煤矿采空区是指煤矿因地下开采空间围岩失稳而发生位移、开裂、破坏垮落，直至上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的区域与范围。采空区类型、稳定性现状、道路等级、道路对不均匀沉降的敏感程度是确定采空区地基处理方法的关键。优化采空区地基处理，增强采空区工程建设场地的稳定性是煤矿采空区建设的新课题。
1工程概况
晋煤运矸道路位于晋城市城区北石店镇，道路西端起于晋高一级路，东端至于畅安路，属于次干道。道路总长2550m，该道路工程采空区勘察报告表明，沿道路里程K0+000～K0+220段、K0+420～K0+720段、K0+800～K1+300段，长度1020m范围存在3号煤层采空区3个;15号煤层采空区1个。3号煤层埋深在30m～50m，厚度约5m，9号煤层埋深在70m～100m，厚度约1.3m，15号煤层埋深在100m～130m，厚度约2.5m(见表1)。
2采空区地基稳定性评价
2.1临界深度法稳定性分析
根据《工程地质手册》第五版中关于小窑采空区地基稳定性临界深度经验公式计算临界深度H0。H0=Bγ+B2γ2+4BγP0tanφtan2(45°其中，巷道宽度B取2.5m，顶板重度γ取20kN/m3，岩层的内摩擦角取75°，基底压力取220kPa，根据经验公式计算临界深度H0为45.6m。由煤层顶板埋深H与临界深度H0的关系，根据GB51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范(2017年版)，结合煤矿开采经验，定性判断3号煤层顶板不稳定，9号煤层、15号煤层顶板稳定(如表2所示)。
2.2剩余变形值法稳定性分析
根据GB51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范(2017年版)，通过计算地表最大下沉值、最大倾斜变形值、最大曲率变形值、最大水平移动值、最大水平变形值，结合地区经验估算采空区地表移动剩余变形值，从而分析采空区道路地基的稳定性。其中，m为煤层开采厚度;q为下沉系数，取值与顶板管理等因素有关，下沉系数取值范围0.01～0.95，根据地区经验取0.50;α为煤层倾角，取值为5°。根据地区经验采空区地表移动剩余变形值取最大变形值的1/2，估算主要剩余变形值(见表3)。根据GB51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范(2017年版)表12.2.4按地表剩余变形值，结合地区工程经验综合判断:3号煤层采空区地基不稳定;9号和15号煤层采空区地基为基本稳定。通过顶板岩层临界影响深度判别法、采空区剩余变形值估算法综合分析，晋煤运矸道路下伏3号煤层采空区地基不稳定，9号煤层和15号煤层采空区地基为基本稳定。因此3号煤层采空区的地基需要处理。
3采空区地基处理设计工法选用
3.1设计原则
以路基为核心进行治理，本着科学、经济、合理对道路采空区处理采用以下原则。动态设计、信息化施工的动态管理原则。采空区治理后满足道路工程对地基稳定性要求的原则。治理后不再发生较大变形，以保证路基安全运营的原则。因地制宜的采用工艺成熟、技术先进的采空区治理方法，最大限度节约投资的原则。
3.2工法选用
采空区地基处理方法的选用直接关系到运矸道路的工程造价、工期和安全问题。由于3号煤层埋深40m，不属于浅部采空区，若采用剥挖回填，采空区开挖后，周围还需要设置防火墙，以防止采空区煤层自燃着火，该工法施工难度大，工程造价相对较高;道路路基的受力特点不适合采用桩基穿越采空区。在道路采空区处理设计原则的思想内涵指导下，依据煤矿《矿山开采沉陷学》理论及煤矿“三下”采煤经验，结合晋城地区采空区处理工程经验，考虑建设工期、路基受力特点及道路安全运营对地基处理的要求，根据道路区段煤矿采空区地质条件、覆岩垮落类型、地表变形特征、水文地质条件、环境保护要求，采用工艺成熟的全灌注充填法处理晋煤运矸道路工程采空区路段。即在勘察资料确定的采空区路段范围内按照一定孔距和排列方式布置钻孔，钻至煤层采空区3号煤层底板，由下至上对单层采空区灌注充填，通过灌注系统将水泥粉煤灰混合液注入采空区及其上覆岩层的裂隙中，使复合浆液充分充填采空区的冒落带、裂隙带。浆液与冒落带岩块经过固化胶结形成具有一定强度的结石体，并对结石体上覆岩层形成支撑作用，进而阻止岩层的进一步冒落，防止地面因冒落而引起过大沉降变形，保证道路路基地基稳定。
4采空区地基处理设计优化
4.1处理范围优化
《晋煤运矸道路K0+000～K2+550.25段采空区勘察报告》表明:治理区域内煤矿采空区均为非正规的小窑房柱式开采，根据GB51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范(2017年版)表3.0.1、附录A.0.1，确定运矸道路地基处理等级为甲级，围护带宽度为20m，由下列公式确定治理宽度L。其中，D为路基底面宽度，取30m;B为路基围护带一侧宽度，取20m;h为第四系松散层厚度，取23m;H为覆岩厚度，取17m;ψ为松散层移动角，取45°;δ为走向方向采空区上覆岩层移动影响角，取75°。由上式确定的处理宽度为125.1m，路基每侧需外扩47.55m。由于建设投资控制及两侧外扩范围受场地影响，根据晋城地区小窑采空区同类工程经验，采空区地基处理等级为甲级的，保护边线至少距离建构筑物边线20m;结合《公路路基设计规范》运矸道路等级，对治理宽度进行优化，优化后路基每侧保护范围为19.35m，道路中心线两侧各34.35m为采空区路基治理边界，即总治理宽度为68.7m(见图1)。依据《晋煤运矸道路采空区勘察报告》，治理里程桩号为K0+000～K0+220，K0+420～K0+720，K0+800～K1+300，总长度为1020m。
