膏體充填技術(shù)在某采空區(qū)治理中的應(yīng)用

梅國和

(江西銅業(yè)集團公司銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司)

膏體充填技術(shù)在某采空區(qū)治理中的應(yīng)用

梅國和

(江西銅業(yè)集團公司銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司)

結(jié)合銀山礦新建酸性水庫場區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)的特點及分布狀況，采用膏體充填技術(shù)進行治理，介紹了充填鉆孔工藝、膏體充填工藝及檢測手段，通過對采空區(qū)膠結(jié)充填體的充填率及巖芯抗壓強度、透水性檢測，結(jié)果均滿足設(shè)計要求。實踐表明，膏體充填技術(shù)能夠達到很好的預(yù)期效果，為同類采空區(qū)治理工程提供了一定的借鑒依據(jù)。

膏體充填 鉆孔及充填工藝 采空區(qū)

礦山井下開采過程中,采取預(yù)留保安礦柱等技術(shù)措施以維持開采過程中空區(qū)暫時性穩(wěn)定。隨著開采完畢,地壓受到爆破等震動荷載的擾動形成二次應(yīng)力重新分布,采礦過程中形成的空區(qū)難以維持自身的穩(wěn)定,給地表重要建筑物或者重要工程安全帶來了潛在的威脅,因此,對開采過程中形成的采空區(qū)進行技術(shù)處理成為保障安全開采的重要措施,可以有效地控制地表塌陷、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，遏止采礦導(dǎo)致區(qū)域性水位下降，防止地表水和地下水動態(tài)平衡系統(tǒng)遭受破壞[1-2]。

隨著銀山礦生產(chǎn)規(guī)模的進一步擴大，為了滿足生產(chǎn)需求及保護環(huán)境，在廢石場下游建一座水庫收集排土場產(chǎn)生的酸性水，由此，為保證酸性水庫的正常運行，避免廢石堆場范圍內(nèi)發(fā)生大面積坍塌，必須對新建酸性水庫場區(qū)范圍內(nèi)存在的采空區(qū)進行治理。

1 酸性水庫概況

由于堆積廢石含有酸性物質(zhì)，致使降雨淋濾產(chǎn)生酸性水。為了治理廢石場酸性水對當(dāng)?shù)丨h(huán)境污染，銀山礦業(yè)公司新建一座酸性水庫處理設(shè)施，新建酸性水庫包括酸性水壩、酸性水壩壩肩溢洪道、酸性水庫淹沒區(qū)、地表填方區(qū)、攔擋壩及引水渠等主要工程設(shè)施。壩頂標(biāo)高為106 m，設(shè)計最大壩高21 m，壩長88 m,總庫容為23.9萬m3。庫區(qū)地形為山區(qū)，范圍內(nèi)南側(cè)為山梁，北邊為山丘，溝谷即庫區(qū)容水范圍,北側(cè)和東側(cè)為礦山廢石堆場。庫區(qū)內(nèi)最高海拔高程為235 m，溝谷出口為大壩，壩址處高程為85 m。

2 采空區(qū)概況

采空區(qū)形成于上世紀(jì)80年代。礦山采用無底柱留礦法，礦塊走向長度大于30 m。礦塊開拓系統(tǒng)大部分為底板巷道，規(guī)格為2.2 m×2.5 m，通過出礦穿脈與探礦沿脈巷道相通，形成中段平面環(huán)形開拓，采空區(qū)一般不處理。礦山現(xiàn)有的采空區(qū)主要分布在攔擋壩北側(cè)的廢石堆場區(qū)，采空區(qū)自北向南有礦脈10-3、10-1B、10-1C、10-4東西走向，傾角多為75°～87°，礦脈厚2～3m。經(jīng)統(tǒng)計，采空區(qū)充填體積為4.8萬m3，其中攔擋壩北側(cè)附近A類空區(qū)充填總體積為13 950 m3，填方區(qū)廢石堆場A類空區(qū)充填總體積為30 965 m3，B類空區(qū)充填總體積為 3 080 m3。

3 施工工藝

根據(jù)采空區(qū)產(chǎn)狀及分布情況，于地表沿采空區(qū)走向按一定間隔布置充填孔，直達采空區(qū)頂板。充填孔成孔后鋪設(shè)充填管路，利用充填泵注入水泥-尾礦砂膏體充填料，最后采用注漿泵將純水泥漿或稀釋后較低濃度的充填料高壓輸送到采空區(qū)以完成充填注漿接頂。為保證采空區(qū)充填質(zhì)量，施工檢測孔，鉆探取芯，通過采空區(qū)段的壓、注水試驗和三維掃描影像等檢測手段，檢查充填后采空區(qū)內(nèi)漿液結(jié)石體的充填密實情況等，必要時補注純水泥漿或稀釋后低濃度的充填料以消除質(zhì)量隱患，實現(xiàn)采空區(qū)的完全充填[3-5]。

