河河北邢台老采空区城市塌陷治理：充填修复工程全流程

张洁贞 绿色矿山充填与矿业信息化顾问

适用读者： 市政规划总监、矿务局总工程师、地测大队工程师、防灾减灾科长、岩土项目经理

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学技术支持

一、行业痛点与老采空区复活背景

河北邢台作为我国老牌的煤炭重工业城市，有着百余年的开采历史。然而，随着城市规模的快速扩张，许多过去处于市郊的煤矿采空区，如今已演变为城市中心的繁华商圈、高层住宅区或高速交通枢纽。

这些历史遗留的、没有经过及时充填的“老空区”，在长达数十年后，往往面临严重的“二次活化塌陷”灾害。其诱发因子极为复杂：

老空区上部覆岩风化平衡破坏：采空区上方处于碎裂状态的“三带”岩体，在地下水长期反复浸泡冲刷下，岩石力学强度严重软化剥落，引发空洞向上“缓慢蔓延”。
现代城市动荷载剧烈增加：城市高层建筑的集中静载荷（基础压力）与城市轨道交通、重载卡车的频繁低频震动荷载交织，打破了原有覆岩处于边缘状态的平衡。
老空区再次塌陷危害极大：由于采空区上方覆盖层可能较浅，一旦突发塌陷，轻则导致市政主干道开裂沉降、管网折断爆裂，重则导致成片居民楼基础不均匀沉降发生倾斜，甚至产生突发性地表塌下巨坑，严重危害人民生命财产安全。

传统的垂直浅孔钻探注浆治理法在城市高密度建筑区根本无法施展——无法布置高密度钻机，且大面积开挖会直接中断市政交通。因此，采用“地面定向水平分支井注浆充填修复”的无损修复成套工艺，成为市政地质防灾减灾的唯一科学出路。

图2：城市老空区活化下沉走向定向分支井钻孔分布及注浆固结原理

二、老采空区活化沉降力学机制与回填控制边界

在实施注浆回填修复时，必须首先掌握老采空区的力学活化规律：

1. 老空区残余变形与应力再次释放力学机制

采空区上方岩层在初次垮落后，处于一个应力极不均匀的散体支撑状态。根据岩层力学残余变形理论，随时间推移，散体结构发生蠕变，地表沉降的极限方程表示为：

W(t) = W_0 \cdot \left(1 - e^{-\varphi \cdot t}\right) + \Delta W_{load}

*其中，$W_0$ 为最大残余下沉极限，$\varphi$ 为岩层蠕变时间衰减系数，$\Delta W_{load}$ 为地面高层建筑物及动载荷产生的叠加下沉形变量。*

由于城市超载引发的 $\Delta W_{load}$ 激增，会打破岩层骨架的承载极限。

通过高压向这些覆岩裂隙和空洞中压注水泥-粉煤灰浆体，能将原本断裂、松散的岩块包裹、胶结在一起，形成宏观上的“钢筋混凝土复合承载梁体”，将地基抗剪切强度提升数倍，消除滑移面。

2. 定向分支孔精准贯通控制边界

在城市建筑物阻碍下，我们必须利用定向钻进技术，从建筑群外围开孔，打设曲率半径可控的“羽状水平分支孔”。

钻孔在空腔内精准贯通的控制方程为：

\theta(z) = \arcsin\left(\frac{z - z_0}{R_{curve}}\right)

*其中，$θ(z)$ 为钻孔在深度 $z$ 处的倾角方位，$z_0$ 为开孔初始垂直深度，$R_{curve}$ 为定向钻机套管段设计的极限曲率半径。*

依靠高精度电磁随钻测斜仪（MWD），使分支孔能精准打入几十米深的微小空腔内部，实现远距离靶向输浆，不干扰地表正常办公与行车。

图4：城市路面车载移动式双液高压化学注浆工程车特写

三、邢台老采空区注浆修复系统核心参数表

参数指标	推荐设计区间	说明
终孔偏斜率	$≤ 0.5\%$（分支孔靶向误差 $<0.5\text{ 米}$）	保证水平走向分支孔能精准穿透老空腔顶部
注浆压力控制	终孔憋压控制在 $2.5 \sim 4.0\text{ MPa}$ 之间	保证浆体能压实空腔，同时不超地表土层抬升劈裂极限
填充体 3天早期强度	$≥ 2.0\text{ MPa}$	确保充填体能快速分担地基荷载，防止险情蔓延
填充体 28天后期强度	$≥ 4.5\text{ MPa}$	满足上部大型建筑物长期静力支撑刚度要求
浆液水胶比	复合粉煤灰料浆：1:0.8 $\sim$ 1:1.1	保证低泌水、不分层，空洞内充盈接顶率 $≥ 98\%$
凝结时间	初凝：$2.0 \sim 3.5\text{ 小时}$，终凝：$< 6\text{ 小时}$	使用早强改性粉煤灰膏体防止浆液向盲端无限流失

