陽新縣礦山地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及治理方法

韓朝

摘要：陽新煤礦經(jīng)幾十年的開采，近幾年地表塌陷時有發(fā)生，說明該區(qū)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害有進(jìn)一步發(fā)展趨勢，該區(qū)北部大量矸石堆放破壞土地資源、破壞自然景觀，沿矸石堆坡面有小的土溜、水土流失現(xiàn)象。通過對采空區(qū)地面填充壓漿治理，消除或減輕采空地面塌陷對居民生命財產(chǎn)的威脅。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；地面塌陷；治理方法

1、工程概況和地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀及特征

湖北省黃石市礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程項目（第一標(biāo)段）七約山治理區(qū)位于陽新縣金海煤炭開發(fā)管理區(qū)。治理區(qū)中心地地理位置：東徑115°11′22.5″，北緯30°05′20″。行政區(qū)劃屬陽新縣管轄，區(qū)內(nèi)有簡易公路，東距長江邊15公里，南行30公里與漢（武漢）九（九江）公路相接，距黃石市24公里，沿湖向西航行20公里至大冶市。水陸交通尚屬方便。

圖1 陽新縣七約山煤炭礦務(wù)局紅家咀-瓦咀井田礦區(qū)交通位置圖

1.1. 地形地貌

七約山礦區(qū)地形起伏大，大體上地勢是南高北低，東高西低，從東南向西北傾斜，然后慢慢向湖區(qū)過渡，高程在50～282米之間，最高點(diǎn)為干魚山。標(biāo)高282.8米，東部、北部和西部大部份高程為10～20米，屬湖底平坦低地區(qū)）。礦區(qū)內(nèi)除西、南和東部有部份基巖出露外，絕大部分為第四系松散層所覆蓋，屬剝蝕—堆積丘陵地貌。

1.3. 水文地質(zhì)條件

東湖群砂礫巖與大冶灰?guī)r第四段以上，其間無隔水層。大冶群灰?guī)r段和茅口灰?guī)r含水層之間有比較厚而穩(wěn)定的大冶灰?guī)r第三段和第一段隔水層相隔，而斷層導(dǎo)水性差，水位相差懸殊，故水力聯(lián)系不大，長興灰?guī)r與茅口灰?guī)r之間有龍?zhí)睹航M隔水層相隔，二者無水力聯(lián)系。暴雨期間位于大冶湖地表水位以下，故有可能湖水補(bǔ)給地下水，但這些年來，原七約山礦務(wù)局和現(xiàn)在金海煤炭開發(fā)管理區(qū)，在下塞湖進(jìn)行了圍堤造田，使出露地層不被水淹?？傊瑓^(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。

1.4. 工程地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)下覆基巖為三疊系下統(tǒng)大冶群第一～第四巖性段薄層灰?guī)r、茅口組灰?guī)r、龍?zhí)督M灰?guī)r，屬軟弱～較堅硬弱巖溶化碳酸鹽巖類工程地質(zhì)巖組。

第四系殘坡積粘土、粉質(zhì)粘土、粘土夾碎石廣泛分布，屬松散巖類工程地質(zhì)巖組。

2、施工方法

2.1 采空區(qū)治理設(shè)計

2.1.1 采空區(qū)治理方案選擇的原則

采空區(qū)的治理設(shè)計是在采空區(qū)勘查基礎(chǔ)上，經(jīng)過對采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性的分析和評價后，針對采空區(qū)的特征、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件、工程類型及其重要程度等，對采空區(qū)的治理方法進(jìn)行篩選，選用最佳治理方案。在選擇采空區(qū)治理方法時，一般應(yīng)遵守的原則：

（1）根據(jù)“輕重緩急”的原則，在資金有限的前提下，對威脅村莊居民生命財產(chǎn)安全的采空區(qū)進(jìn)行先期治理，確?；驕p輕采空地面塌陷對居民生命財產(chǎn)的威脅。

（2）在技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理，又能滿足進(jìn)度的要求。

（3）根據(jù)采空區(qū)的地基條件、村莊條件及施工條件等進(jìn)行選擇。

2.1.2 采空區(qū)治理方案

本項目區(qū)的采空區(qū)分布地段地形相對較平緩，交通條件較好；分布的采空區(qū)主要為二疊系龍?zhí)督M煤一層采空區(qū)，根據(jù)穩(wěn)定性分析，-50m以上采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，煤層平均傾角為20°左右，局部為10～15°，產(chǎn)狀相對較平緩，不適宜于非注漿法，采用全充填壓力注漿法治理技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上也比較合理。因此本次采空區(qū)治理設(shè)計方案為地面充填注漿。保護(hù)對象是瓦咀灣、新屋灣、小塔時等三個自然村居民集中地的人民生命財產(chǎn)。

