乌鲁木齐绕城高速公路施工图设计说明书采空区专题设计Word文件下载.docx

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200-250m

众兴二矿

3、K21+880-K22+280

400

100m

两矿之间采矿变形区

4、K22+280-K22+600

320

170m

曙光六矿

5、K22+600-K22+900

300

志强煤矿

煤矿采空区合计

2010

小窑采空区

1、K23+985-K24+005

20

20-30m

小窑

2、K24+050-K24+070

40-50m

小窑采空区合计

40

露天开采煤矿

1、K21+220-K21+320

100

30m

众兴二矿北侧露天矿

2、K22+680-K22+880

200

八一煤矿预留煤柱被露天开采矿

露天煤矿合计

路线途经采空区路段里程合计

2150

1.3煤矿开采方式

煤矿开采方式：

一般在广场安全煤柱设置主井及地面采煤设施，主井一般设置在煤层的底板。

沿煤层倾向设置石门，沿煤层走向设置水平运输巷道。

路线经过区域煤矿采煤方法为房柱式采煤法，房柱式采煤法为每隔一定距离先采煤房直至边界,再后退采出煤房之间煤柱的采煤方法。

1.4设计基本思路

采空区处理方案的确定主要依据地质资料和路线设计高度与采空区的关系而定。

最终目的是达到：

处治后路基的承载力与变形稳定性，能满足高速公路工程安全使用的要求。

目前，在地下采空区的处治技术方面，国内外尚没有相对完善的技术规程与规范，但在处治构筑物下伏空洞的方面，已有一些成功的实例。

如开挖回填法、跨越法、注浆充填加固法等，其中注浆法应用较广。

高速公路下伏采空区加固方案的选择，不但要考虑采空区的埋深、规模、成因、水文地质工程地质条件、矿的开采方式、开采时间等诸多因素，而且与经济条件、地基条件、道路条件、施工技术等密切相关。

所以各采空区处理方法不具通用性和可比性，要根据采空区的具体特点，通过现场试验来确定。

对于采空区的处治，必须坚持的一个重要原则是坚持动态设计原则，根据现场施工时的实际情况，需要我们对采空区处治措施不断进行优化修正，最终达到采空区处治效果。

1.5采空区处治标段划分

长度（m）

开采深度（m）

处治方案

标段划分

采空区

K19+630-K19+960

310-330

注浆治理

第一施工标段

K21+220-K21+880

200-250

第二施工标段

K21+880-K22+280

两矿间的变形区及乱掘区

第三施工标段

K22+280-K22+600

170

第四施工标段

K22+600-K22+900

志强煤矿（八一）

露天开挖部分采用逐层回填分批注浆方案

露天开采

K22+680-K22+880

30

志强煤矿，原八一矿

K23+985-K24+005

20-30

K24+050-K24+070

40-50

采空区治理第一施工标段桩号为K19+630-K19+960，主要为幸福沙沟煤矿采空区治理设计。

1.6采空区处治方案选择

1.6.1煤矿采空区

本项目所经煤矿采空区基本为急倾斜煤层（倾角大于55º

）采空区，根据采空区勘察及分析可知，拟建线路从煤矿预留安全煤柱上通过，拟建线路大部分处于移动区和变形区，必须经过处理才能满足拟建道路工程要求。

路基抗变形处理方案是采用一定的处理措施处治预留安全煤柱上的浅层窑采空区和固结浅层岩体裂缝和裂隙，使其不发生突然的坍塌、冒落。

同时对该路段的路基路面采用特殊措施处理，增加路基的整体性，减小局部变形对路基的影响，同时增加拟建道路路面结构刚度，避免路面发生突然变形。

通过比选，推荐对于煤矿采空区采用注浆充填+网格地梁格栅处治方案。

为进一步加强路基抗变形、路面抗裂缝能力，在路床底设置一层土工格栅。

1.6.2井洞处理方案

根据勘察成果，在拟建道路穿越沙沟幸福煤矿矿区内，分布有2个井洞，必须进行处理。

对该风井进行回填处理，采用不含有机质的各类废土回填，回填后进行注浆处理。

2.区域地质概况

2.1地形地貌

拟建场地位于米东区铁厂沟，属低山丘陵区，总体地势南高北低，海拨高程在778～893m之间，现区域内存在四带西南至东北向煤田采空塌陷区，局部已回填，可见较多塌陷坑。

