秦皇岛采空区治理

5、采空区的处治技术
5.4注浆技术要点
1、概
况
1、概
况
1、概
况
1、概
况
1、概
况
1、概
况
1、概
况
1、概
况
2、采空区覆岩破坏的一般规律
2.1采空区的定义
地下固体、矿床采后的空间及其围岩失稳而产生位移、开裂、
破坏垮落，直到上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏 的地区或范围。
2、采空区覆岩破坏的一般规律
2.2冒落带、裂隙带、弯曲带的划分
w为水的重度； 式中—— h 为地下水位差； 为 wVw2 / 2g Vw为水的流速； 由于地下水流动引起的动压力；即对松散岩洞周围引起的岩石溶蚀力。
在上述假设条件下，地表塌陷坑发生宏观塌陷力学极限平衡条件为：
2c z Z wh wVw2 / 2 g (1 sin )(1 K )
弯曲带 裂隙带 冒落带
2、采空区覆岩破坏的一般规律
2.2冒落带、裂隙带、弯曲带的划分
2.2.1冒落带、裂隙带、弯曲带的定义 （ 1）冒落带：（直接位于采空区上方的顶板岩层，在自重和上覆岩层 重力作用下，所受应力超过自身强度时，断裂、破碎、塌落的岩层。 （2）裂隙带：冒落带上部的岩层在重力作用所受应力超过岩层本身的 强度，产生微小变形，但未坍塌的岩层。 （3）弯曲带：裂隙带上部的岩层在重力作用下，所受应力尚未超过岩 层本身的强度，产生微小变形，但整体性未遭到破坏，也未产生断裂，仅 出现连续平缓的弯曲变形带。
5.4.2注浆组成和配合比 采空区注浆以充填采空区及覆岩中的空洞和裂隙为主，对浆材细度和 强度要求较低，为充填式注浆。 通过试验知，一般水固比（质量比）1:1.0~1:1.3时，浆液的可注性良 好。 对于中间区域孔，每隔1孔在孔口装漏斗状注砂器，将砂或粉煤灰用浆 液带入孔内，减少浆液的消耗。 采用粉煤灰注浆液时，水泥含量占固体总重量的20%~30%即可。
2.5地面塌陷形成的力学机制
综上所述，半壁店采空区地表塌陷的形成是在采空区影响下，松散岩 层或整体下沉形成的沉陷盆地；或产生冒落，形成裂缝，后期受地表水流 的侵蚀，淘蚀、溶解作用，裂缝扩展成地裂缝，进而形成塌坑。
3、采空区对公路工程地危害性
3.1造成公路路基下沉。采空区冒落、塌陷在竖直方向上产生沉陷变形， 引起路基本身松弛，降低路基承载力，甚至造成路基塌陷，对路基失稳产 生不利影响。 3.2路基在下沉的同时，必然伴随着水平方向的拉伸变形，产生水平位 移。垂直于路线方向的横向移动将使路基发生横向弯曲，致使路面产生开 裂、损毁；沿路基纵向的水平变形，也将使路基受到抗伸或压缩。由于这
秦皇岛半壁店采空区 处治技术
母焕胜 高岭 河北省交通规划设计院 河北石家庄 050011
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汇报内容
Ø 1、概况 Ø 2、采空区覆岩破坏的一般规律 Ø 3、采空区对公路工程的危害性 Ø 4、半壁店采空区工程地质特性
Ø 5、采空区的处治技术
Ø 6、结束语
1、概
况
半壁店采空区
项 目 地 理 位 置 图
1、概
4、半壁店采空区工程地质特性
工程区域为燕山山脉的东缘，柳江盆地沉陷区，属于石炭系太 原组地层，以灰黑色砂岩含铁质结核为首要特征，夹少量煤线及灰 岩透镜体，由两个韵律构成，是海陆交互相沉积。采空区北区有四
层含煤层，埋深分别为6.0~7.0m、13.0~14.5m、22.0~23.0m和
33.0~34.5m范围内，南区有两个含煤层，埋深分别为6.0~7.0m和 14.0~15.0m。
5.2.5 总注浆进尺8535m/296孔；注浆量5091m3，水玻璃用量
163.3t。
5、采空区的处治技术
5、采空区的处治技术
5.3注浆孔钻探机具
5、采空区的处治技术
5.3注浆孔钻探机具
全液压气聚潜孔锤冲击钻机
（1）钻具 Φ50、Φ73变通钻杆 Φ90~Φ110冲击器 Φ110~Φ130球齿冲击钻头
1 1 - 3 =2sin (1 3 ) c cot 2