2. 2 充填注漿方法

由于七約山礦區(qū)早上八九年代亂采亂挖現(xiàn)象十分嚴(yán)重，區(qū)內(nèi)采空區(qū)中空洞的充填情況難以確定，因此采空區(qū)充填注漿時，應(yīng)將采空區(qū)待充填空洞分為全充填、半充填和未充填三種情況區(qū)別對待。在鉆孔鉆進(jìn)過程中，應(yīng)盡可能查明采空區(qū)空洞的充填狀況，做到充填注漿時有的放矢。

2.2.3 充填注漿配比與終壓標(biāo)準(zhǔn)

（1）注漿材料的選擇

注漿材料的選擇應(yīng)因地制宜，盡可能節(jié)約成本。采空區(qū)充填注漿材料采用普硅32.5MPa級水泥、尾砂（或粘土），尾砂（或粘土）的顆粒級配應(yīng)與水泥的顆粒級配相類似且最大顆粒粒徑<2.5mm；裂隙充填注漿材料采用單液水泥漿；為控制漿液的擴(kuò)散范圍及防止注漿時邊坡一側(cè)或地表冒漿，可加入一定比例的水玻璃作為速凝劑，水玻璃模數(shù)2.4～3.0，濃度30～45波美度。

（2）漿液配比

水泥與粉煤灰（尾砂）的重量比為1：3～1：5，水泥粉煤灰漿液應(yīng)用于采空區(qū)充填注漿。

單液水泥漿的水灰比分為為1：1、0.8：1、0.6：1三級，單液水泥漿應(yīng)用于水泥尾砂充填采空區(qū)后對采空區(qū)裂隙充填注漿、以及注漿結(jié)束前注漿。

水玻璃的用量為水泥重量的3～5%，水玻璃加入漿液中，目的是防止冒漿或在采空區(qū)鉆孔底部充填注漿時控制漿液的擴(kuò)散范圍。

（3）注漿終壓標(biāo)準(zhǔn)

采空區(qū)充填注漿，在注漿末期，泵壓逐漸升高，當(dāng)注漿壓力大于1.0MPa，泵量小于1L/min，且穩(wěn)定15～30min，作為最終注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

灰?guī)r裂隙中充填注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到3～5MPa，泵量小于1L/min，且穩(wěn)定30min以上，作為最終注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

第四系覆蓋層壓密、劈裂注漿，當(dāng)壓力達(dá)到0.2～0.5MPa，泵量小于1L/min，或地表出現(xiàn)大面積冒漿時，可作為最終注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

3. 重點(diǎn)（關(guān)鍵）和難點(diǎn)工程的施工方案、方法及其措施

3.1.成孔工藝

鉆進(jìn)初始階段，各采空區(qū)治理區(qū)域內(nèi)分別布設(shè)1～2個取芯鉆孔，對地層情況進(jìn)行勘測和驗證，確定和指示周邊鉆孔的鉆進(jìn)層位，其余鉆孔可參照取芯鉆孔的鉆進(jìn)情況實施不取芯鉆進(jìn)。

成孔工藝簡述如下：

①用Φ130mm鉆頭開孔，鉆進(jìn)至強(qiáng)風(fēng)化基巖面下5m后，然后變徑Φ89mm。

②用Φ89mm鉆頭，鉆進(jìn)至采空區(qū)中的塌陷冒落或煤層底板0.3～0.5m終孔。

③鉆孔經(jīng)鉆探技術(shù)員及現(xiàn)場監(jiān)理驗收同意后，澆鑄注漿管。

3.2. 制漿工藝

漿液材料及配合比：

注漿材料

本設(shè)計文件中所規(guī)定的注漿材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝劑組成，參照《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ-89），其SO4-2含量<1.0%，PH>5；水泥采用質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)號為P·O 32.5的普通硅酸鹽水泥；粉煤灰質(zhì)量等級為二級～三級，SIO2、AL2O3和Fe2O3的總含量大于70%，SO3含量不大于3%，其它方面應(yīng)符合注漿工程的要求；速凝劑可選用水玻璃，水玻璃模數(shù)2.4～3.0，濃度30?Be～40?Be；砂、碎石就近取材。

漿液配合比

參照以往采空區(qū)治理工程的經(jīng)驗和當(dāng)?shù)夭牧瞎?yīng)情況，通過配比試驗，漿液為水泥粉煤灰漿，水固比一般取為1：1.0～1：1.4，本次以1：1.0為主，漿液稠稀隨注漿情況進(jìn)行調(diào)整。水泥占固相30%，粉煤灰占固相70%。帷幕孔的漿液中摻加水泥重量2～5%速凝劑，使灌入采空區(qū)內(nèi)的漿液盡快凝固，以形成帷幕，防止?jié){液流失。