2.2地层构成

矿区（含井田及周边地区）出露的地层主要有侏罗系下统八道湾组（J1b）、三工河组（J1s）、侏罗系下统西山窑组（J2x）、第四系（Q3、Q4）。

由老而新分述如下。

⑴、侏罗系下统八道湾组（J1b）

八道湾组岩性一般由灰色和深灰色泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、砂砾岩、炭质页岩夹煤层及菱铁矿透镜体组成。

地层平均厚度766m。

⑵、侏罗系下统三工河组（J1s）

三工河组为灰色、灰绿色泥岩、砂岩不均匀互层，夹粗砂岩、粉砂岩，含植物化石。

并夹薄煤层。

地层平均厚度475m。

⑶、侏罗系中统西山窑组（J2x）

西山窑组为一套以湖沼相～泥炭沼泽相沉积，伴有少量河流相沉积的含煤碎屑岩建造。

岩性一般由灰色和深灰色泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、炭质泥岩等组成。

夹不太稳定的中砂岩及粗砂岩。

本组为该区域主要含煤地层，煤层层数多，厚度大。

地层平均厚度765m。

根据含煤情况，岩相、旋徊特征及煤层赋存特点等可划分为二个含煤段。

①西山窑组下段（J2x1）

岩性一般由灰色、深灰色泥岩、细砂岩互层出现。

下部为灰白色中砂岩夹细砂岩及粉砂岩，中部夹炭质泥岩及煤线。

底部为厚层灰白色中砂岩，全区稳定与下伏地层三工河组（J1s）呈整合接触。

本段地层厚度40m。

②西山窑组上段（J2x2）

岩性由灰色、深灰色、灰黑色炭质泥岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩组成。

中部夹有薄层中砂岩及菱铁矿层，较为稳定。

下部夹薄层炭质泥岩及不稳定中粒及粗粒砂岩。

底部为一套厚层状灰色粉砂岩、细砂岩互层及薄层炭质泥岩。

本段地层厚度525m。

⑵第四系（Q3、Q4）

广泛覆盖于较老地层之上。

可划分为两段。

①上更新统下段（Q31）：

为半胶结及未胶结的砾石层夹透镜状粉砂质粘土层。

一般厚度71～81m。

②上更新统上段（Q32）：

为土黄色的粉砂质粘土及粘土质砂。

厚度5～20m。

③全新统（Q4）：

为杂色的采空塌陷区回填物，主要成分为粉砂质粘土、砂砾石，混杂有大量煤矸石、煤灰及建筑、生活垃圾。

厚度5～100m。

根据探井、钻孔揭露，拟建场地地层主要由①杂填土、②黄土状粉土、③卵石土、④全风化基岩、⑤强风化基岩、⑥煤、⑦微-中风化基岩构成。

现分别描述如下：

①杂填土：

黄褐色、灰色、黑色、灰黑色，在拟建整个场地均有分布，厚度变化较大，厚度0.5-6.0m，局部地区大于10.0m，组成物质杂乱。

主要回填物以建筑垃圾为主。

采空塌陷区回填物，主要成分为粉砂质粘土、砂砾石，混杂有大量煤矸石、煤灰及建筑、生活垃圾。

松散稍湿

②黄土状粉土（低液限粉土）：

黄褐色、灰褐色，在场地内大部分区域有分布，埋深0.5-6.0m，厚0-20m，干强度高，韧性低。

土体中含有较多白色钙质结核及小砾石，可见大孔隙。

摇振反应中等，无光泽反应。

稍密稍湿

③卵石土：

青灰色，在场地内大部分区域有分布，埋深0.5-20m，厚0-50m，亚圆状，一般颗粒2-5cm，最大0.5-1.0m，级配一般，骨架颗粒占60-70%，充填物为中粗砂。

