1、浅议小型采空区稳定性评价及治理方法摘要 研究目的：随着运煤专线穿越矿区段落的增多，采空区处理费用也非常可观，因此需要从处理方法上进行改进和优化。通过对采空区进行科学的稳定性评价进而确定合理的处理措施是十分必要的，本文结合某采空区工点从稳定性评价到采空区治理进行了分析，确定了探灌结合的治理方案，为其它类似工点设计提供参考。 关键词 硫磺矿;采空区;稳定性分析;探灌结合加固地基 研究结论：通过分析小窑采空区的稳定性，对于深厚比小于 40 的浅层采空区进行加固是必要的；对于缺乏矿区开采资料的小窑采空区采用探灌结合的方法进行加固处理是节省工程投资的有效方法。 中图分类号：U213.1+4 文献标识码：
2、 A 文章编号： 1工程概况 朔准铁路由于地形和既有建筑物限制需穿越硫磺矿采空区及采空影响区，路堤边坡最高 19.0m，路堑边坡最高 13.0m。 小硫磺矿采空区产于奥陶系灰岩侵蚀面上的中石炭系本溪组泥岩、铝土页岩中，埋藏深度 2050m。矿床厚度随奥陶系灰岩之侵蚀面而变化，矿层走向为北 20 度西，倾向西南，倾角 5-10 度左右，呈不规则结核状产出。其可采厚度 0.54.0m，最大可采厚度达 10 余米，为主要开采层。 小硫磺矿开采方式为炮采和镐采，主巷道宽高约 2.52.0m，支巷道开采矿体，矿体呈鸡窝状，不规则，开采高度一般 0.52.0m，回采率约1020，在开挖过程中，后面的矿渣填
3、充到前面的开挖空间内，根据调查充填率约 4060，采空顶板岩性为砂岩和砂质泥岩，底板岩性为白云质灰岩。开采比较混乱。根据调查访问，最大窝状矿体开采长度约100m，开采宽度一般约 2.04.0m。根据钻探揭示，孔见采空概率为36.5；在揭示有硫磺矿开采孔中，既有空洞也有充填，揭示空洞高度1.14.4m，单孔钻探揭示最大累计开采厚度 9.5m，揭示单层最大开采厚度 6.4m，调查最大开采宽度约 8.0m。目前地面未见裂缝和塌陷坑。 2稳定性分析 由于硫磺矿采矿范围狭窄，呈巷道式，无支撑，属于小型采空，分别按巷道顶板稳定性计算法、洞体顶板坍塌自行堵塞估算法、普氏崩坏拱法进行稳定性分析。 2.1巷道顶
4、板稳定性计算法： 计算顶板岩层自然平衡的临界深度 H0，用 H 与 H0 的关系来评价小型采空区的稳定性，其中 2a 为空洞宽度， 为岩层的内摩擦角。评价标准为： 当 H1.5 H0 时，顶板及地基稳定。 根据勘探所取岩样进行的强度试验指标及上覆各地层岩性的厚度确定内摩擦角。采空区上覆地层按泥岩累计厚度 14m、砂岩累计厚度 11m、灰岩厚度 5m。根据岩石强度试验指标及 值的选取内摩擦角分别为：45、57、 70，其加权平均值为：53.57。按以上两种方法得到的 值综合分析， 此处 按 55进行计算。计算结果如表 2-1： 表 2-1 安全深度计算表 这种方法是假定岩体面运动所发生的摩擦力
5、=tg，而顶板的凝聚力 c=0。实际上，岩体的内聚力成倍增长，此时，利用上述公式计算临界深度 H0 会出现两种后果，首先计算结果偏大，其次 值越大，H0 随之增大，这与实际情况不符。因此，表所列的临界深度和安全深度值仅能粗略的评价小型采空区顶板的稳定性。按此理论计算，基岩覆盖层厚度少于 84.5m 时，地表可能塌陷或变形。 2.2洞体顶板坍塌自行堵塞估算法 由于本段为硫磺矿采空，顶板为厚层状砂岩、泥岩，所以采用此种方法进行估算。 洞体顶板被裂隙切割呈块状、碎块状，顶板塌落后体积松胀，当塌落向上发展到一定高度，洞体可被松散的坍塌体自行堵塞。在没有地下水搬运的情况下，可以认为洞体空间已被支撑而不再
6、向上扩展了。设洞体空间体积为 V0，塌落体体积 V1 松胀后不仅充填了塌落空间，还充填了V0，此时塌落高度 Z 可由式 4 确定。 V0+V1KV1（式 1） 式中：V0洞穴原体积（m3） ；V1可能坍塌的岩体体积（m3） ；k顶板岩石的涨余系数，级围岩 K1.15；砂岩按 1.15。 设洞体顶板为中厚层砂岩，洞体截面积为 F，洞高 H0，假定塌落前后洞体均为柱形，则： V0 = F H0（式 2） V1 = F Z（式 3） Z=H0/（K-1） （式 4） 根据此理论计算，采空高度按 6.0m 计算时硫磺矿采空区基岩覆盖层厚度少于 40.0m 时，地表可能塌陷或变形。 2.3普氏崩坏拱法
7、普氏采用下式确定压力拱高 h1： 在有侧压力的坑道内，若完全不加支撑，则岩石崩落使两侧边坡达到 角时才停止，形成塌落拱即崩坏拱，此时，崩坏拱的高度 h2 按下式求得： b2 为崩坏拱跨度之半（m） a 为洞室高（m） b 为开挖断面跨度之半（m） f 为岩体的坚实系数。 对于松散土及粘性土 f =tg，而对于岩性岩石 Rc 为饱和单轴抗压强度（单位：MPa） 。 由试验知砂岩饱和抗压强度为 23.2Mpa ,则内摩擦角按 57，采空高度分别按 4.0m、6.0m 计算。则计算结果见表 2-2： 表 2-2 巷道宽度与采空高度关系一览表 Table. 2-2 Relationship betwe