3.3. 注漿材料的配制

漿液配制應(yīng)按設(shè)計配合比進(jìn)行，并隨機(jī)抽查漿液的各項指標(biāo)。

原材料：

水用水表或定量容器計量；水泥按袋計量；粉煤灰用容器計量，并要求用磅稱抽查水泥、粉煤灰的數(shù)量；

漿液拌制過程如圖2所示：

清水→速凝劑→一級攪拌→二級攪拌→二級攪拌→注漿泵→ 鉆孔→注漿。

攪拌過程

配制漿液時，水泥與粉煤灰準(zhǔn)確計量后混入一級攪拌池中攪拌，然后經(jīng)過濾網(wǎng)注入二級攪拌池攪拌。每次攪拌時間不得低于10分鐘，待漿液攪拌均勻后，通過注漿泵注入灌漿孔。

3.4.注漿工藝

注漿系統(tǒng)配置

3.4.1.注漿系統(tǒng)構(gòu)成

注漿系統(tǒng)由：料場、一級攪拌池（機(jī)）、二級攪拌池（機(jī)）、供水系統(tǒng)、注漿泵、注漿管道、封孔裝置等組成。

3.4.2.注漿系統(tǒng)技術(shù)要求

①料場：堆放材料的料場場地要平整，運(yùn)料車輛能正常通行，且緊鄰攪拌機(jī)，使材料便于運(yùn)輸、搬運(yùn)；要求設(shè)有防潮、防雨措施。

②攪拌機(jī)：要求能滿足正常施工要求，攪拌后的漿液應(yīng)均勻，符合設(shè)計要求，一次攪拌量應(yīng)≥1.5m3。

③攪拌池：修建的攪拌池應(yīng)滿足正常施工要求，池為圓柱體，中間設(shè)置攪拌系統(tǒng)，使得攪拌后的漿液均勻，符合要求，一次攪拌量應(yīng)≥1.5m3。

④蓄水池：制漿站應(yīng)根據(jù)施工注漿總量需要，建立數(shù)個蓄水池，以保證正常施工，蓄水池建筑規(guī)模及要求視工地具體情況而定。

⑤注漿泵：宜采用變量泵，其額定排漿量不小于200L/min，注漿泵壓力應(yīng)大于注漿最大設(shè)計壓力的1.5倍。

⑥壓力表：注漿孔壓力表最大指數(shù)應(yīng)大于1.0MPa。帷幕孔壓力表最大指數(shù)應(yīng)大于2.0MPa。

⑦封孔裝置：注漿孔采用Φ50mm鋼管，在管前端20～30cm處焊接一圓形法蘭托盤（托盤直徑Φ120～125mm之間），下入孔內(nèi)變徑處。封孔位置在基巖內(nèi)5～10m處。

⑧注漿管：采用Φ50mm鋼管，絲扣連接。

3.4.3. 注漿工藝及其有關(guān)參數(shù)

施工順序：先施工帷幕孔，再施工注漿孔，注漿分二序次進(jìn)行。

注漿

在注漿施工的開始階段，注意搜集整理各地段各種配比漿液的灌注充填情況，獲取更為合理的注漿施工參數(shù)。

注漿設(shè)備宜采用灰漿泵。當(dāng)?shù)叵虏煽諈^(qū)空隙較小時，可采用水灰比1：0.8～1：1.0的水泥粉煤灰漿，水泥為固體總重的30%，粉煤灰為固體總重的70%。

單孔注漿孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

在注漿孔的注漿末期，泵壓逐漸升高，當(dāng)泵量小于70L/min時，孔口管壓力在1.0MPa以上穩(wěn)定10～15分鐘后，或注漿孔周圍有冒漿等現(xiàn)象出現(xiàn)時，可報監(jiān)理工程師同意后結(jié)束該孔的注漿施工。

4. 結(jié)語：

通過采取上述一系列地面填充注漿、整形碾壓等治理措施，有效地遏制了地面塌陷涌水等地質(zhì)災(zāi)害，改善了礦區(qū)自然生態(tài)環(huán)境和旅游環(huán)境，有效地預(yù)防當(dāng)?shù)丨h(huán)境塌陷、泥石流等自然災(zāi)害的發(fā)生，使地質(zhì)環(huán)境達(dá)到穩(wěn)定，生態(tài)得到恢復(fù)、景觀得到美化。項目實施完畢后，治理區(qū)內(nèi)受損山體將重披“綠裝”，地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境將大大改善，礦區(qū)道路、房屋達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，使本地村民恢復(fù)了正常生產(chǎn)生活，造福一方人民。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬繼濤，等，棗莊市礦山環(huán)境地質(zhì)問題及恢復(fù)治理〔J〕，地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2004