图3：市政塌陷治理现场技术员使用全站仪三维扫描路面微小沉降

四、城市老采空区注浆充填修复工艺全流程

整体治理工程包括地质精密探查、定向钻孔打设、浆体高压注灌及效果检验四阶段：

第一阶段：【城市微震与三维雷达扫面】 --> 标定地下残留空腔 (空洞坐标及范围) | v 第二阶段：【地面定向水平分支井钻进】 --> 【多分支孔精准贯通靶向腔体】 | v 第三阶段：【高固相粉煤灰基膏体灌注】 --> 【浆体自流密实，中后期持压憋压 (2.5-4.0MPa)】 | v 第四阶段：【三维全站仪与雷达复测】 <-- 【地表沉降速率控制在 <0.1mm/d 安全边界】

1. 城市复杂环境三维探查

利用高频地质雷达（GPR）沿着市政车道进行网格化扫描，结合大地多波段微震和瞬变电磁成像（TEM），绘制出地表下 $30 \sim 80\text{ 米}$ 深度范围内的采空区三维空间解译图，明确老空洞及碎裂应力区。

2. 水平定向多分支井打设

在建筑物外侧的空地上设置定向钻机。钻机向下钻进通过造斜段后，进入水平走向段，顺着采空区空洞的轴向平行钻进。在主孔孔壁上打设多组“羽状分叉水平眼”，实现对采空空洞的多点覆盖。

3. 高固相早强料浆充填

地面调配以粉煤灰为主骨料，添加高粘剂和快硬复合添加剂的浓稠膏体料浆。通过耐磨主管路输送至分支井口，注入采空区。料浆在空腔内缓缓流动、堆积并排水固结。当料浆填满空腔时，进行持压注浆，保证对顶板散体碎岩产生向上的挤压顶托力。

图5：市政减灾专家与项目经理分析雷达空洞剖面图商定保压终压

五、注浆过程中地上建筑物发生异常形变应急处置 SOP

在城市老空区注浆修复过程中，如果注浆压力偏高或者地表土层发生局部劈裂，可能会导致上部“建筑物基础发生异常抬升、倾斜或开裂”的反向灾害。必须严格、敏捷地执行以下应急处置 SOP：

1. 监测监测与报警触发

一旦地表高精度全站仪或三维激光传感器监测到目标建筑物基础单点抬升速率达到 $1.0\text{ mm/h}$（或单点累计形变量突破 $5.0\text{ mm}$ 安全设计阈值）时，系统自动切断注浆主泵的供电。

2. 双向快速泄压与废浆回排

地面操作工立即拉开井口管道泄压回流管，将注浆主管压力瞬间泄至常压。通过反向溢流管，将钻孔内积存的、处于保压状态的未初凝高黏度料浆反向“抽排”出钻孔，存入地面废水池，最大程度消除地下岩层所承受的静压力。

3. 低压清孔与间歇注料

为了防止未初凝料浆在钻孔内塞死，向孔内注入小流量、高稀释度的化学清洗液稀释料浆，保证通道完整。当建筑物变形完全收敛并停止后，修改注浆参数：将单次连续注浆改为“注 10分钟、停 20分钟”的间歇注浆法，将泵送保压上限值削减 $50\%$ 运行。

4. 应力释放与主动纠偏

如果建筑物变形持续，说明局部劈裂严重。检修组在建筑物相反侧（未抬升一侧）的基础外围，使用便携式钻机向下打设一排“应力释放泄压孔”（深度 $15\text{ 米}$ 左右），释放局部挤压应力；或者采用小泵量抽吸该侧浅表土层水分，使建筑物利用自重产生微量回沉，纠正倾斜差，直至建筑物三维平齐后停止。

图6：治理完成后邢台市地表中央湿地公园微沉降长期观测基准站

六、工程应用与技术经济分析

1. 市政防灾综合效益测算

以治理河北邢台某繁华商务街区下方老采空区为例，其项目效益不仅体现在工程本身，更在于巨大的社会安全价值：

规避停业与房屋受损损失：若发生塌陷导致多栋高层建筑倾斜，其拆迁拆建、商业赔偿及地表公路毁坏直接经济损失经常突破 $2.5 \sim 5.0\text{ 亿元}$。
分支定向孔治理性价比：定向分支孔单米进尺及注浆综合单价虽然比常规直孔高 $45\%$，但由于其实现了“一孔多支”，总钻孔进尺数减少了 $65\%$，且完全省去了地表建筑物的动迁补偿。
运行吨成本：折合每消纳一吨粉煤灰浆体材料的工程包综合成本约为 $80 \sim 110\text{ 元/立方米}$。

