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复杂老采空区注浆治理充填效果评价探讨

2023-07-06 28 上传者：管理员

摘要：受煤矿老采空区影响的高层建筑场地，多方法开采陡倾煤层形成老采空区，场地地面沉陷区积水，下伏采空区处于充水状态，采空区经注浆充填法治理，充填效果直接决定采空区地基是否“活化”,影响场地的稳定性从而决定工程的整体质量和安全性耐久性，以采空区注浆治理充填效果评价为研究对象，通过场压浆系数比对分析进行评价研究，对于同类复杂采空区有必要考虑进行多次补充注浆，为类似项目提供了很好的借鉴。

关键词：
下伏复杂老采空区
充填效果
治理工程
注浆治理
高层建筑场地
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在过去的几十年中，地下资源的开采对国民经济的发展做出了巨大贡献，大规模的地下开采形成了大范围的采空塌陷区[1,2]。近年来，随着基建活动的增多和土地资源的减少，使得部分建筑不得不修筑在复杂老采空区影响范围内，该类采空区已经开采完毕或者停止开采已持续数十年，地下空洞没有被填充或处理，煤矿工作面留下的空洞和走向巷道复杂，对周围环境和土地利用产生较大的影响和威胁。现代工程中，高层建筑物对变形要求十分严格，复杂老采空区的充填率将直接影响场地的稳定性。本文基于高层建筑下伏复杂老采空区场地条件，采用多次压浆试验，进行注浆治理后压浆比及充填率的充填效果评价研究。

1、场地情况及充填治理工程

1.1工程概况

某场地占地面积8 ha,拟布设建筑10栋，包括4栋26F住宅楼、2栋20F住宅楼、3栋24F住宅楼、1栋3F幼儿园、1F地下车库，楼号与层高分布见表1,平面示意图见图1。高层拟采用桩筏基础，剪力墙结构；多层采用筏板基础，剪力墙结构。

表1楼号与层高分布表导出到EXCEL

1.2煤层采掘情况

场地下伏3号煤层采空区，煤层开采方式为房柱式开采和走向长臂法开采。房柱式开采时间为1959年—1964年，采深34 m～178 m,采厚4.0 m～5.2 m,煤层倾角39°～44°,回采率约35%～50%。长壁式采空区，开采时间为1973年—1974年，采深175 m～355 m,采厚4.0 m,倾角37°～42°。

1.3场地条件分析

以终采时间计算，场地所处的房柱式及长壁式采空区均属于年代久远、不再维护的老采空区。该场地下伏煤层倾角在40°左右，属陡倾煤层，采空区埋深为34 m～355 m。经稳定性评价，在建筑荷载下埋深超过300 m的采空区不会重新“活化”。该区域地表水系发育、场地地下水位埋深约4.5 m,受采空裂隙影响存在地表水与地下水连通情况，采空区处于充水状态。该场地煤层顶板软、底板软、煤层软(即“三软”采空区场地),不仅自然状态稳定性较差，而且采空后煤层顶底板与矿房煤柱极易变形。在地下水的作用下，地下采空空洞与矿房间煤柱发生变形后，直接导致采空区稳定性极差。因此，本场地为全充水状态下陡倾煤层“三软”复杂老采空区，宜采用充填注浆治理方案，改善场地地质条件，防止采空区在建筑荷载作用下“活化”。

1.4采空区充填治理设计、施工主要参数

本场地采空区总治理面积249 660 m2,其中房柱式开采采空区治理面积125 988 m2,治理深度为34.3 m～300.0 m,设计充填率为85%。

治理工程完成注浆孔444个，注浆量72 901 m3。场地注浆孔单孔平均注浆量为164 m3。

2、充填效果评价手段及评价指标

2.1评价方法及完成的主要工作

充填效果评价手段较多，本场地注浆充填效果评价结合现场实际采用钻孔取芯、孔内压浆、孔内电视、结石体试验等综合评价方法，完成取芯孔27个，占场地施工总孔数的6.1%,压浆孔44个，占场地施工总孔数的9.9%,充填效果取芯孔布置图见图1,采空区纵断面分析图见图2,孔内电视、结石体试验选取有代表性的取芯孔进行，孔内电视窥视效果图见图3。

