淺談填充式注漿法在煤礦采空區(qū)治理中的應(yīng)用

摘要：為保證煤礦采空區(qū)上部的住宅建設(shè)用地的安全性與穩(wěn)定性，相關(guān)部門應(yīng)對該區(qū)域煤礦的開采歷史進(jìn)行分析，結(jié)合采空區(qū)塌陷的產(chǎn)生原因及該類型區(qū)域的危害情況，提出恰當(dāng)?shù)闹卫矸桨?。本文以山東省濟(jì)南市某煤礦采空區(qū)治理為例，采用填充式注漿法對采空區(qū)及裂隙進(jìn)行治理，檢測結(jié)果表明，在該方法治理下，采空區(qū)的塌陷失穩(wěn)情況得到有效治理，因此該方法具有良好的治理作用。

關(guān)鍵詞：填充式注漿法；煤礦；采空區(qū)；治理

山東省濟(jì)南市章丘區(qū)諾貝爾城西側(cè)某場地工程建設(shè)規(guī)劃為住宅樓，工程建設(shè)區(qū)范圍內(nèi)存在開采煤礦形成的采空區(qū)，擬建場地用地面積約73245m2（合計(jì)109.9畝），建設(shè)17棟18層高層建筑與2棟3?4層的商業(yè)樓及會(huì)所。

采空區(qū)周圍巖體應(yīng)力經(jīng)重新分布后處于相對平衡狀態(tài)，而在受上部建筑荷載或其他外力作用下，極有可能造成采空區(qū)“活化”，發(fā)生塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。經(jīng)踏勘及勘察，發(fā)現(xiàn)部分住宅樓位置場地建設(shè)適宜性差，因此采取注漿措施來解決這一問題。為了確保采空區(qū)上部高層建設(shè)用地安全，相關(guān)部門將采取有效措施，包括對影響擬建建筑物的煤礦采空區(qū)及冒落帶、破碎帶進(jìn)行注漿治理，以消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，并使治理后的場地成為適宜進(jìn)行工程建設(shè)的場地，從而提高土地資源的利用率。

一、采空區(qū)的危害性分析

（一）采空區(qū)的基本特征

煤礦資源開采歷史悠久，太原組和山西組是主要含煤地層。這些礦井為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。自建礦至今，當(dāng)?shù)匾呀?jīng)開采了煤3、煤4、煤9三個(gè)煤層，具體情況如下：

煤3層處于山西組中下部，其可開采煤層的穩(wěn)定性極低，頂板為粉砂巖，底板為黏土巖，極不穩(wěn)定，于 2003 年年底前已全部采完。

煤4層賦存于山西組下部，埋深 35～70m，頂板為粉砂巖，底板為黏土巖，整體穩(wěn)定性不佳。據(jù)資料顯示，原煤4層釆空區(qū)位于擬建場區(qū)中北部，該煤層回釆率約 50%。

煤9賦存太原組下部，其結(jié)構(gòu)單一，但是內(nèi)部煤礦的分布較薄，可采厚度僅有0.81m，頂板由泥巖、粉砂巖組成，底板由以泥巖、粉砂巖、中砂巖組成。埋深 75?210m。據(jù)資料顯示，煤9層采空區(qū)位于擬建場區(qū)西北部，礦層回釆率約 85%。

場區(qū)內(nèi)煤3層采空區(qū)面積為5319m2，影響帶范圍為14595m2，合計(jì)19914m2，全部位于煤4層采空區(qū)及影響帶范圍內(nèi)，治理煤4層時(shí)一并治理；煤4層采空區(qū)面積為26778m2，影響帶范圍為35156m2，合計(jì)61934m2；煤9層采空區(qū)面積為4084m2，影響帶范圍為 10928m2，合計(jì) 15012m2。

