摘要：2019年3月，西部某高速公路建成通车，该高速公路穿越小煤窑采空区。本文以具体工程为依托，对下伏人工开挖小煤窑采空区的勘察方法、勘察成果、处治方法及施工与勘察成果的对比进行探讨，以期对类似工程中相关人员有所帮助。
关键词：高速公路；小煤窑；采空区；勘察；处治
引言
目前我国的高等级公路发展很快，许多新修建的公路要通过一些矿区的采空区，采空区失稳容易对公路建设及运营造成重大安全隐患[1,2,3]。因此，查明新建公路下伏采空区分布范围及其基本特征，从而进行稳定分析，对如何安全、经济地在采空影响区修筑公路具有重要的经济和社会意义。
小煤窑采空区一般采矿规模小，基本为个体或小集体开采，开采方式以人工镐挖或炮采为主，运输方式则为人力背运或小车运输，不支护或仅简易支护，顶板易自由塌落。此外，该类型煤矿无开采规划、采取率低、无资料查询，导致勘察难度大，具有许多不确定性。因此勘察成果质量直接关系到处治方案及后期高速公路的运营安全。
本文结合西部某高速公路私采小煤窑采空区实例，介绍小煤窑采空区勘察方法与处治方法。
1概况
该高速公路主要位于内蒙古乌海市境内，项目所在区为桌子山煤田的重要的煤炭产区，该高速公路跨越小煤窑采空区，跨越采空区长度约400m。
1.1地层
根据区域地质资料及钻孔揭露，拟建公路线路区域内地层主要为石炭系沉积岩。石炭系上统羊虎沟组(C2y)是本区重要含煤地层之一，以灰白色厚~中厚层砂岩、灰~灰黑色页岩、砂质页岩为主，夹生物灰岩、薄层灰岩、煤线或薄煤层。
煤层局部有露头，煤层顶底板多页岩、砂质页岩、砂岩和薄煤组成，煤层为一向西北倾斜的单斜构造，地层产状平缓，倾角一般4～25°左右。
1.2煤窑概况
线路所经过的雀儿沟～拉僧庙段煤矿历史上小煤窑私挖盗采严重，均是人工开挖巷道开采，开采年限为1996~1999年，超过10年，由于乌海市资源重新整合被关闭，无采矿资料，开采无规律。
2勘察方法
根据《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG-T-D31-2011）等相关规范[4,5]的规定与要求，结合本项目所在区的地形及工程特点等，综合采用走访调查、物探、钻探等方法与手段进行采空区勘察工作，查明线路区工程地质条件、地层结构，查明下伏采空区的分布范围及其基本特征，为准确评价采空区稳定性和对高速公路危害程度提供了详细资料。
2.1走访调查
对废弃小煤窑做了走访调查，询问煤窑主人及知情人士，对发现的洞口详细记录洞口尺寸并推测延伸方向；对岩层产状做了标记；掌握了采煤洞口位置，洞口延伸方向、延伸距离，煤层开采厚度等情况。
煤矿开采方式为巷道式开采，野外调查阶段共发现巷道口10处，洞口高程1150~1162m，巷道可见延伸方向（170°~220°）。
图1 私采小煤窑洞口
2.2物探
物探根据场地地形地质条件、采空区埋深及分布情况，一般可采用高密度电法、瞬变电磁法、瞬态面波法、地震反射法、测井法、地质雷达法、放射性法等方法 [4，5]。
根据走访调查结果，线位处采空区埋深约10~30m。针对这一特点，选用高密度电法，沿线路中心及左右侧各30m布设3条纵向物探线，对高阻异常及洞口位置布设横向物探线4条，电极间距为10m，进行初步探测。根据物探初步成果，对物探线进行了补充加密，沿线路中心及左侧15m布设2条纵向物探线，对高阻异常及洞口位置布设横向物探线2条，并将电极间距缩小至2m。2m间距纵向物探成果见图2。
图2 物探成果图
表1 采空区物探成果表
综合分析本次物探成果，共存在4处物探异常区，统计情况如表1。
2.3钻探
本次勘察在分析调查结果及物探成果的基础上，在物探异常区及推测采空处共布设钻孔5个，皆钻至煤层或煤层采空区，揭露厚度0.5~1.3m。
图3 钻孔揭露空洞、煤层
表2 采空区勘察钻孔统计表
3采空区分布及稳定性评价
3.1分布
综合以上调查、物探、钻探结果，采空区性质及空间分布情况如下：
（1）采空区为巷道式开采，顶底板岩性为页岩或砂质页岩，煤层产状220°∠22°。
（2）采空巷道于现有地面埋深大约4~21m，于路线设计标高埋深大约4~18m，煤层采厚0.5~2.1m，采深采厚比为2.0~40。
（3）压线段采空区未见明显地表沉陷，采空区沉降未完成，后期可能存在地表塌陷。
具体分布情况见工程地质断面图。
a.纵断面
b.横断面-1
c.横断面-2
d.横断面-3
图4 工程地质断面图
3.2 稳定性评价
根据《矿山开采沉陷学》，采用地表移动变形预计法进行稳定性评价。
（1）巷道稳定性评价
根据计算，采空区巷道稳定性如下：
表3 采空区巷道稳定性统计表
（2）最大移动和变形量预计
①最大下沉量： W=mqcosα
式中：m为煤层开采累计厚度；q为下沉系数，单层采空区取0.76，双层采空区取0.85；α为煤层倾角。