（1）
式中—— 、 分别为岩体某点最大应力和最小应力； 、 c 分别为岩 1 3 石的抗剪强度指标。
大气压力P0与岩层相对低压P′之差，即ΔP= P0- P′作用在松散岩体上， 则岩体深度Z处中心点点的垂直压应力 为：
况
承德至秦皇岛公路是河北省省道干线公路，起点位于河北省承德市，终点 为秦皇岛市，路线全长200余公里。公路经过的河北省抚宁县是国内知名的柳 江盆地沉积区，也是河北省重要的煤矿产地之一。自古以盛产煤炭资源而闻名。
据历史记载，抚宁采煤始自解放前，当年日本人、韩国人均在此开矿，历史悠 久。新中国成立以来建成了柳江煤矿和长城两大国营煤矿。特别是改革开放以 来，不同所有制企业竞相发展，多年的煤炭开采导致已建工路沿线采空区的地 表明显变形，出现地面下沉、地裂缝、地面塌陷等负地形。特别是2012年8月 3日8时至4日8时，秦皇岛市遭遇台风“苏拉”、“达维”袭击，电闪雷鸣，天 河顿开，豪雨如注，24小时降雨量达307.8mm。承秦公路 K251+000~K251+200区段内地表积水达1.0m深（位置：N39°57′11″，E 119°36′4″），造成采空区上覆地层失稳，发生坍塌，形成坍塌坑7个最大的 一个坍塌坑直径达15m，深12.0m，使承秦公路路面下沉、裂缝，出现坍塌坑 洞。
1/ R0 ( K0 Z0 tan 2c / )
（5）
式中—— 为 松散岩石侧压力系数；Z为塌陷临界深度（m); R0 为 空洞临界半径（m）。 这种作用的结果使Z值降低，当 R R 、 时，松散岩层下伏空洞 0 Z Z0 形成整体塌落，最终形成现今所见的塌陷现象。
2、采空区覆岩破坏的一般规律
（4）
式中—— K为松散岩的侧压力系数。公式（4）定量描述了采空区 空洞顶部变形区各因素之间的关系 。
2、采空区覆岩破坏的一般规律
2.5地面塌陷形成的力学机制
变形区形成后，变形区内松散岩层的抗剪强度迅速下降， c、 值由峰 值强度降低为剩余强度，在地表水和地下水等联合作用下，首先对洞顶变 形区进行冲刷，使洞穴空洞越来越大，即R值增大，而Z值减小。根据地表 塌陷稳定系数公式：
2
2 P{(1 Z / R ) /[(1 Z / R )] }
2 2 2 2
2 3
（2）
式中 ——R为采空区半径。
2、采空区覆岩破坏的一般规律
2.5地面塌陷形成的力学机制
由于地下水位下降以及流动引起的松散岩体中等点的水压力P为
2 P wh wVw / 2g
（3）
5.2.2 沉陷区两侧及南区沉陷坑区域，外围设置1排帷幕孔，间
距1.5m。 5.2.3 东北区沉陷坑4排帷幕孔间距为1.5×3.0m。
5、采空区的处治技术
5.2注浆孔位的布置原则
采空区治理范围在纵向上以采空区投影到公路上的长度为准， 在横向上以公路边坡坡脚为起点，依据煤矿埋藏深度、倾向和煤层 应力扩散角计算出影响边界。 5.2.4 中间区域注浆孔间距为3.0m，西北区内部注浆孔间距 2.0m，西南区内部注浆孔间距为4.0m，东南区内部注浆孔为5.0m。
H
m ( K E 1) cos
式中：m—为煤层厚度， kE —为冒落岩石破胀系数, —为煤层倾角
2、采空区覆岩破坏的一般规律
2.5地面塌陷形成的力学机制
地表塌陷的形成和发展，最终取决于松散岩层的受力条件与其本身的 强度及相互作用的结果。 煤层回采后，在松散岩层下伏煤系地层中形成空洞，改变了上覆松散 岩层内部应力边界条件。由于松散岩石本身具有一定的结构强度，在原始 空洞区顶板及两侧形成重分布应力，在空洞顶板一定范围内形成变形区。 根据上述地表塌陷的形成过程，影响塌陷的因素除其基本条件外，还有上 覆岩层的厚度（H）、强度指标（c、φ）、采空区规模（半径R）、地下 水位降深（Δh）、流速（vω）、大气压力P0与岩层相对低压P′之差，即 ΔP= P0- P′等。
（2）钻进参数 风量9~12m3/min； 风压0.5~0.7mpa 转速25~30转/min； 钻压300~500N （3）日进尺100~200m。
