全充填注漿法在煤礦采空區(qū)治理中的應(yīng)用

上官志偉

(山西地質(zhì)勘查局二一二地質(zhì)隊，山西長治 046000)

1 治理區(qū)工程概況

山西省南耀工業(yè)園區(qū)年產(chǎn)120萬t焦化廠位于長治市郊區(qū)南村村南，南村在行政上隸屬長治市郊區(qū)西白兔鄉(xiāng)管轄。在位置上則位于長治市郊區(qū)、屯留、襄垣、潞城的交界部位。山西南耀集團小常礦業(yè)有限公司下伏采空區(qū)治理工程位于南村南側(cè)約500 m。在治理區(qū)范圍內(nèi)，由于下部存在大面積的采空區(qū)，目前場地內(nèi)已形成多處地面塌陷與地裂縫。針對山西南耀集團小常礦業(yè)有限公司下伏采空區(qū)的治理，該工程共設(shè)計鉆孔292個，其中帷幕孔24個，注漿孔268個。工程設(shè)計總進尺為52 560 m，計劃總注漿量約為200 000 m3。

2 采空區(qū)地質(zhì)特征

根據(jù)鉆探揭露地層情況可知，該工程采空區(qū)從地表至3號煤層的地層巖性主要以砂巖、泥巖為主，夾有泥質(zhì)砂巖及粉砂質(zhì)泥巖，按堅硬程度分砂巖、泥質(zhì)砂巖、較硬巖、較難風(fēng)化、泥巖及粉砂質(zhì)泥巖屬較軟巖，易于風(fēng)化。另據(jù)石圪節(jié)煤礦采取取樣試驗結(jié)果，3號煤層頂板之粉砂巖——砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度為501 kPa～675 kPa，單軸抗拉強度為17 kPa，抗剪強度為34 kPa～36 kPa;底板砂巖單軸抗壓強度為560 kPa，單軸抗拉強度為20 kPa，抗剪強度為42 kPa。根據(jù)設(shè)計方案對采空區(qū)巖層的劃分方案和本次治理鉆探資料分析，治理區(qū)覆蓋層按空間結(jié)構(gòu)可劃分為冒落帶、裂隙帶及變形彎曲帶，治理區(qū)內(nèi)主要發(fā)育前兩帶，各帶發(fā)育特征如下。

2.1 冒落帶

冒落帶指采空區(qū)底板與頂板坍塌巖層之間的空間范圍。冒落高度取決于煤層頂板的完整程度及開采程度等，本采空區(qū)直接頂板為泥巖或砂質(zhì)泥巖，屬軟質(zhì)巖石，極易破碎風(fēng)化。因此，在煤層開采以后，泥巖或砂質(zhì)泥巖很快就會塌落。據(jù)鉆探情況來看，冒落高度最大為36 m，一般為5 m～14 m。

采空區(qū)冒落物除頂板巖石外，還有碎石、煤塊等堆積物，冒落物多呈碎塊狀、粉末狀，有時為較大的塊狀。表現(xiàn)在鉆探上，就是鉆至冒落帶后耗水量大量增加，鉆進較快，加桿困難，個別有掉鉆、卡鉆現(xiàn)象，巖芯采取率極低。

2.2 裂隙帶

裂隙帶在治理區(qū)內(nèi)較為發(fā)育，位于冒落帶與變形彎曲帶之間，受其影響，冒落帶以上裂隙十分發(fā)育，大都向上延伸至地表。

除直接觀察到的裂隙外，鉆探中大量漏水及注漿過程中地面冒漿及串漿現(xiàn)象也是有力佐證，在施工鉆孔中除少數(shù)存在返水外，大部分發(fā)生漏水現(xiàn)象。同時，注漿過程中在受注孔附近地面的裂隙中出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象，這些表明冒落帶至地表有很好的貫通性。

2.3 變形彎曲帶

在本區(qū)內(nèi)較為發(fā)育，治理區(qū)內(nèi)可明顯看到留有保安煤柱的部分地面較高，大部分地面已經(jīng)下沉，發(fā)生了變形彎曲。

3 采空區(qū)煤礦開采現(xiàn)狀

塌陷到表面的煤礦采空區(qū)無疑對建筑物的地基是有害的，對于那些采空較深、跨落并沒有到地表的，應(yīng)當(dāng)對其進行分析，確定其能夠承受住附加重量避免塌陷。所謂煤礦采空區(qū)是指，地下煤礦層被挖完之后，其周圍的巖石驟然滑落而引發(fā)的巖層錯位或斷裂，從而在地下巖層中形成孔洞或裂縫。通過對南耀工業(yè)園區(qū)的勘察，治理區(qū)內(nèi)為潞安礦務(wù)局石圪節(jié)煤礦采區(qū)，場地下部分布有3號煤、9號煤與15號煤，其中石圪節(jié)煤礦已采煤層為3號煤，3號煤在本區(qū)的埋深為160 m～200 m，煤層厚度為6.00 m，厚度穩(wěn)定，煤層傾角約4°，呈東高西低之勢。煤層直接頂板為泥巖或砂質(zhì)泥巖，易于冒落，底板為泥巖。由于煤層厚度大，回采率高，造成采空高度大，冒落帶范圍廣，裂隙十分發(fā)育，局部地段延伸至地表，形成了地表裂隙縱橫交錯的特征，而且出現(xiàn)地面下沉的現(xiàn)象。鑒于此，對于煤礦采空區(qū)的范圍確定一定要考慮各種可能性，保證處理范圍的合理性與準(zhǔn)確性。