8、en tunnel width and goaf height 按照普氏塌落拱断层和节理时计算结果，采空巷道宽度 8 m、采空高度 6.0m 时，岩体结构破坏高度约 34m，采空区局部塌方高度可能要大于计算值。 2.4地基稳定性评价 路基地基稳定性可按照下式进行计算： 取 24kN/m3, 取 700，R 为路基基底的单位压力计算得出为363.7kN/m2。 通过上式计算得出 H0 为 58.9m。 当 HH0 时，顶板及地基不稳定； 当 H0H1.5H0 时顶板及地基稳定性差。 普氏围岩压力计算方法适用于岩层单一深埋的松散层，洞顶坍塌堵塞法适用于浅埋的松散层，顶板及地基稳定性评价适用于粗略评
9、价顶板及地基的稳定性，因此需要综合各种方法分析确定空洞安全深度。通过四种方法评价分析，采空区埋深较浅，评价后稳定深度大于埋深，且硫磺矿采空范围狭窄，变形以地表塌陷和开裂为主，裂缝一般上宽下窄。 2.5.稳定性评价结果 由于硫磺矿分布为鸡窝状，分布不均，顶板上部为砂岩，在坑洞埋深较浅的情况下，受列车长期震动，易使顶板强度降低而坍塌，考虑到铁路工程的重要性和修复不易因素，采空区需要加固处理。采空区为古小硫磺矿，开采资料不全，只有部分主巷道图，其余支巷道及采区资料缺乏，因此处理方式采用探灌结合的方法加固。 3采空区处理设计 鉴于矿区开采方法及年代不详，空洞分布无规律，地形起伏大，确定采用探灌结合的方
10、法对采空区进行加固处理。 3.1.先导探孔设计 首先探查采空区的范围，采用物探、钻探和收集资料比照的方法，绘制出采空区的范围和深度。物探通过现场岩土状况和地下水埋深等地质和水文情况采用电磁波 CT 法进行探查。电磁波 CT 方法需现场验证，并得到岩土、空洞等的特征值方能大面积应用，因此探孔布置于已知的巷道附近，物探完成后进行钻探验证。 为保证测量精度能满足要求，并结合调查巷道位置和钻探验证需要，探孔间距 20m，行距 1520m，共设置探孔 45 排，全工点布置，探孔布孔间距根据地形地貌可作适当调整，异常较大地段布孔间距应加密。先导孔布置量为设计注浆孔的 2025%，线路中心处一排，线路两侧各
11、布置两排。 先导孔设计深度为地面至采空区底板以下 10.0m。 3.2.间距和孔深 采空区为小硫磺矿，受岩层空洞较小、岩层裂隙及其联系程度较差的影响，钻孔采用正方形错孔布置，间距设计如下： 路基面及路基边坡宽度范围内为 5m5m，路基面及路基边坡范围以外部分为 8m8m。 布孔间距根据探孔分布、发现采空区域位置及大小、地形地貌等可作适当调整，位于采空区域的探孔利用为灌浆孔，异常较大地段布孔间距应加密。 图 1 探孔布置图 Fig.1 Drilling ditribution graph 采空区注浆孔的设计深度为地面至采空区底板以下 3.0m，并确保进入完整灰岩层内不小于 2.0m，注浆孔灌注长
12、度为最上部完整基岩顶面以下 5.0m 至采空区底板的深度。 3.3施工顺序 注浆采用在注浆区两侧设帷幕，待帷幕注浆完成并形成一定的强度后，再对中间区域注浆。设计帷幕孔为两排，分别位于线路左右侧最外侧一排，间距 3.0m。为了验证地质资料准确度和收集适合本工点的注浆参数、单孔注浆量等参数，并为以后施工做指导，设置试验孔，根据试验孔收集的参数指导后续施工。 注浆孔施工按照分序布置，结合部分探孔利用为注浆孔和序次布置方式，先灌注 I 序探明采孔范围内的注浆孔，包括先导探孔，然后再灌注序注浆孔，最后再序注浆孔进行注浆。具体布置如示意图 4.结论 本文通过不同方法分析了小窑采空区的稳定性，对于深厚比小于
13、 40的浅层空洞进行加固处理是必要的。 对缺乏矿区开采资料的小窑采空区采用探灌结合的方法进行加固处理，可以节省工程投资。 图 2 注浆顺序排列图 Fig. 2 Grouting order graph 治理完成后采用钻探和物探等结合方法进行检测，空洞填充达到预期效果，满足上部路基沉降要求。 参考文献： 1铁路工程地质手册 北京：中国铁道出版社 2铁路隧道设计手册北京：中国铁道出版社 3高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册 北京：人民交通出版社 2005 4铁路路基设计手册北京：中国铁道出版社 5 采空区公路设计与施工技术细则北京：人民交通出版社 6铁路工程地基处理技术规程 北京：中国铁道出版社 作者简介：徐增健，1971 年出生，男，工程师从事路基勘察设计。