5、采空区的处治技术
5.4注浆技术要点
5.4.1注浆试验孔 开始治理采空区前，先打实验孔，对治理工程中所采用的注浆孔（帷 幕孔）结构、封压层位置、注浆液的性质和配比、扩散半径等诸多问题进 行必要的实验和研究，以取得治理工程中所需要的各种数据和参数。
2、采空区覆岩破坏的一般规律
2.2冒落带、裂隙带、弯曲带的划分
2.2.2三带划分 地下煤层采出后，采空区上方岩层在重力作用下发生垮落、破裂、离 层和弯曲，在采空区覆岩移动变形稳定后，按岩层的破坏程度，自采空区 向地表依次划分为三个不同的开采影响带，即冒落带、裂隙带和弯曲带， 简称“三带”。 通常，若采空区岩层至地表岩层均处于冒落带范围内，则地表出现塌陷 坑，若只是裂隙带发育至地表，则地表以出现地裂缝为主；弯曲带上方地 表往往形成下沉盆地。采空区面积很大时，若覆岩为坚硬岩层，由于坚硬 岩层以破碎形式冒落，冒落发展的较为充分，其冒落带加裂隙高度很大， 最大可达采厚的18~28倍，而造成的地表下沉量则较小。若覆岩为软弱岩 层，则覆岩易冒落，发展较快，冒落不充分，冒落带和裂隙带高度一般为 采厚的9~11倍，造成以地表下沉量一般比覆岩为坚硬岩层时要大。
2、采空区覆岩破坏的一般规律
2.3地表塌陷的持续时间
不同塌陷类型的地表移动变形的持续时间不同，对移动盆地型来说， 一般在初次采动时，开采工作面从开始切眼向前推进，当其推进距离相当 于该处平均开采深度的1/4~1/2时，地表将开始移动变形。若重复采动，这 个距离略为减小。开采深度愈大，地表移动持续时间越长，一般当采深为 100m~200m时，地表移动时间为1~2年，其活跃阶段大约为6个月左右。 而对变形破裂型地表塌陷，已有的采空区变形资料表明，在岩层产状较陡， 厚度越大或采深距地表很浅的条件下，紧随回采进行，地表很快出现塌陷 坑，但有时会滞后1~2个月，甚至几年后才出现。
5、采空区的处治技术
5.1注浆法
注浆法是用液压、气压或电化学原理，通过注浆管把具有固化 地基的浆液均匀的注入地基土的裂缝或孔隙中，浆液以充填、渗透 或挤密等方式注入后，经过一定时间后，将原来松散的土粒或裂隙
胶结成一个整体，形成一个高强度、防水性能强和化学稳定性良好
的土体，阻止上覆岩层进一步塌陷冒落以保证地表的稳定性。
5、采空区的处治技术
5.2注浆孔位的布置原则
5、采空区的处治技术
5.2注浆孔位的布置原则
采空区治理范围在纵向上以采空区投影到公路上的长度为准， 在横向上以公路边坡坡脚为起点，依据煤矿埋藏深度、倾向和煤层 应力扩散角计算出影响边界。 5.2.1 公路两侧设置2排帷幕孔，孔距2.0m，先行施工，以尽 早实现道路通车。
两种移动的不均匀性，会使路基坡度、曲线形态及路线方向发生变化。
3.3地表变形的不连续性与无规律下沉，将使路线原有的纵坡度出现无 规律的变化，如果地表倾斜方向和路线纵坡度一致，路线纵坡将增大，反 之路线纵坡将减小。路线纵坡的变化，将使沉陷盆地内各段路线通行阻力 有所增减，随着时间的推移，将会造成路面的破坏。
2、采空区覆岩破坏的一般规律
2.5地面塌陷形成的力学机制
根据摩尔-库伦强度理论，当土体中某点任一平面上的剪应力等于土的 抗剪强度时，将该点即将破坏的临界状态称为“极限平衡状态”。
摩尔应力圆与强度包线的几何关系图
2、采空区覆岩破坏的一般规律
2.5地面塌陷形成的力学机制
根据摩尔应力圆与强度包线几何关系图，松散岩体变形破坏应满足以 下极限平衡方程：
2、采空区覆岩破坏的一般规律
2.4破胀系数
采空区上方垮落下来的碎石，在采空区内堆积的体积要大于原岩的体 积，这种体积增大的性质叫做岩石的破胀性。用破胀系数kE表示，其值恒 大于1，并在1.1~2.5之间。一般致密而坚硬岩石的破胀系数大于软弱而松 散岩石的破胀系数；刚崩落的岩石破胀系数大，经过一段时间的风化压实 后变小，岩石破胀性的存在决定了采空区覆岩冒落向地表的发展不是无止 境的，通常冒落带高度为采出煤层厚度的3~5倍，当地层倾角小于54°时， 冒落带最大高度可采用下式计算：