母岩主要为变质岩碎屑，主要成份为石英、长石。

中密-密实稍湿

④全风化基岩：

灰褐色、灰色、灰红色。

整个场地均有揭露，埋深5-70m，以砂岩、泥岩为主，风化剧烈呈土状、碎块状，结构大部分破坏，矿物成分显著变化，岩石质量指标为极差。

⑤强风化基岩：

灰色、灰绿色、灰黄色。

整个场地均有揭露，地质年代属侏罗系西山窑组，岩性为泥岩、泥质粉砂岩、砂岩、炭质泥岩夹煤层，结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙发育，岩体破碎，岩石质量指标为极差。

⑥煤：

灰黑色、黑色。

整个场地均有揭露，受地层产状影响，埋深及揭露厚度均变化很大，地质年代属侏罗系西山窑组，呈沥青-弱玻璃光泽，煤岩成份以亮煤为主，次为镜煤和暗煤，半亮-光亮型，风化裂隙发育，岩体破碎，岩石质量指标为极差。

⑦中-微风化基岩：

灰色、灰绿色、灰黄色，整个场地均有揭露，受地层产状影响，埋深及揭露厚度均变化很大，地质年代属侏罗系西山窑组，岩性为泥岩、砂岩、泥质粉砂岩、炭质泥岩。

结构部分被破坏，风化裂隙发育，岩体为切割成岩块，岩石质量指标为差。

2.3煤层分布情况

1.侏罗系中统西山窑组

侏罗系中统西山窑组（J2x）共含煤29层，编号为17#-46#。

井田地表被第四系全新统冲洪积层覆盖。

工程揭露地层划为侏罗系中统西山窑组，该组总体属于河湖-沼泽相含煤沉积，总厚684m，细划为三个岩性段。

西山窑组下段（J2x1）：

为主要含煤段，岩性组合以细砂岩、粉砂岩为主，夹炭质泥岩。

含41～46号煤层。

地层厚度370m。

西山窑组中段（J2x2）：

岩性组合仍以细砂岩、粉砂岩为主。

含25～40号煤层。

地层厚度182m。

西山窑组上段（J2x3）：

岩性组合以粉砂岩、细砂岩为主，夹炭质泥岩。

含17～24号煤层。

地层厚度132m。

2.侏罗系下统八道湾组（J1b）

工作区发现该地层含3道薄煤层。

2.4水文地质

井田内无常年河流，在西界外铁厂沟溪水自南向北流过，常年有水，溪水面标高为+765～+750m，年均流量134L/s。

井田以东柏杨沟河（溪）为一季节性河溪，大量融雪和雨季时有洪水通过，冬春季有时断流。

平时流量很小仅24～49L/s，年均流量32L/s。

井田边界附近有两条季节性水流，其中碱泉子沟从井田东界通过、平时无水、仅在雨后和大量融雪时有短暂水流。

井田东北角沟底标高+754m，为区内最低侵蚀基准面。

河床宽40～50m，是井田地表洪水和矿井水的主要排泄通道。

铁厂沟东支自南向北流经井田西界，沟谷宽可达100～150m，平时无水流，春洪和雨季有暂时性地表水通过。

河床标高+787～+780m，它是地表洪水的另一个主要排泄渠道。

