumqi. From the view of the geological conditions of the study area, the treatment measures of the goaf under planning road in west wing of Liudaowan Coal Mine were studied, and the treatment effect was tested by drilling, in-hole wave velocity logging and indoor rock penetrating sound wave method. The results showed that the goaf under the study area was divided into three areas: stable area, basically stable area and unstable area, with a total area of 65637.4 m2; dynamic compaction could be used for shallow collapse pit filling, and full filling grouting could be used for deep goaf. The transverse wave velocity of rock mass was more than 250.0 m/s, and the characteristic value fak of foundation bearing capacity of shallow backfill after dynamic compaction was greater or equal to 160 kPa. All the test indexes met the design requirements.

Key words Liudaowan Coal Mine, steeply dip goaf, treatment measure, stability, effect test

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引用格式:郭燕敏,陈 凯,安兆龙. 六道湾煤矿西翼规划公路下伏采空区治理措施研究 [J]. 中国煤炭,2020,46(11):107-111.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.11.017

Guo Yanmin, Chen Kai, An Zhaolong. Study on treatment measures of goaf under planning road in west wing of Liudaowan Coal Mine[J]. China Coal,2020,46(11):107-111. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.11.017

基金项目:新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目(2017D01C067),新疆维吾尔自治区高等学校本科教育教学改革研究项目(2018JG28)

中图分类号 TD997.1

文献标识码 A

作者简介:郭燕敏(1985-),女,汉族,山东菏泽人,工程师,主要从事水文地质工程地质环境地质方面的工作。E-mail:531840390@qq.com。

(责任编辑 郭东芝)