七、实践案例与技术验证

1. 河北邢台老空区塌陷治理工程实践

河北邢台某城区主干道交汇口下方（覆岩埋深 $55\text{ 米} \sim 72\text{ 米}$）存在一处 80年代遗留的房柱式半垮落采空区。地表上方已新建了高层住宅小区及市政高架立交桥，近 1年监测到路面有局部龟裂及 $1.5\text{ mm/月}$ 的持续不均匀沉降倾向。

治理方案：采用“定向平斜多分支井注浆工艺”。选用外侧荒地作为钻孔机组始发场，打设 1个垂直主导孔及 12个水平羽状分支孔，成功将管网引入住宅楼基础下方。
运行监测数据：
主管路注浆压力上限设定为 $3.2\text{ MPa}$。
累计向采空区残留空腔注入了 $14.8\text{ 万立方米}$ 的早强粉煤灰基改性膏体。
治理效果：注浆结束后 $7\text{ 天}$ 起，路面及住宅楼基础形变指示数据完全归零。地质雷达波复测显示地下空腔回填密实度、接顶压实率达 $98.3\%$，住宅楼最大倾斜率控制在 $0.03\%$ 以内（远低于国家 $0.2\%$ 的建筑倾斜红线要求），彻底保障了住宅区居民的安全。

八、老采空区修复可研前期基础材料核查清单

项目开展可行性研究与初步方案编制前，市政与矿务技术部门需梳理并准备以下资料：

[ ] 采空区历史开采图纸及垮落台账：需提供该老矿区历史采煤平面图、回采厚度、开采年份以及当时是否有大面积垮落记录。
[ ] 上部建筑物基础结构与荷载参数图：地上建筑物的桩基深度、地基类型（筏板或独立桩）、建筑物荷载重力估算（确定承受极限抬升压）。
[ ] 城市路网地下综合管线布置图：需详细查明施工区及注浆范围上部的燃气、强电、给排水等市政管网精确深度与定位（防止定向钻进碰商碰撞）。
[ ] 粉煤灰等制浆原料来源保障：确定周边电厂年排放量、粉煤灰主要化学成分报告。

九、常见问题 FAQ

Q：这种几十年前的老采空区里可能灌满了地下水，高压注浆进去会不会把水挤到住宅楼的地下室里去？

A：这是一个非常切合实际的设计风险。如果老空区富水，直接注浆确实会将水向四周挤压，导致地表返水或高层建筑地下室渗漏。我们的工艺设计是“水浆置换”：在定向分支注浆孔的相反外侧，提前打设专用的“减压排水分支孔”。当高浓度的膏体浆液注入时，由于浆液密度和粘度远高于地下水，会以“活塞式”将地下水朝减压孔方向挤出并排至污水管网，从而在控压状态下完成浆水置换，绝对保护了住宅地基。

Q：老空区注浆用的是粉煤灰，这种工业固废材料的浆液会不会对地下饮用水水质造成二次重金属污染？

A：完全不会。首先，电厂所排粉煤灰在用于制浆前，必须通过国家标准的 HJ 557固体废物浸出毒性毒理分析，确认其有害重金属溶出量远低于地下三类水限值；其次，浆液中添加了特殊的改性火山灰胶凝材料，浆体在 3天内会固化结硬，将重金属离子长期物理包裹、固锁在晶格网络中，无法自由迁移。

Q：这种水平分支定向钻孔如果在住宅楼正下方施工，钻机的振动会不会震裂楼房？

A：不会。定向钻机在工作面进行水平钻进时，使用的是“螺杆钻具（Mud Motor）”配合高压泥浆水力驱动，钢管本身在孔内并不做高速旋转，没有常规垂直冲击钻机的强力锤击和剧烈冲击振动。在埋深超 50米情况下，地表的楼房居民几乎感受不到任何微观震动，完全做到无声无损修复。

参考依据

GB 51044-2024《老采空区地基建筑建筑安全与抗震鉴定规范》
《煤炭采空区地面定向分支井回填注浆技术规程》（国家能源局/安全生产局）
河北省地质灾害综合治理与避险移民三年行动方案有关条款规定

关于作者

张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理。

专注于华北地区（河北邢台、邯郸，山东枣庄，安徽淮南等）老采空区城市压煤回收、地面塌陷无损定向井修复及城市综合管网地基加固。联合中国矿业大学地下建筑工程重点实验室，为市政防灾与矿业集团提供科学的、环境无干扰的采空区沉降固化整体方案。

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*声明：文中技术参数与案例数据经脱敏处理，具体工程应用须结合现场特定地质及水文接续条件进行定向设计。*