劉家渠煤礦斜井井筒下采空區(qū)治理技術(shù)

鄒友平，張華興，張剛艷，徐文濤

（1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013; 3.伊泰煤炭股份有限公司陽灣溝煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

劉家渠煤礦斜井井筒下采空區(qū)治理技術(shù)

鄒友平1，2，張華興1，2，張剛艷1，2，徐文濤3

（1.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013;2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013; 3.伊泰煤炭股份有限公司陽灣溝煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

劉家渠煤礦斜井井筒由于建在老采空區(qū)上，發(fā)生了局部變形和破壞。通過對采空區(qū)治理范圍的計(jì)算確定，采用地面壓力注漿法治理，介紹了注漿施工工藝。經(jīng)鉆探揭露與注漿量結(jié)合綜合分析，注漿效果良好，為今后類似工程地質(zhì)條件下的治理工程提供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

斜井井筒;采空區(qū)治理;壓力注漿法

Treatment Technology of Gob under Slope Shaft in Liujiaqu Colliery

劉家渠礦主斜井和副斜井均為2006年11月開始井筒施工，先后施工到3－1上煤層。2008年6月，在副斜井井筒施工過程中，發(fā)現(xiàn)副斜井井筒自井口到井筒內(nèi)200m之間，多處井壁出現(xiàn)了1～3mm的細(xì)小裂縫，裂縫最寬達(dá)到5mm，2009年3月發(fā)現(xiàn)主斜井自井口到井筒內(nèi)200m之間局部也出現(xiàn)細(xì)小裂隙。

井筒出現(xiàn)裂縫后，礦方為查明原因，在工業(yè)廣場及主斜井和副斜井周圍布置了多條地震勘探測線，根據(jù)物探資料并結(jié)合鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)在主斜井、副斜井以及原來設(shè)計(jì)的工業(yè)廣場的下方存在原煤礦的房柱式開采采空區(qū)，井筒施工后，受到采空區(qū)沉降的影響，導(dǎo)致井筒的局部變形和破壞。為了保證井筒的正常使用和工業(yè)廣場建筑物的安全，需要對井筒及工業(yè)廣場采空區(qū)進(jìn)行注漿治理。

1 井筒概況

主斜井:井口標(biāo)高1399.766m，井筒傾角9°，斜長414.0m，凈寬4.0m，凈斷面11.9m2;井筒內(nèi)裝備1條1.0m寬的帶式輸送機(jī)，擔(dān)負(fù)全礦井煤炭提升任務(wù)。

副斜井:井口標(biāo)高1399.450m，井筒傾角6°，斜長712.2m，凈寬4.6m，凈斷面15.7m2;采用防爆無軌膠輪車運(yùn)輸，擔(dān)負(fù)全礦井輔助提升及運(yùn)輸任務(wù)，同時兼進(jìn)風(fēng)。所有管線均沿該井筒敷設(shè)。

回風(fēng)斜井:井口標(biāo)高1420.0m，井筒傾角26°，斜長216.7m，凈寬4.0m，凈斷面11.9m2;設(shè)行人臺階及扶手，擔(dān)負(fù)礦井回風(fēng)任務(wù)。

3個井筒初期均落底于主采3－1上煤層，水平標(biāo)高1320m左右。

2 斜井井筒下采空區(qū)治理范圍確定

針對斜井的破壞，必須要確定斜井井筒的影響范圍。由于缺少應(yīng)有的開采資料，為保證斜井井筒的安全，采用斜井井筒保護(hù)煤柱的留設(shè)方法計(jì)算治理范圍。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》［1］，斜井保護(hù)煤柱從受護(hù)邊界起以移動角法設(shè)計(jì)。受護(hù)面積應(yīng)包括井口及其圍護(hù)帶，斜井井筒和井底車場護(hù)巷煤柱。井口圍護(hù)帶寬度定為15m，井口圍護(hù)帶只在井筒的底板一側(cè)。車場護(hù)巷煤柱是指為斜井井底巷道所留的巷道兩側(cè)煤柱。煤層中的斜井保護(hù)煤柱寬度S可按照下式計(jì)算（圖1）。

圖1 斜井或巷道煤柱設(shè)計(jì)方法

式中，S1為斜井單側(cè)保護(hù)煤柱寬度，m;a為受護(hù)斜井或巷道寬度的一半，m;H為斜井或者巷道的最大垂深，m;M為煤厚，m;f為煤的堅(jiān)固性系數(shù)，f =0.1;Rc為煤的單向抗壓強(qiáng)度，MPa。

將該礦相關(guān)參數(shù)代入公式，可得:

為了有一定的安全系數(shù)，取井筒雙側(cè)各20m作為采空區(qū)治理的邊界。根據(jù)上述方法確定主井、副井和風(fēng)井井筒下采空區(qū)治理面積為52770m2。

3 注漿施工

對于采空區(qū)的治理，目前主要采取直接回填法和壓力注漿法來進(jìn)行處理［2］。

對于劉家渠煤礦，采用壓力注漿法和直接回填法均可行。但由于房柱式老采空區(qū)頂板可能局部發(fā)生垮落，掘進(jìn)、充填及支護(hù)難度較大，且存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，另外受井下巷道內(nèi)作業(yè)的限制，工期較長，而且施工的巷道對原始地層有一定的擾動，故采用壓力注漿法。

壓力注漿法是在地表施工注漿鉆孔，通過注漿泵、注漿管，將水泥粉煤灰漿液注入采空區(qū)及其上覆巖體裂隙中，漿液經(jīng)過固化，膠結(jié)巖層裂隙帶，同時充填采空區(qū)最終使?jié){液形成的結(jié)石體與巖層一起對上覆巖層形成支撐作用，保證井筒及地表建筑物地基穩(wěn)定。

