0 引言

　　我国中东部产煤区经过多年的资源开发，形成了大量的时间不同、分布广泛、深浅不一、形态各异的煤矿采空区，加之资源枯竭或“去产能”使大量矿山关停，也使采空区上部大量土地失去了开发建设功能，这种现象在煤炭资源型城市尤为突出^[1,2]。上述地区城镇化发展对土地的需求不断增大，越来越多的采空区地表进入用作工业和民用建筑用地，这也是当前煤矿塌陷区治理与综合利用的重要模式^[3]。

　　煤矿采空区治理和地表用作建设用地，需要经过勘察、评估、治理、检测等程序，是一个科学评估和治理的过程。很多研究者对煤矿采空区地表用作建筑场地适宜性评价做过系统阐述^[4,5]，这只是采空区治理设计与施工的基础。建(构)筑物下采空区治理目前采用最多的方法是地面注浆充填，应用中设计与施工常过于笼统和简单，或造成工程浪费，或治理效果不彻底，以致二次、三次治理。本文以拟建(构)筑物下采空区治理为研究对象，对地面充填治理设计和施工进行分析探讨，并结合应用案例介绍治理效果。

　　1 概述

　　地面充填是采空区治理最常用的技术，简言之就是在治理范围内，以地面打钻的方式揭露并沟通采空区，并通过钻孔把浆液、骨料等输送到采空区内，并使其在一定范围内有效扩散并密实，待其固结并达到性能要求后即完成治理，实现深部地基稳定，使地表达到建设用地要求。这种地面打钻充填的治理方法多适用于中部、深部采空区治理，浅部采空区如果处于常规地基处理深度范围内，则可采用开挖回填、打桩等方式进行处理^[6]。

　　已有的采空区地面充填治理工程项目多有“重施工、轻设计”的特点，常常由于缺乏勘察资料等原因使设计流于形式甚至直接施工，而施工中又未能重视和发挥钻孔施工补勘的作用，不仅缺乏对条件的探查，也忽视了治理的功能设计，没有科学划定治理范围，没有遵循“动态调整”的施工原则，最终使工程质量和经济性受到很大影响。

　　2 功能设计与治理范围

　　2.1 治理功能设计

　　采空区治理首先要确定治理要求，进行功能设计，这主要包含结构治理要求和强度治理要求两个方面，二者均由采空区形态和拟建建(构)筑物条件共同决定。采空区形态一般包括采空区的覆岩条件、采煤方法、发展阶段等;建(构)筑物条件一般为使用要求、基础形式、荷载条件等。

　　1)从结构上分析，充填治理就是在“采空区系统”^[4]内部构造稳定支撑，使充填体(含垮落体)与煤柱、底板、覆岩构成支撑共同体，实现建(构)筑物下采空区系统稳定，确保其深部地基的长期稳固。这一要求体现在工程设计上就是全充填设计理念和半充填设计理念。(1)全充填设计也称为饱和充填，是在足够多的钻孔条件下，将采空区内空洞和塌落体间隙完全进行充填，实现治理目的，这种设计方法往往会降低经济性。(2)半充填设计也称为部分充填，是在充分掌握采空区形态特点基础上的充填设计，在有效控制充填材料扩散范围的前提下，以充填固结体构造“充填单元”或“支撑柱”的形式实现“采空区系统”的稳定，这是一种优化设计方法。

　　2)从强度上分析，充填材料进入采空区后，须具有一定的固结强度和承载力，形成对覆岩结构的有效支撑，才能保证“采空区系统”的稳定，满足治理要求。

　　上述采空区治理的功能设计，在相关资料详尽时可通过计算确定，但由于采空区形态的复杂性和工程质量的严格性，实践中多以经验和类似工程为参照，结构要求设计多采用全充填理念，强度要求设计也偏于保守。

　　2.2 治理范围确定

　　建(构)筑物下采空区的治理是有范围要求的，这既是技术问题，也是经济问题。治理范围包括平面和深度两个维度，其中平面范围通常参照建筑物下开采保护煤柱留设方法确定，深度范围要根据建筑物附加荷载影响深度和采空区形态确定，方法简述如下。

　　1)平面治理范围(1)在平面图上根据拟建建(构)筑物角点、轮廓、煤层倾向和走向、围护带宽度要求等，确定建(构)筑物受护边界(也是保护范围);(2)根据受护边界按照岩(土)层移动角采用垂直剖面法、垂线法等计算确定采空区的治理范围边界;(3)根据工程实际划定最终平面治理范围。

　　2)深度治理范围深度范围包括底界和顶部2个深度值，底界通常把经评价确定的最下一层目标采空区的底板作为处理范围的底界，垮落带包含其中;顶部根据导水裂隙带发展高度、建筑物附加荷载影响深度和覆岩条件确定。一般来说，如果采空区导水裂隙带发育高度进入表土或松散基岩，则应纳入治理范围;如果采空区弯曲带离层现象明显，施工时应适当处理。