（二）采空區(qū)的現(xiàn)狀評(píng)估

規(guī)劃建設(shè)場區(qū)內(nèi)存在頂板巖石塌落不密實(shí)的充水采空區(qū)，存在后續(xù)活化的可能性，導(dǎo)致發(fā)生地面不均勻沉降，對規(guī)劃建設(shè)建筑物影響較大，綜合分析采空區(qū)的實(shí)際情況，當(dāng)前在采空區(qū)域內(nèi)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，有局部場區(qū)范圍內(nèi)規(guī)劃建筑物適應(yīng)性差。若要對其進(jìn)行建筑物規(guī)劃，應(yīng)提前對采空區(qū)進(jìn)行治理，提高采空區(qū)上部建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，或避開不穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，避免后續(xù)建設(shè)過程中出現(xiàn)危險(xiǎn)。

（三）根據(jù)采空區(qū)特征判定影響程度

在采空區(qū)域范圍內(nèi)，地表部分較為穩(wěn)定，但地下區(qū)域存在塌陷和充水情況。在長時(shí)間作用下，充水采空區(qū)域周圍的煤柱等結(jié)構(gòu)受到侵蝕和破壞，導(dǎo)致場區(qū)內(nèi)采空區(qū)存在塌落不充分的可能，因此該區(qū)域危險(xiǎn)性較強(qiáng)。根據(jù)相關(guān)資料進(jìn)行判斷，本項(xiàng)目中采空區(qū)存在情況對地上的建筑規(guī)劃影響較大。

二、填充式注漿法

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)前針對建筑規(guī)劃范圍內(nèi)采空區(qū)治理的方案包括兩種：一種是對地面規(guī)劃的建筑物采取一般工程防護(hù)措施，采取形式包括地基換填、采取工程樁，增加建筑物的抗變形能力，使其能夠在地基不穩(wěn)定的情況下，抵消地下結(jié)構(gòu)變形帶來的影響，保持地面的穩(wěn)定性；另一種是對采空區(qū)域進(jìn)行填充式注漿治理。

（一）采空區(qū)治理深度及范圍

按照相關(guān)規(guī)范，采空區(qū)內(nèi)注漿治理深度需要布設(shè)至采空區(qū)底板以下2m，在采空區(qū)影響帶內(nèi)，按照基巖70°、第四系45°的移動(dòng)角推算影響范圍，結(jié)合實(shí)際情況的推算采空區(qū)范圍調(diào)整注漿孔深度，使其能夠保持在移動(dòng)影響帶的下方，同時(shí)控制治理深度范圍為5～10m，相關(guān)部門在本次施工中選擇控制治理深度10m，根據(jù)孔口高程和設(shè)計(jì)孔底高程決定注漿孔的實(shí)際鉆空深度。

治理范圍是對建筑基礎(chǔ)有影響的采空區(qū)及其塌落邊坡影響范圍內(nèi)的不穩(wěn)定區(qū)域，治理區(qū)域內(nèi)分布有煤3層、煤4層和煤9層采空區(qū)。

（二）注漿孔布置

根據(jù) 《煤礦采空區(qū)建（構(gòu)）筑物地基處理技術(shù)規(guī)范》（GB 51180—2016）的規(guī)定，注漿孔應(yīng)采用正三角形布置，其間距應(yīng)參照表1中的規(guī)定進(jìn)行確定。

根據(jù)《勘察報(bào)告》，煤9層采空區(qū)為堅(jiān)硬頂板，回采率≥60%，孔間距取值15m。煤4層和煤3層采空區(qū)無堅(jiān)硬頂板，回采率≥60%，取值12m，煤4層采空區(qū)影響范圍內(nèi)適當(dāng)放稀，孔間距取15m。

由于煤9層采空區(qū)及其影響范圍全部位于煤4層采空區(qū)內(nèi)，煤9層治理區(qū)的鉆孔同時(shí)作為煤4層治理區(qū)的鉆孔進(jìn)行分段注漿，因此按照12m 間距進(jìn)行布設(shè)，以滿足對煤4層采空區(qū)的治理要求。由于西北部存在采空區(qū)，西南部存在巷道，均與外圍采空區(qū)及巷道貫通，需布設(shè)帷幕孔以阻斷場內(nèi)采空區(qū)及巷道與外圍的聯(lián)系，采用正三角形雙排布設(shè)，采空區(qū)區(qū)域孔間距10m，巷道區(qū)域孔間距 5m。