4.2灌注量估算
在确定的采空处理范围根据GB51180—2016煤矿采空区建构筑物地基处理技术规范中4.2.4公式，结合地区经验选取合理的工艺参数，估算灌注量。其中，τ为灌注量损耗系数，取1.2;S为采空区治理面积，m2;M为采出煤层法向厚度，3号煤层平均采厚5.0m;N为煤层回采率，据勘察资料，结合地区经验取20%;n为采空区剩余空隙率，据勘察资料，结合地区经验取85%;η为充填系数，地区经验取0.85;c为浆液结石率，地区经验取80%;α为煤层倾角，取0°。采用地区经验优化后，治理面积为70074m2，剩余空隙体积为59562.9m3，灌注量为68497.34m3(如表4所示)。
4.3灌注充填注浆钻孔设计
钻孔分为帷幕钻孔和充填注浆钻孔，孔深平均为47m，共布设6排钻孔，沿轴线方向对称分布，其中内侧四排为充填注浆孔(梅花形布置)，与道路中心轴线垂向距离分别为7.5m，21m，孔间距18m;外侧两排帷幕孔与道路中轴线垂向距离各为34.5m，孔间距12.5m，与相邻充填注浆孔排间距为13.5m(见图1)。开孔孔径146mm，钻进至稳定基岩3m后，孔内下入114mm的套管，套管与钻孔孔壁间用水泥砂浆封闭固管以防止浆液从孔壁溢出，待固管水泥浆终凝后使用91mm钻头继续钻进，钻至3号煤层采空区中的塌陷冒落带或煤层底板以下1.0m后终孔。
5灌注充填质量控制
注浆材料:浆液要满足流动性、稳定性、结石抗压强度、凝结时间等多种性能要求。制浆完成后需进行各种试验测定其性能指标。浆液配比为1∶1～1∶1.2，水泥、粉煤灰固相比3∶7。粉煤灰质量符合GB1596—2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰Ⅱ级标准。水泥采用强度不低于32.5MPa的硅酸盐，质量符合国家GB175—2007/XG1—2009通用硅酸盐水泥标准。骨料采用天然砂，粒径不大于2.5mm。骨料约为水泥粉煤灰质量的20%，速凝剂采用水玻璃，模数为2.4～3.4的水玻璃溶液，浓度大于50°Be'掺加量为水泥总重量的2%。
5.1分序间隔灌注充填
为了保证采空区路段灌注浆液充填的效果，减少灌注浆液扩散流失，首先施工边缘两侧帷幕孔，通过帷幕钻孔灌注水泥粉煤灰混合浆液(携带骨料)，形成止浆帷幕有效隔离注浆区域;然后施工中间灌注孔，使浆液在有效的范围内流动灌注采空空隙，从而使采空区的冒落带、裂隙带与浆液形成结石体，支撑上覆岩层，以控制路基总体变形，保证路基稳定。在进行帷幕钻孔与内部灌注孔灌注充填时按序次“分序间隔”成孔，依前序次灌注充填情况，动态调整后序次的灌注施工。
5.2过程质量控制
由于实际采空区范围与钻孔揭露的采空区可能存在偏差，注浆过程中可能出现异常情况，合理分析预判的不同情况，采取应对控制措施确保注浆质量。当地面或孔壁与灌注管间冒浆时，及时调整灌注压力，采用间歇式灌注法;当岩体破碎、裂隙发育，采用低压浓浆、添加速凝剂和骨料、间歇灌注控制浆液过量流失到非灌注路段。当钻孔间连通性好时，采用两相邻钻孔同时灌注以控制浆液窜孔进入其他钻孔。当灌注压力保持不变，单位吸浆量减少，或当单位吸浆量不变而压力持续升高时，通过稳定水固比保证注浆质量。在单孔灌注末期采用连续灌注杜绝间歇式注浆，以保证采空范围地下空洞及裂隙带的灌注质量。
6结语
在晋煤运矸道路工程采空区处理设计过程中，通过与建设单位多次沟通收集采空区资料，认真学习勘察资料，根据采空情况参考地区经验优化地基处理范围预估灌注充填工艺参数。在灌注充填过程中与施工单位多次沟通，根据反馈信息对注浆参数调整，真正实现“动态设计、信息化施工”的内涵。晋煤运矸道路灌注充填结束后经第三方机构进行质量检测，检测资料表明裂隙及孔洞充填情况良好，提高了路基整体刚度，减少了剩余变形量。钻孔取芯结石体抗压强度、剪切波速、充填系数满足规范要求，符合验收标准。晋煤运矸道路目前已经安全运营两年之多，路基路面未发现较大变形，运营良好。
参考文献:
[1]GB51044—2014，煤矿采空区岩土工程勘察规范(2017年版)[S].
[2]GB51180—2016，煤矿采空区建(构)筑物地基处理技术规范[S].
[3]GB50021—2001，岩土工程勘察规范(2009版)[S].
[4]建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范[S].
[5]JGJ79—2012，建筑地基处理技术规范[S].
[6]《工程地质手册》编委会.工程地质手册[M].第5版.北京:中国建筑工业出版社，2018.
《晋煤运矸道路采空区治理优化设计》来源：《山西建筑》，作者：赵艳玲
