摘 要:煤矿采空区即地下采矿所形成的空洞,是一种不良的地质现象,它往往破坏和削弱其上覆岩土层的稳定性,使其产生变形,直至崩塌、塌陷等,对上方建筑物造成危害。高速公路穿越煤矿采空区的问题是近年来公路建设中经常遇到的技术难题,文章以青岛—银川国道主干线离石—军渡段高速公路为工程背景,对高速公路下伏采空塌陷区的处治进行了检测研究。

　　山西是煤炭大省,在全省范围内分布着众多煤矿,经过多年的开采,在地下形成了大大小小的采空区,随着山西省高速公路建设的发展,越来越多的路段不可避免的要经过煤矿采空区。由于采煤对地层结构的破坏,导致采空区上覆岩层在重力作用下产生冒落、塌陷,并在地表出现大面积变形、裂缝、沉陷坑等现象,严重影响和破坏高速公路的建设和正常运营。因此,在工程可行性研究阶段就应该高度重视,应进行专项研究,以消除后患。

　　文章以青岛至银川国道主干线离石—军渡段高速公路为工程背景,对高速公路下存在煤矿采空区的大雨亮隧道、矾水沟大桥、闫家条隧道、师婆沟隧道、康家沟大桥和庙梁隧道的下伏采空塌陷区的处治进行了检测和研究,主要以超声波检测为主,结合钻孔取芯、孔内电视、压力注浆等现场试验方法,检查采空区注浆处治的效果,对煤矿采空区的治理提出了合理的建议。

　　1 工程治理概况

　　1.1 工程概况

　　拟建高速公路是青岛—银川国道主干线山西省离石—军渡段高速公路位于山西省柳林县境内的组成部分,沿线地形起伏大,线路全长约38.542 km。经分析及稳定性评价,其中需要治理的煤矿采空区有4处,采空区影响线路总长度5.21 km。钻探总进尺141 141 m,注浆总量302 999 m3。

　　1.2 煤矿采空区概况和特征

　　根据施工图设计阶段工程地质勘察,沿线分布有10个煤矿,其中青龙煤矿、同德煤矿、师婆沟煤矿及康家沟煤矿采空区需做处治。其煤矿分布见图1。

　　2 注浆效果超声波检测

　　该段采空区采用全充填压力注浆法,即在地表打孔,通过压浆泵、注浆管,将水泥粉煤灰浆液注入采空区及其上覆岩体裂隙中,浆液经过固化,胶结岩层裂隙带,同时,采空区内的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用,阻止上覆岩层的进一步冒落,防止因冒落而引起的地面沉陷变形,保证桥隧的稳定。

　　在注浆施工结束6个月后,由业主组织,选择桥涵、桥梁、地形、地貌变化等有代表性的注浆区地段进行布孔检验。检查孔按施工灌浆孔数的2%布置,在有疑点的部位共布置检查孔51个,孔深为地面至采空区底板的深度,对这些检查孔进行以超声波为主的检测。

　　2.1 超声波测试原理

　　采用超声脉冲波检测混凝土结构缺陷的基本原理是,利用脉冲波在技术条件相同的混凝土中传播的时间(或速度)、接收波的振幅和频率等声学参数的相对变化,来判定混凝土的缺陷。由于超声脉冲波传播速度的快慢,与混凝土的密实程度有直接关系,对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说,若超声波通过的速度快,首波信号的波幅和频率大,则混凝土密实,相反则混凝土不密实。由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率,脉冲波在混凝土中传播时,遇着蜂窝、空洞或裂缝等缺陷,便在缺陷界面发生反射和散射,声能被衰减,其中频率较高的成分衰减更快,因此接收信号的波幅明显降低,频率明显减小或者频率谱中高频成分明显减少。再者经缺陷反射或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差,叠加后互相干扰,致使接收信号的波形发生畸变。根据以上原理,可以利用混凝土声学参数测量值和相对变化综合分析、判别其缺陷的位置和范围,或者估算缺陷的尺寸。

　　2.2 物理特性

　　注浆材料为水泥粉煤灰浆,在采空区被充填的情况下,纵波速度Vp>1 500 m/s;如果采空区未被充填,那么纵波速度Vp<

　　1 500 m/s。因此,纵波速度1 500 m/s是判断采空区是否被充填的一个重要指标。纵波速度愈大,说明充填物的强度愈高。

　　由于煤层被采空后,均伴有岩层垮塌和变形,因此在岩体中存在有很多裂隙。裂隙的存在导致纵波速度值减小,若岩体裂隙被水泥粉煤灰浆充填

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