②最大倾斜值：i=w/r=w/(H/tgβ)；
r为主要影响半径。
③最大曲率值：K=±1.52W/r2
④最大水平移动：U=bw
式中：b为水平移动系数，本区取值为0.25。
⑤最大水平变形值：ε=±1.52bW/r
（3）剩余变形量的计算
根据本项目采空区调查观测情况，结合物探、钻探等手段，压线段采空区未见地表裂缝及地面塌陷，地面沉降完成较少，地面剩余沉降按最大沉降计算，结果如下表：
表4 采空区巷道剩余变形量统计表
4处治方案
4.1方法选择
公路采空区的治理方法主要有注浆法和非注浆法(包括干砌法、浆砌法、开挖回填法和桥跨法)[4]。采空区处治在该省目前常用的方法是全充填压力注浆法。
本项目根据采空区埋深情况分为两种处治方法，第一段路线以挖方路堑形式通过采空区，采空区顶板至路面设计标高距离为1.7-4.15米，开挖工程量较小，采用开挖回填法进行处治。
第二段路线以路堑形式通过采空区，最大挖深约9米，采空区最大埋深18米左右，不适宜采用非注浆法进行处治，采用全充填压力注浆法治理技术上可行，经济上也比较合理。
4.2处治参数
全充填压力注浆法治理方案如下：
1）处治宽度按照以下公式进行计算：
L=D+2d+2（h•ctgφ+ H•ctgβ）
式中：L——为处治宽度(m)；
D—为受护范围宽度(m)（路堑应以两侧堑顶边缘为界）；
d—为高速公路一侧维护带宽度(m)，路基取10m；
h—为采空区上覆松散层厚度(m)；
H—为采空区上覆基岩厚度(m)；
φ—松散层移动角(一般取45°)；
β—采空区覆岩岩体扩散角(一般取68°)。
计算后，该项目处治宽度为60-80米。
2）注浆孔在治理范围内尽可能按梅花形布置，排距在高速公路维护带范围内10m，以外为15m。
3）注浆参数：
①注浆材料配比：水泥与粉煤灰比例路基段为1.5:8.5；
②注浆压力：路基段为1～1.5 Mpa。
③单位压水量：高速公路路基段≤70L/min；
④结石体抗压强度：高速公路路基段≥0.6MPa
4）注浆量按下式计算：
Q总=A•V•/c
式中：A—浆液损耗系数，取1.2；
V—空隙体积；—充填率，取80～90%；
c—浆液结石率，取80%。
5）注浆结束标准：浆液浓度使用合理，孔口压力稳定地逐渐升高并达到结束压力，单位吸浆量≤50L/min，并稳定15min。
5 施工现场与勘察结果对比
将钻孔与附近注浆孔施工情况进行了分析对比：
SZC-1孔深16.7-17.5m为煤层，对应注浆孔183#孔深14-15m空洞，两孔距离4.1m；注浆孔177#孔深13-15m空洞，两孔距离10.1m；注浆孔194#孔深11-12m空洞，两孔距离7m；注浆孔196#孔深10-11m空洞，两孔距离21m；注浆孔186#孔深10-11m空洞，两孔距离26m。
通过分析竣工材料与勘察成果，可知：
（1）勘察成果揭露有采空区的段落，施工过程中得到了较好的验证，但在具体埋深方面存在些许的起伏情况；
（2）部分段落施工过程中揭露有采空区，但勘察过程中物探成果没有很好地揭示。
分析认为存在误差的原因有以下几个方面：
（1）小煤窑为人工巷道式开采，空间分布上规模较小，较难被物探揭露；
（2）勘察阶段钻孔的数量及物探线布置相对较少，后续工作中应尽量采取勘察规范中关于工作量规定的高值。
图5 注浆孔与钻孔布置关系图
6结语
本文方法主要是针对某高速公路下伏小煤窑采空区工程实际情况，从勘察方法、采空区分布情况、所用处治方法等方面进行了介绍，并对施工情况与勘察成果进行了对比分析，对后续类似工程的勘察、设计、施工提供了借鉴。
参考文献
[1]中国科学技术情报研究所.出国参观考察报告——波兰采空区地面建筑[M].北京:科学技术文献出版社，1979，2.
[2]刘宝琛，廖国华.煤矿地表移动的基本规律[M].北京:中国工业出版社，1965.
[3] 童立元,刘松玉,邱钰等.高速公路下伏采空区问题国内外研究现状及进展.岩石力学与工程学报[J].2004,23(4):1199-1202.
[4]《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/T D31-03-2011）[M].北京:人民交通出版社，2011.
[5]《工程地质手册》编写委员会.《工程地质手册》(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社，2006.
论文作者:吴胜仓,刘志清
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/2
标签：采空区论文; 物探论文; 煤层论文; 巷道论文; 注浆论文; 高速公路论文; 方法论文; 《基层建设》2019年第15期论文;