　　3 充填体强度设计与材料选择

　　3.1 强度计算

　　按照采空区稳定理论，垮落的岩石(接顶)与上覆岩层、煤柱共同构成采空区稳定的支撑体系，充填材料进入“采空区系统”后实现“接顶”，也成为系统中承接上部荷载的支撑部分。充填体强度概念具有两重含义:一是充填材料本身(如浆液)的固结强度，二是充填体的复合强度;后者一般高于前者，设计常按前者考虑。

　　以中、浅深度采空区为例，充填体的强度设计值f_c可以用下列经验公式进行估算:

　　式中:σ为强度计算值(MPa);M为材料强度系数，取2～3;k为充填饱和率(充填系数)，取0.5～1.0;γ为覆岩平均容重，一般取20～25kN/m³;H为采空区埋深，≤100m时按实际深度取值，>100m时取100m;n为建筑荷载深度影响判别系数，取值范围为0.05～0.15。

　　以50m埋深采空区为例，M取2.0,k取0.75，γ取20,n取0.1，则f_c值为3.88MPa。需要说明的是，如采空区埋深或冒落带处于建筑物荷载影响深度范围之内，这一经验公式是不适用的，治理强度应按地基承载力的理论进行计算和设计。

　　3.2 充填材料

　　常用充填材料分为浆液材料和骨料两种。浆液材料常见的有水泥浆、黏土水泥浆、水泥-粉煤灰浆等，有时根据需要也采用膏体充填材料和速凝浆液^[7,8,9];骨料常见的有细石、米砂石、石粉、砂子、建筑垃圾等。工程中一般采用骨料和浆液配合，骨料多应对大体积空洞和治理边界区域，以控制扩散和保证充填体的强度。

　　以水泥粉煤灰浆液为例，浆液材料以水、水泥、粉煤灰为主，必要时添加水玻璃、三乙醇胺等以控制其凝胶时间;设计时常用“水固比”和“固相比”两个参数表征。“水固比”是指浆液中水和固体材料的质量比，常用的比例为2∶1,1.5∶1,1∶1,1.1∶1,1.2∶1。“固相比”是指固体材料中水泥和粉煤灰的质量比，常用的比例为2∶8,3∶7,4∶6。试验测定，水固比1∶1、水泥(P·O42.5)粉煤灰(II级)固相比4∶6的浆液，其初终凝时间分别为27,29.5h，结石体28d抗压强度值为3.8MPa。

　　4 工程设计

　　4.1 钻孔设计

　　钻孔布置是采空区地面充填治理技术的重要内容，由治理范围和治理要求决定。钻孔地面布置应结合采空区的分布形态确定;钻孔深度需要进入到目标采空区的底板。

　　1)钻孔间距

　　相同治理区域，钻孔间距决定了钻孔数量。多孔、少孔问题在充填设计中争议比较大，但只有能有效揭露和导通采空区的钻孔才是有效钻孔。施工中前期钻孔具有地层补勘的作用，后期钻孔具有治理质量检查的作用。治理区域内，边缘位置钻孔通常称为“帷幕孔”，内部钻孔通常称为“治理孔”，一般前者孔间距要小于后者。

　　常用钻孔间距为10～25m，钻孔分序展开，按“动态调整”原则，后序孔在前序孔钻探和充填施工所获得的资料基础上进行调整，通过增加或减少钻孔、改变钻孔位置等优化设计。

　　2)钻孔深度

　　钻孔深度以进入采空区底板的有效深度≥0.5m为终止标准，通过取芯判定。多层采空区治理时，宜先浅后深，分层实施。

　　3)钻孔结构

　　钻孔开孔直径一般在130～150mm，经过一次或者两次变径后，终孔直径一般在75～90mm;变径位置应进入基岩。为便于深部钻探和充填施工(止浆)，上部大直径钻孔一般设计采用护筒或者套管。

　　4.2 充填量设计

　　1)空洞体积估算

　　采空区的剩余空洞是指采空区系统经过变形发展达到相对稳定状态后，内部存在的空洞和垮落岩石的间隙。确定剩余空洞体积(V)是设计充填工程量的基础，计算应根据能获取的采空区勘查数据和结论。获得准确的采空区剩余空洞体积较为困难，一般可以根据采掘平面图、采高、开采时间、开采工艺、回采率、覆岩结构、地表变形、剩余变形系数等进行估算，这些数据可以通过地质调查、钻探物探、工程类比等方法获取。

　　2)充填量计算

　　充填量在采空区空洞体积基础上按照充填材料的性能进行设计，通常以浆液类充填材料进行计算，应考虑充填结构要求、充填率、浆液的超扩散、结石率等。具备骨料充填条件的，可在浆液充填量(Q)基础上根据采空区形态确定骨料充填比例，如5%～20%。

　　浆液充填量按下式进行计算:

　　式中:Q为浆液充填量;A为超扩散系数，一般取1.1～1.5;V为采空区剩余空洞体积(m³);η为注浆充填系数，取值在0.7～1.0，与治理要求相关，根据采空区治理范围分区及建(构)物保护级别取值，建议II级(含)以上不低于0.8,II以下不低于0.7，有开挖要求的取1.0;m为浆液结石率(<1.0)，与浆液种类有关，由试验确定。