工作区主要由松散岩土类和碎屑类组成。

根据矿区的具体水文地质条件和工程地质特征，将其划分为二部分。

即第四系松散岩土层和陆源相碎屑岩类。

（1）第四系透水含水层

第四系松散半固结亚砂土和冲洪卵砾石层：

上部亚砂土细而均匀局部含砾石，主要分布于山包阶地之上，厚度在3-40m，下段为灰色砾石层，厚度为0—100m，一般可达35m，由于其含水，划分为含水层。

（2）碎屑岩类含（隔）水层

碎屑岩类包括西山窑组和头屯河组地层，西山窑组岩性为泥炭沼泽相的灰色、深灰色泥岩、炭质泥岩、粉砂岩、细砂岩夹薄层不稳定的中-粗砂岩层。

构成一套细屑为主、粗细相间、旋回式韵律沉积，主要含水层为细砂岩、薄层中—粗砂岩的孔隙裂隙水，特别是胶结不好的砂岩，含水性明显，在向斜南唯一补给源是现河谷，地层中泥岩、炭质泥岩、粉砂质泥岩等属隔水层。

目前受煤层采动影响，煤层与含水层导通后，形成降落漏斗，地下水渗入井下，被人工抽排出煤田，但随着煤矿停采封井，水位将会逐年上升，将对工程构成不利影响。

3.本标段煤田采空区总体情况

3.1沙沟幸福煤矿开采情况

⑴煤田简介

井田范围内现有长山子一号矿、长山子二号矿、长山子三号矿三个矿井，始建于1980年后，现三个矿+485m水平以上以全部采空，采煤方法为房柱式采煤法，各井的开采情况如下。

一号矿：

位于井田东部，东西走向长450～530m，南北宽195m，开采43号和45号二个煤层，井型30kt/a。

现生产水平为+485m，采深约300m。

该矿于2005年底关闭。

该矿现已停产。

二号矿：

位于井田中部，始建于1980年，1981年投产。

东西走向长300m，南北宽250m，开采43号和45号二个煤层，井型30kt/a。

三号矿：

位于井田西部，始建于1993年，1994年投产，东西走向长290～346m，南北宽122～202m，开采43号和45号二个煤层，井型20kt/a。

矿井最终生产水平为+485m，采深约300m。

⑵煤层分布

井田地处七道湾背斜北单斜的东段，总体为一单斜构造，岩、煤层走向65～70°

，倾向北西，倾角76～86°

。

井田内煤层埋藏深度为50m左右，共含煤六层。

自上而下分别为41号、42号、43号、44号、45号、46号。

井田内41号（厚度4.6m）、42号（厚度4.8m）、43号（厚度10.15m）、45号（厚度28.5m）煤层为全区可采煤层。

3.2煤层顶底板围岩

工作区内沙沟煤矿主要可采煤层直接顶底板主要为粉砂岩，根据收集矿区资料综合分析，43号煤层顶板，其抗压强度在天然状态下单向抗压强度为40～25.2MPa，饱和状态下抗压强度仅为9.2-2.5MPa，单向抗拉强度为2.6～2.3MPa，直剪切强度为6.5～4.0MPa。