3.1 鉆孔工藝

3.1.1 孔位布置

本工程鉆孔設(shè)計分三序施工，其中Ⅰ、Ⅱ序孔為充填孔，孔間距為20 m，Ⅰ序充填孔原則上按40 m布置，Ⅱ序充填孔位于兩側(cè)Ⅰ序孔中間，Ⅲ序檢測孔位于Ⅰ、Ⅱ序充填孔中間，孔位布置示意見圖1。

圖1 鉆孔孔位布置示意

充填檢測孔鉆孔根據(jù)采空區(qū)分布方向和礦體走向方向基本按線性布孔，孔間距基本為20 m。攔擋壩北側(cè)采空區(qū)布設(shè)9個檢測鉆孔，填方區(qū)廢石堆場采空區(qū)布設(shè)13個檢測鉆孔。根據(jù)現(xiàn)場施工情況，為便于施工安排，可對檢測孔孔序進行相應(yīng)調(diào)整。

3.1.2 鉆孔施工

充填孔施工采用XY-4型回轉(zhuǎn)鉆機，選擇φ172 mm開孔口徑，鉆進至穿過強風(fēng)化千枚巖地層，進入中等風(fēng)化千枚巖地層深度大于6 m后，換φ152 mm鉆頭，鉆進至揭露采空區(qū)位置終孔。如果開孔后遇地層易破碎、坍塌嚴(yán)重影響施工情況，可以增大開孔口徑，擴孔至φ203 mm，穿過破碎地層后下放φ194 mm護壁管。充填鉆孔施工流程見圖2，充填鉆孔的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 鉆孔施工流程

圖3 充填鉆孔結(jié)構(gòu)

3.2 充填工藝

3.2.1 漿液制備

配料倉的尾砂、水泥、外加劑經(jīng)過配料機和配料皮帶進入雙輥強制式連續(xù)攪拌機，攪拌均勻后通過充填泵送入鉆孔內(nèi)。實際施工時，砂漿的骨料配比和含水量應(yīng)通過現(xiàn)場配合比試驗確定。

砂漿中骨料質(zhì)量比為75%以上，塌落度為15～25 cm，同時可按采空區(qū)重要性調(diào)控灰砂比。A類采空區(qū)控制灰砂比在(1∶5)～(1∶6)。B類采空區(qū)和漿液充填堆積體在崩落碎石堆(垂高大于20 m)連接成三角堆后，可適當(dāng)降低水泥摻量，控制灰砂比在(1∶6)～(1∶7)，漿液性能根據(jù)實際施工情況進行調(diào)配，選擇適于不用充填施工的砂漿比例。采空區(qū)圍巖裂隙、內(nèi)部冒落松散堆積體及充填接頂采用高濃度水泥單液漿或稀釋后灰砂比1∶6、骨料質(zhì)量比50%左右的砂漿，充填漿液結(jié)石強度不小于2 MPa。漿液配備流程見圖4。

圖4 漿液制備流程

3.2.2 漿液輸送

為了減少漿液輸送過程中出現(xiàn)的易堵管現(xiàn)象，采用混凝土輸送泵壓力泵送充填砂漿至孔口。主充填管水平段采用無縫鋼管，主充填管垂直段上口與水平主充填管連接處應(yīng)設(shè)伸縮管；主充填管垂直段下口與水平主充填管連接處及反向敷設(shè)的水平主充填管最低處應(yīng)設(shè)排砂閥；充填管道連接件的強度不應(yīng)低于所連接管材的強度。采用連續(xù)制漿，連續(xù)充填，砂漿攪拌均勻，充填能力大，每班充填結(jié)束后采用清水沖洗管路，其水壓不應(yīng)小于0.15 MPa。

3.2.3 充填接頂

對于頂板堅實、充填較差的采空區(qū)適于灌注膏狀漿液；對于頂板冒落、采空區(qū)已被碎石大部充填的情況適于灌注流動性較好的膏體；對于頂板部分冒落、采空區(qū)被部分充填的情況可以綜合采用上述2種性質(zhì)的漿液，最終保證采空區(qū)的充填、注漿治理效果。

單孔充填施工分階段進行，根據(jù)采空區(qū)內(nèi)情況合理調(diào)配漿液濃度和配比，一般分3個階段：先使用坍落度較大、擴散性較好的砂漿充填采空區(qū)下部的松散堆積物，再使用正常配比砂漿充填采空區(qū)空洞，最后封閉孔口，采用壓力灌注濃水泥漿或稀釋后砂漿的方式保證注漿接頂。

由于砂漿的流動性相對較差，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)的充填料不能流動后，要延長場內(nèi)管道和擺動充填管道。本方案布置的穿脈間距為20 m左右，穿脈兩側(cè)的管道基本上可以對接，使其砂漿容易填滿三角體空缺和接頂。當(dāng)充填鉆孔孔口返漿現(xiàn)象出現(xiàn)后，封閉充填管路，高壓泵送灌注濃水泥漿或稀釋后砂漿，當(dāng)孔口壓力大于1 MPa，流量小于70 L/min，持續(xù)10～20 min，即可結(jié)束該孔的充填接頂施工。

3.3 充填檢測鉆孔要求

(1)充填檢測鉆孔施工前，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，將場地清基至強風(fēng)化巖，判斷是否存在采空區(qū)垮塌所產(chǎn)生的大裂縫。