　　5 施工技术要点

　　5.1 控制原则

　　采空区充填治理应贯彻“原则设计、动态调整、确保效果”的理念。施工阶段也是丰富资料、优化设计、不断调整的过程。调整依据主要是前后期(序)钻探、充填技术资料分析对比。如前所述，钻孔调整以增减数量和改变位置为主;充填调整以达到结束标准、确保治理效果为目标，主要包括调整充填材料和性能。

　　5.2 钻孔施工

　　钻孔施工时应做好钻探工作记录，需要取芯的钻孔严格按要求取芯，不需要取芯的钻孔也要进行简易地质工作，以判断采空区覆岩破坏情况。覆岩“三带”(弯曲带、裂隙带、冒落带)可通过钻探过程冲洗液循环、消耗、气体观测、掉钻卡钻等进行判定。

　　采空区地面浆液充填，应设置孔口装置，以满足注浆或投放骨料的要求。投骨料时孔口要设置溜槽和漏斗;注浆时采用合理的止浆方法，常用止浆方式有孔口止浆、套管注浆和止浆塞止浆等，如图1所示。

　　5.3 充填施工

　　注浆充填采用管路泵送，浆液在注浆站按要求制备好;浆液的浓度可根据注浆参数变化进行性能调整，通过添加剂调整浆液初终凝时间，以间歇、复注等方式控制扩散;在采空区充水条件下应考虑浆液遇水分散的问题。膏体充填时出浆口宜接近孔底位置。

　　图1 钻孔充填常用止浆方式  

　　骨料充填一般在孔口实施，可单独投放，或采用水浆携砂方式。骨料投放的条件:(1)具有明显掉钻现象;(2)连续充填至设计充填量50%以上，孔口压力不变或降低，或者有零压力吸浆现象;(3)钻孔探测发现采空区空洞体积较大。

　　钻孔与充填施工皆应分期、分序进行。后施工钻孔对先钻孔兼具充填质量检查的功能;同序钻孔充填应遵循“先外后内”、“跳孔施工”等要求。

　　5.4 结束标准

　　结束标准是经验标准和试验标准的结合。在试验孔基础上，一般以治理深度的1.5～2.0倍静水压力值作为结束标准，流量≤150L/min，稳定时间不少于20min;单孔注浆结束压力以超过初始压力0.5MPa以上;后序施工钻孔结束压力值可提高0.5MPa。

　　5.5 效果检测评价

　　采空区充填治理工程具有隐蔽性和复杂性特点，治理效果关乎建(构)筑物的安全，效果检测评价尤为重要。治理效果评价一般采用钻探、物探和沉降观测等综合检测方法，钻探取芯无明显空洞、充填体力学性能达标，物探和沉降数据符合要求即为质量合格。未达到设计或规范标准，必须补孔施工。

　　6 工程案例

　　6.1 工程概况

　　山西同煤集团马脊梁煤矿副立井广场规划面积约104 000m²(约156亩)，为深部石炭二叠系煤层开采服务(设计产能6.0Mt/a)，场地位于上部侏罗系煤层采空区地表。经查，场地下部有1～4层老采空区，采高从1.0～4.0m，埋深80～290m;分析推断采空区平面分布率不低于25%。工业广场内设有2个立井、18个独立或联合工业建(构)筑物，总占地面积约22 000m²。经评估，浅层采空区对地面建(构)筑物建设与使用具有影响，2个立井全部须穿越采空区进行建设，必须对场地下采空区进行治理。

　　6.2 设计与施工

　　根据场地适宜性评价标准和建筑物功能要求，将治理区域划分为“井筒治理区”、“一类治理区”和“二类治理区”，设计治理面积分别约10 000,37 000,59 000m²。项目根据已有的采空区勘察资料计算治理区剩余空洞体积约98 000m³，根据不同治理要求按照前述方法进行分类设计，初设布置浅层钻孔189个，深部钻孔40个，总延米约29 000m，总充填量约93 000m³，其中10%骨料充填。

　　治理项目自2013年6月开工，配合工业广场地面建设分两期进行，不断优化调整，历时约20个月完成。项目中期设计调整:钻孔209个，总延米27 278m，总充填量114 664 m³。项目实际工程量:钻孔213个，总延米28 089m，总充填量115 760 m³。副立井工业广场建设与下部采空区治理穿插进行，2016年场内立井及地面建筑投入使用，至今均安全运行，各项监测指标优于规范要求。

　　7 结语

　　地面充填技术是采空区治理的有效方法，具有很强的理论性和实践性。采空区充填治理设计必须根据采空区赋存条件、拟建建(构)筑物等确定治理目标和划定治理范围，选择合适的充填材料，做好初步的概念设计和原则设计;在施工时做好技术管理，丰富地层资料，真正贯彻“原则设计、动态调整、确保效果”的治理理念，结合钻孔、充填施工进展做好施工控制和设计优化，在保证治理效果的前提下实现工程经济最优。