4 采空區(qū)全充填注漿治理方法

根據(jù)《山西南耀集團小常礦業(yè)有限公司下伏采空區(qū)治理施工圖設(shè)計說明》規(guī)定，南耀工業(yè)園區(qū)采空區(qū)治理工程共設(shè)計鉆孔292個，其中帷幕孔24個，注漿孔268個。本次設(shè)計總進尺為52 560 m，預(yù)計總注漿量約為200 000 m3(見表1)。

表1 南耀工業(yè)園區(qū)采空區(qū)設(shè)計注漿量

南耀工業(yè)園區(qū)采空區(qū)注漿法處理地基工程需要直徑127 mm的無縫鋼套管和制作漿體所需的材料，考慮到成本控制，漿液材料應(yīng)當(dāng)就地、就近取材，包括工業(yè)廢渣、硅酸鹽水泥、石粉、水玻璃摻合劑以及自來水。工程主要包括:施工順序、注漿過程控制、注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)、注漿量。

1)施工順序。本次注漿嚴(yán)格按設(shè)計要求注漿，先施工四周帷幕孔，然后施工中間注漿孔，注漿時采用停歇式注漿法。注漿時應(yīng)根據(jù)鉆孔情況采用先稀后稠的方法，這次注漿主要采用1∶0.70，1∶0.80，1∶0.86 三種配比水泥粉煤漿進行采空區(qū)注漿。

2)注漿過程控制。注漿時先根據(jù)鉆孔資料分析此孔的地質(zhì)情況，了解此孔是煤柱孔還是冒落孔，煤柱孔是否漏水，冒落孔是否掉鉆等，然后決定采用何種漿液比例開始注漿，在注漿過程中及時觀察吸漿量和泵壓，再結(jié)合鉆探資料決定是否增大注漿比例，是否間歇、是否摻加水玻璃、砂子等注漿方法。此次帷幕孔注量不大，使得帷幕孔在短時間內(nèi)便發(fā)揮作用。中間孔的注漿方法主要采用間歇和增大比例的方法注漿。特別是掉鉆孔的注漿量較大，注漿必須及時采取措施。比如B-5，ZK5-10孔依據(jù)鉆孔資料分析其注漿量較大，注漿開始進漿速度很快，而且孔口有吸漿現(xiàn)象，我們及時采用小方量多間歇即“多餐少食”的注漿方法，分別經(jīng)過2次、19次間歇注漿達到終孔。在采空區(qū)地基進行注漿處理時，為了確保工程的質(zhì)量，避免漿液流到非注漿區(qū)域，在注漿工程實施中應(yīng)當(dāng)要先對邊界進行注漿處理，而后才是采空區(qū)的中間部分;邊界區(qū)域要用稠漿，中間注漿孔用稀漿。

3)終孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是確定鉆孔是否注滿的重要依據(jù)。設(shè)計要求，在注漿末期，泵壓逐漸升高，泵量小于70 L/min 時，孔口壓力在1.0 MPa～1.5 MPa間，穩(wěn)定10 min～15 min或注漿孔周圍有冒漿現(xiàn)象時可結(jié)束該孔的注漿施工。此次采空區(qū)注漿全部正常達到終孔標(biāo)準(zhǔn)，而且終孔孔口壓力大多在1.0 MPa～1.2 MPa之間，達到了設(shè)計的 1.0 MPa～1.5 MPa的要求，終孔泵量為52 L/min，穩(wěn)壓時間也多在10 min～20 min。綜上所述，所有的注漿孔終孔均滿足設(shè)計要求，反映采空區(qū)充填飽滿，注漿質(zhì)量可靠，達到了治理的目的。

4)注漿量。本次灌注的311個鉆孔，總注漿量為265 585 m3，完成設(shè)計量的132.79%，超出設(shè)計注漿量的原因為增加了工作量，因此使實際注漿量與設(shè)計有所差異。311個注漿孔中，平均單孔注漿量為854 m3，由于本次施工83.0%的鉆孔為冒落孔和掉鉆孔，而且地面塌陷較嚴(yán)重，因此出現(xiàn)各鉆孔的注漿量有較大的差異。從整個采空區(qū)看，各注漿孔注漿量分布如下:0 m3～50 m3，116 個孔;50 m3～100 m3，54個孔;100 m3～500 m3，59個孔;500 m3～1 000 m3，22 個孔;1 000 m3～2 000 m3，26 個孔;2 000 m3～5 000 m3，22個孔;≥5 000 m3，12個孔。總之，本次注漿從各方面執(zhí)行設(shè)計要求，以質(zhì)量為根本，嚴(yán)格施工，注漿質(zhì)量合格，達到了采空區(qū)治理的目的。

5 結(jié)語

利用注漿法對煤礦采空區(qū)內(nèi)的建筑地基進行加固處理，能夠有效地避免地面因采空區(qū)的原因發(fā)生塌陷的情況。南耀工業(yè)園區(qū)下伏采空區(qū)治理工程，嚴(yán)格按照施工組織設(shè)計工藝進行施工，施工放樣、鉆探、成孔嚴(yán)格施工，孔位、孔深、孔徑等方面完全達到了設(shè)計要求。鉆探施工的311個注漿孔質(zhì)量全部合格，滿足設(shè)計要求和注漿需要。澆筑孔口管嚴(yán)格按施工工藝施工，經(jīng)注漿檢驗，沒有發(fā)生孔口漏漿現(xiàn)象，止?jié){效果符合要求?？傋{量為265 585 m3，遠大于原設(shè)計200 000 m3，達到了采空區(qū)治理的目的。

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