属不稳定～中等稳定岩层。

3.3采空区顶板管理

井田范围内地表无建筑物，属丘陵荒地，采空区顶板管理采用陷落法即随采随放方式管理，若工作面顶板放不下来，采用强制放顶或超前预爆破的措施处理顶板。

在地表形成了大小不一的塌陷区，塌陷区采取复垦措施、利用固体废物填垫塌陷坑，这样塌陷坑得到治理，同时减少了矸石堆放对井田所在区域土地资源的占用和破坏。

塌陷坑的及时回填对煤柱起到反压作用，有利于减少安全煤柱凌空面，阻止和减缓安全煤柱侧向垮塌和变形。

４.煤矿预留安全煤柱情况

通过收集的幸福煤矿安全煤柱资料显示，该安全煤柱均煤矿工业广场，其偷采、超采的可能性较小，安全性较高。

通过物探勘察以及钻孔验证等地勘手段进一步探明了煤矿安全煤柱的宽度及留设情况，路线尽量从安全煤柱中心布线，最大限度降低安全隐患。

采空区路线与安全煤柱关系表4-1

收集资料反映安全煤柱顶宽度（m）

勘察安全煤柱顶宽度（m）

路线中线与安全煤柱关系

140

100～120

路线左侧50-80m、路线右侧40-70m为安全煤柱。

辛福沙沟煤矿位于七道湾背斜北翼，岩层产状北倾，倾角为75°

-85°

覆盖层岩性以卵漂石为主，厚度为50~90m。

井田内煤层具有煤层厚度大、埋藏深的特点。

煤矿采深310m—330m。

5.岩土工程条件评价

5.1场地稳定性评价

5.1.1断裂评价

工作区地处准南煤田东南部，为天山纬向构造体系二级构造带中的次级褶皱、断裂带中。

由于受燕山运动及喜玛拉雅运动的强烈影响，致使本区褶皱断裂发育。

本区构造应力主要来源于南北向的压应力，因而形成了向西倾伏、向东翘起的七道湾背斜和八道湾向斜。

背斜北翼被F2大断裂切割，上盘形成北单斜。

F2走向断层从沙沟煤矿南部边缘通过，断层与地层产状基本相同，倾角75°

左右。

上盘上升，下盘下降，落差约65m，该断层造成地层松软、破碎，岩体节理、裂隙发育。

5.1.2场地土类型、场地类别划分

根据现场勘察及波速测试成果，拟建场地地层主要由第四系覆盖层和下伏侏罗系基岩构成，覆盖层厚度>

5.0m，等效剪切波速平均值>

250m/s，综合判定为中硬场地土，Ⅱ类建筑场地。

5.1.3抗震地段的划分

根据煤层采空区稳定性评价，在拟建场地内，破坏移动区属抗震危险地段，移动区、变形区属抗震不利地段，稳定区属可以进行建设的一般地段。

5.2场地岩土评价

场地大部分地区均有分布，组成物松散、杂乱，采空塌陷区回填物，主要成分为粉砂质粘土、砂砾石，混杂有大量煤矸石、煤灰及建筑、生活垃圾。

力学性质较差，未经处理不可作为道路路基，不可作为建（构）筑物天然地基。

整个场地均有分布，层位稳定，力学性质一般，经处理后可作为道路路基和建（构）筑物天然地基。

大部分场地均有分布，层位较稳定，力学性质好，可作为道路路基和建（构）筑物天然地基和持力层。

整个场地均有揭露，风化剧烈，力学性质一般，可作为为道路路基持力层。

整个场地均有揭露，风化剧烈，力学性质较好，可作为建（构）筑物天然地基。

整个场地均有揭露，埋深及厚度变化较大，岩体基本质量级别为

级，力学性质一般，可作为为道路路基持力层。

整个场地均有揭露，力学性质良好，为良好的下卧层。

6.采空区治理

6.1施工条件及主要材料

1.交通：

路线穿越幸福沙沟煤矿工业广场煤柱，场地南侧为X144（沟通铁厂沟与柏杨河的三级公路），场地内也有一些煤矿企业的简易道路可通行各类车辆。

2.通讯：

有电话电缆经过场地，具备安装电话的条件。

3.居住条件：

现场有煤矿企业的房屋可租用，以有空场地可自行建设临设。

4.施工用电：

场地内有煤矿企业的用电设施，并建议自备备用电源。

5.施工用水：

场地内水资源紧张，建议与煤矿企业或地方水务部门协调解决水源问题。

6.粉煤灰：

经对国电红雁池发电有限公司二厂粉煤灰灰坝的调查及现场取样检验，该灰坝粉煤灰的质量和存量基本满足本工程需要，运距约50km。

7.水泥：

设计推荐采用32.5R复合硅酸盐水泥，可根据施工试验段实际情况调整，要求水泥标号32.5以上。

距现场30km左右仓房沟有天山水泥厂。

6.2总体要求

采空区处理方案的确定主要依据地质资料（现有的物探、钻探资料）和路线设计高度与采空区的关系而定。