3.1 注漿孔設(shè)計(jì)

一般而言，采空區(qū)注漿孔的設(shè)計(jì)深度為開孔至采空區(qū)底板以下1.5m，灌漿孔的灌注長度為最上部完整基巖下6m至灌漿孔底板的深度，注漿管的長度為地面之上1m至完整基巖下6m處深度。

根據(jù)采空區(qū)治理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該礦井筒及工業(yè)廣場注漿孔按25～35m間距布設(shè)。井筒及工業(yè)廣場范圍全面治理，在物探、鉆探已知采空區(qū)或采掘巷道密集、地面變形嚴(yán)重段以及地表工業(yè)廣場重要建筑物位置適當(dāng)加密，在采掘巷道稀疏、變形輕微段和地表建筑物較少位置適當(dāng)減少。

設(shè)計(jì)鉆孔的開孔孔徑為130mm，終孔孔徑不小于91mm。鉆孔結(jié)構(gòu)及注漿孔口管結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。沖積層護(hù)壁套管直徑127mm，注漿孔止?jié){套管直徑為110mm。在沖積層很薄的區(qū)域，可直接下入止?jié){管。鉆孔施工過程中應(yīng)每50m測斜一次，終孔孔斜不應(yīng)超過1°。注漿管應(yīng)選用直徑不小于50mm的鋼管。

3.2 漿液配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦采空區(qū)治理工程的成功經(jīng)驗(yàn)，確定注漿液為水泥粉煤灰漿，其水固比為1∶1.4～1∶1.0，水泥占固相的30%，粉煤灰占固相的70%，根據(jù)鉆孔鉆進(jìn)過程中的具體情況，在鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)空區(qū)較大的鉆孔采用較稠的漿液或在漿液中摻加水泥重量的2%速凝劑，也可加入少量砂或碎石，使注入采空區(qū)的漿液盡快凝固，減少漿液流失。

圖2 注漿鉆孔結(jié)構(gòu)

圖3 注漿孔口管結(jié)構(gòu)

3.3 注漿施工工藝

采空區(qū)注漿施工工藝流程如圖4所示。

圖4 注漿施工工藝流程

單孔注漿工藝［3］如下:

（1）注漿開始前用清水沖洗鉆孔，沖洗時間不少于5min，以檢驗(yàn)注漿管路的密閉性并判斷注漿鉆孔的可注性。

（2）根據(jù)地質(zhì)資料、壓水試驗(yàn)進(jìn)行單孔注漿設(shè)計(jì)及漿液配合比選擇。

（3）注漿時采用漿液濃度先稀后稠的順序施工。

（4）注漿開始后，定時觀測注漿泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，并根據(jù)實(shí)際情況及時調(diào)整漿液濃度。

（5）當(dāng)?shù)叵虏煽諈^(qū)空隙較小時，用較稀的水泥、粉煤灰漿連續(xù)灌注。當(dāng)?shù)叵虏煽諈^(qū)空隙較大時，用較濃漿液，在帷幕孔的制漿材料中添加水泥重量l%～2%的水泥速凝劑，采用低壓、稠漿、小泵量、多間歇的方法注漿。當(dāng)此方法無效，孔口壓力仍不升高 （即吸漿不減）時，在注漿孔口增加投砂裝置，適量向注漿孔內(nèi)投注一定量的骨料，以充填大采空區(qū)。

4 治理效果

該礦井筒及工業(yè)廣場下采空區(qū)治理工程從2009年9月開始，經(jīng)過近3個月的鉆探及注漿施工，施工鉆孔94個，累計(jì)鉆進(jìn)5608.4m［4］，采空區(qū)鉆孔47個，占總鉆孔數(shù)的50%，累計(jì)注漿量為25611.6m3。

注漿漿液的結(jié)石率按80%計(jì)算，漿液對采空區(qū)及上覆巖層中的裂隙、裂縫和充填率要求為75%。考慮到在注漿過程中漿液損失，按照下列公式求出注漿的充填體積:

式中，ΔV為空隙體積，m3;Q總為總注漿量，m3;c為漿液結(jié)石率，83%;N為漿液損耗系數(shù)，取1.2;η為充填率，90%。

將以上參數(shù)代入，計(jì)算可得:

通過計(jì)算得出，注漿充填體積為19683m3，井筒下采空區(qū)經(jīng)過治理得到較好地充填。

5 結(jié)束語

劉家渠煤礦主、副井和風(fēng)井井筒下采空區(qū)治理工程于2010年1月通過驗(yàn)收后，所有井筒正式投入運(yùn)行，運(yùn)行情況一直良好，表明采空區(qū)治理后地基穩(wěn)定性得到明顯提高，達(dá)到了注漿治理的目的。

［1］國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［2］張剛艷，王明立.劉家渠煤礦井筒及工業(yè)廣場下采空區(qū)治理方案［R］.北京:天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，2009.

［3］劉 濤.太佳高速公路下伏采空區(qū)注漿研究［D］.西安:西北大學(xué)，2010.

［4］張剛艷，甘志超，李 磊，等.劉家渠煤礦井筒及工業(yè)廣場下采空區(qū)治理效果綜合檢測及評價［R］.北京:天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，2010.

TD325.3

B

1006-6225（2011）04-0052-03

2011－03－07

鄒友平 （1979－），男，湖北天門人，在讀博士生，主要從事特殊采煤與煤礦災(zāi)害防治研究工作。

［責(zé)任編輯:徐乃忠］