(2)充填檢測鉆孔孔位(可根據(jù)巷道的采場剖面圖進行調(diào)整)實際測放位置不應(yīng)超過設(shè)計位置50 mm。

(3)充填檢測鉆孔應(yīng)揭露整個采空區(qū)，并應(yīng)鉆進至底板以下2～3 m，巖芯采取率要求達到70%～80%。

(4)充填檢測鉆孔施工先采用φ110 mm成孔，揭露到采空區(qū)位置并揭穿采空區(qū)后，根據(jù)巖芯和壓水試驗結(jié)果判斷采空區(qū)防滲性，再判斷是否需要補充灌漿。

(5)對于需要充填的檢測鉆孔，充填下料管選用相應(yīng)口徑的直縫焊接管。

(6)充填檢測鉆孔如果超過設(shè)計深度10 m仍未揭露到采空區(qū)，則根據(jù)相鄰充填孔施工情況沿垂直礦脈走向適當(dāng)偏移。

3.4 工程檢測

考慮到工程具有隱蔽性強、施工難點多等特點，根據(jù)實際情況可選擇井下電視探測、井間電阻率測試等多種檢測手段對充填注漿質(zhì)量進行綜合評價。

3.4.1 井下電視探測

充填孔鉆探成孔后，為了判別采空區(qū)的空洞大小、冒落充填情況等，采用HYGD-08型360°旋轉(zhuǎn)式井下電視測井系統(tǒng)，利用井下成像技術(shù)對鉆孔內(nèi)情況進行探查，指導(dǎo)后期充填施工。充填施工完成后，通過鉆機掃孔后仍可以下放該儀器進行采空區(qū)充填注漿效果檢測。

3.4.2 井間高密度電阻率成像測試

待充填鉆孔施工完畢后，在具備施工條件的情況下采用井間高密度電阻率成像法對漿液充填效果進行檢測。利用已終孔充填鉆孔或者檢測孔進行測試，測試孔間距宜為40～80 m。將2根帶有16個電極(電極距為8 m)的電纜下至2個待測鉆孔的設(shè)計位置，固定好后進行一次數(shù)據(jù)測量。一次測量可得到約15 000對數(shù)據(jù)，每對數(shù)據(jù)包括一個電壓值和一個電流值，可覆蓋120 m的范圍。

4 應(yīng)用效果

4.1 充填率及膠結(jié)強度檢測

通過施工檢測孔及采用井下電視，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)已經(jīng)大部分充填接頂，滿足國家相關(guān)規(guī)范的要求。檢測孔砂漿芯樣抗壓強度試驗表明抗壓強度均大于設(shè)計值2 MPa，合格率為100%，部分鉆孔的抗壓強度試驗結(jié)果見表1。

表1 檢查孔砂漿芯樣抗壓強度試驗統(tǒng)計 MPa

4.2 透水性檢測

為了保障充填體有必要的防水性，開展透水性檢測。采用簡易壓水試驗，注漿前選取1～2個鉆孔測試該地層透水率。注漿完成后采用簡易壓水試驗檢查地層透水性，注漿改造后構(gòu)造角礫巖地層單位透水率不大于1 Lu。

注漿前選取k3-5、k8-10鉆孔進行壓水試驗，單位透水率為10.9～12.95 Lu。為檢查構(gòu)造角礫巖施工質(zhì)量，工程中共施工8個檢查孔。各檢查孔的壓水試驗結(jié)果見表2。

表2 檢查孔壓水試驗結(jié)果 Lu

從表2可以看出檢查孔的單位透水率為0.44～0.83 Lu，均小于1 Lu，符合設(shè)計要求,保障了作業(yè)安全。

5 結(jié) 語

結(jié)合銀山礦酸性水庫廢石堆場區(qū)下的采空區(qū)分布情況，采用膏體充填技術(shù)，結(jié)合充填孔與探測孔，對鉆孔充填工藝進行詳細論證，在鉆孔及充填過程中，采取適當(dāng)?shù)臋z測措施，通過采空區(qū)充填率檢測、鉆取巖芯抗壓強度測試、透水性檢測等，結(jié)果均滿足國家規(guī)范及安全設(shè)計要求，取得了良好的效果，為其他類似工程提供了一定的參考。

[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] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，國家煤礦安全監(jiān)察局．煤礦防治水規(guī)定[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2009．

[3] 魏軍才.邵東縣城石膏礦老采空區(qū)地面變形原因及防治對策[J].湖南地質(zhì),2001,20(1):48-52.

[4] 李萬平,沈洪誼.鉆孔充填壓漿法在采空區(qū)治理中的應(yīng)用—以湖南省邵東某石膏礦采空區(qū)為例[ J].中國煤田地質(zhì),2007,19(6):79-81.

[5] 劉獻華.紫金山金礦采空區(qū)處理技術(shù)研究[J].有色礦山,2002,31(1):55-58.

2016-11-17)

梅國和(1970—)，男，工程師，334201 江西省德興市銀城北路。