采空区处理设计总原则为：

处治后路基的承载力与变形稳定性，应能满足高速公路工程施工的要求，且保证在公路设计使用年限内，不发生超过高速公路规定的允许地基变形界限值和强度破坏。

1.充填固结注浆主要针对路基加固范围内的采空区、岩体裂隙进行处理；

2.帷幕注浆主要针对路基加固边界的采空区、岩体裂隙进行处理，形成帷幕；

3.钻孔作业包括先导孔、注浆孔、检查孔的钻孔，以及钻孔和注浆所必需进行的钻取岩芯和试验、钻孔冲洗、注浆前下套管等全部钻孔作业。

4.注浆浆液类型采用配制的稳定浆液。

注浆方式一般采用上行式，即自下向上分段纯压式注浆和孔口封闭纯压式注浆相结合的综合注浆法；

5.总体要求涉及的试验标准应按照公路、水利等有关规范、标准执行。

6.3治理目的

注浆的主要目的是固结由于基岩变形引起的裂缝和空隙，同时充填局部地段小窑采空造成的空洞。

铁厂沟煤矿预留煤柱岩性为泥岩、砂岩、泥质粉砂岩、炭质泥岩，结构部分被破坏，风化裂隙发育，岩体被切割成岩块，岩石质量指标为差。

通过注浆，封堵岩体不连续面（主要包括裂隙、岩层层面、断层等），注浆后，依靠浆液的渗透力把岩体结构面黏结在一起，使岩体完整性增加；

同时，浆液在化学反应进程中，某些化学剂与岩土中的元素进行离子交换形成新的物质，增加固结岩土的结构强度。

提高路基的整体性和稳定性，确保公路安全使用。

6.4设计依据

（1）《乌鲁木齐绕城高速公路（东线）铁厂沟煤田采空区施工图设计阶段专门岩土工程勘察报告》；

（2）《水工建筑物水泥注浆施工技术规范》（DL/T5148-2001）；

（3）《注浆技术规程》（YBJ44-92）；

（4）《水泥基灌浆材料应用技术规范》（GB/T50448-2008）；

（5）《公路路基设计规范》（JTJD30-2004）；

（6）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）；

（7）《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89）；

（8）《大坝岩土基础注浆施工》水利电力出版社；

（9）《锚固与注浆技术手册》（中国岩石力学与工程学会岩石锚固与注浆技术专业委员会）；

（10）《地下建筑注浆简明手册》科学出版社；

（11）《地基处理手册》（第三版）；

（12）《建筑物、水体、铁路及主要并巷煤柱留设与压煤开采规程》（煤炭工业出版社）；

（13）《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-1999）；

（14）《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175-1999》；

（15）《水工混凝土施工规范》（DL/T5144-2001）；

（16）《水工混凝土外加剂技术规程》（DL/T5100-1999）；

（17）《工业硅酸钠》（GB/T4209-2008）；

（18）《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T1346-2001）；

（19）《水工混凝土试验规范》（DL/T5150-2001）。

（20）《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/TD31-03-2011）。

6.5参考资料

⑴高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册（山西省交通厅、中交通力公路勘察设计工程有限公司）

⑵《大坝岩土基础注浆施工》水利电力出版社

⑶《锚固与注浆技术手册》（中国岩石力学与工程学会岩石锚固与注浆技术专业委员会）

⑷《地下建筑注浆简明手册》科学出版社

⑸《地基处理手册》（第三版）

⑹《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》煤炭工业出版社

6.6注浆治理方案设计

6.6.1设计原则

⑴功能性原则；

针对工程目的和要求，注浆方案的可用性，可靠性等功能要求。

⑵适用性原