2.2充填效果评价内容及指标

充填效果评价主要包括：1)通过钻探取芯进行客观定性评价注浆充填施工质量；2)通过对发生掉钻或冒落、大量漏浆的钻孔进行压浆试验，并与场地原注浆量进行比较，属于定量评价。

考虑到场地采空区埋深变化大，各楼栋范围内采空区顶板条件差异较大，本项目最终评价目标拟按每个楼栋作为一个单独的评价单元进行评价。

根据设计文件充填率85%的处治设计目标，残留孔隙率为15%,即最大合格压浆量应不超15%,单孔平均最大合格压浆量上限值Q单孔上限=164 m3/孔×15%=24.6 m3/孔。

3、注浆充填效果评价

本场地属于非均匀、非连续变形的复杂老采空区场地，评价全过程与补充注浆施工交叉进行，以压浆充填率是否达到设计要求为合格标准，即压浆充填率不小于85%为合格；压浆充填率小于85%为充填不合格。场地压浆量为现场压浆试验取得的数据。本场地注浆试验共经历3个批次。

3.1第①次压浆试验及结果分析

第①次于2021年2月25日进场，以钻孔取芯评价为主，并对全部楼栋进行压浆试验，根据压浆结果初判部分楼栋注浆充填存在缺陷，施工方按照建设单位要求进行了补充注浆。

第①次注浆试验场地充填率及压浆试验比计算：

其中，∑Q施单孔均为施工单孔平均注浆量，m3,∑Q施单孔均=(Q施1+Q施2+…+Q施A)/A;∑Q①检为第①次压浆孔压浆总量，m3;∑Q检=(Q①检1+Q①检2+…+Q①检a①);ε为压浆试验比，%;η为充填率，%;b为返水未压浆孔数，个；A为楼栋区施工孔数；a为第①次压浆孔数。

压浆试验分析项

楼栋及评价分析计算结果

表5西区六栋楼与地库第②次压浆试验比、充填率计算分析表导出到EXCEL

由表6分析得出，本采空场地内东西区18号楼、23号楼、25号楼、26号楼、28号楼、30号楼和地库压浆试验评价均已满足设计要求，且场地综合压浆试验结果达到设计要求。

根据3个批次的压浆试验计算取得的充填率，经第①批次压浆后，场区有16号楼、25号楼、26号楼、28号楼、地库等不满足设计要求；经第②批次补充注浆与压浆试验后，仍有26号楼、28号楼、30号楼不满足设计要求；经第③批次补充注浆与压浆试验后，26号楼、28号楼、30号楼与地库均已满足设计要求。3个批次结果对比见表7。

表7各楼栋、地库第①②③次压浆试验充填率计算结果对比表

通过压浆试验反映出，抽检孔压浆试验结果仍具有较大的变化，比如30号楼第①批次3个压浆孔试验结果已满足设计要求，但第②批次2个压浆孔的试验结果又有较大的变化，显示该批次压浆孔的充填率较低，说明场地范围注浆充填仍存在一定的不均一性。

4、结语

评价研究阶段充填率较施工阶段降低的原因分析：

1)伴随地下水位的升降变化，浆液胶凝体被地下水搬运至更稳定的其他与之联通的有孔隙的场地，导致已被充填的孔隙可能再次还原为空洞孔隙。

2)因地下水对水泥的水化作用，造成水泥基体的绝对体积减少，以上原因可能造成评价期充填率低于前期充填率。

在今后的工程实践中，对于充水、“三软场地”、建筑物变形要求严格等条件下的复杂老采空区场地，在设计阶段有必要考虑进行多次补充注浆。

参考文献：

[1]张永波老采空区建筑地基稳定性评价理论与方法[D].北京:中国建筑工业出版社, 2006.

[2]张德成,李维,代亚某煤矿老采空区地基稳定性评价[J].山西建筑, 2021.47(4):54-57.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部,国家质量监督检验检疫总局.煤矿采空区建(构)筑物地基处理技术规范: GB 51180- -2016[S].北京:中国计划出版社, 2017.

文章来源：刘新文,李彦斌,史江钰.复杂老采空区注浆治理充填效果评价研究[J].山西建筑,2023,49(14):96-99.