場區(qū)內(nèi)共布置注漿孔437個(gè)，總進(jìn)尺52019m，取芯孔26個(gè)，取芯孔總進(jìn)尺3665m，注漿孔411個(gè)，注漿孔總深48354m。施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整，確保能夠使?jié){液填充整個(gè)采空區(qū)范圍內(nèi)，同時(shí)滿足注漿孔鉆至采空區(qū)底板下設(shè)計(jì)深度。

（三）注漿量確定

根據(jù)國內(nèi)采空區(qū)治理工程經(jīng)驗(yàn)，在制漿后，應(yīng)現(xiàn)場取樣對結(jié)石率進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)規(guī)定給出取值區(qū)間為75%～95%，本次取值確保達(dá)到80%，同時(shí)控制注漿的填充率，相關(guān)規(guī)定給出取值區(qū)間為85%～95%，本次要求整個(gè)采空區(qū)的填充系數(shù)達(dá)到90%。在計(jì)算注漿量時(shí)，應(yīng)注意漿液的滲透損耗等情況，確保計(jì)算的精準(zhǔn)性。采空區(qū)注漿量估算見表2。在治理區(qū)范圍內(nèi)，煤層采空區(qū)的分布和開采的沒有明顯的規(guī)律，真實(shí)的灌注量與設(shè)計(jì)值存在一些差異，因此，施工計(jì)量應(yīng)以實(shí)際注漿量為準(zhǔn)。

采空區(qū)的復(fù)雜性，僅憑有限的鉆孔點(diǎn)很難準(zhǔn)確查明擬建場地下采空區(qū)的情況。因此，在施工過程中，施工單位應(yīng)根據(jù)“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，信息化施工”的原則，對注漿孔的孔深、鉆孔的位置和數(shù)量以及注漿量大小等進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化，以確保建筑工程質(zhì)量。

（四）注漿漿液制拌

1.注漿材料

經(jīng)過現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)處于地下水位以下并屬于充水狀態(tài)。漿液在采空區(qū)中流淌范圍和方向難以確定，因此需要在漿液中添加固化劑使其速凝，以防止?jié){液流失過大。根據(jù)采空區(qū)注漿治理的經(jīng)驗(yàn)，本次注漿設(shè)計(jì)采用特定的材料和配比，在正式注漿前，應(yīng)根據(jù)注漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果，精確設(shè)定水灰比和添加劑的用量。

注漿材料主要為水泥和粉煤灰以及添加劑，水泥以P·S·A32.5為主，粉煤灰則符合二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，添加劑以減水劑、速凝劑為主。

2.注漿配合比

釆空區(qū)填充漿液為水泥、粉煤灰混合料漿，水泥與粉煤灰的比例為4 ：6，應(yīng)根據(jù)注漿結(jié)石體的強(qiáng)度、漿液流動(dòng)性等因素，從稀到濃的調(diào)整水固比，一般調(diào)整的順序由1.2：1到1：1再到0.8：1，而在釆空區(qū)充水時(shí)，應(yīng)使用更高的水固比。煤礦采空區(qū)空洞較大的區(qū)域，加入φ0.5～10的骨料作為填充使用。若含有固化劑等多種材料的漿液時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合固化強(qiáng)度、是否產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)等方面進(jìn)行針對性配比。

對于特殊性注漿孔和明顯具有掉鉆現(xiàn)象的注漿孔，如鉆探出現(xiàn)巷道及未坍塌的采空區(qū)等，為控制漿液擴(kuò)散過遠(yuǎn)，節(jié)省材料消耗，在孔口安裝漏斗狀注漿設(shè)備，將石子用漿液帶入孔內(nèi)，同時(shí)調(diào)整水固比應(yīng)按照由稀到濃的原則。

（五）注漿工藝

1.注漿方式

對于勘察出單層采空區(qū)治理的區(qū)域采用單層式注漿工藝；對于勘察出雙層采空區(qū)治理的區(qū)域采用上行式注漿工藝。

單層式注漿：第一步，鉆孔至所需治理深度，然后停止鉆進(jìn)，拔出鉆桿；第二步，安裝注漿管路并封孔；第三步，對注漿孔進(jìn)行壓水清洗，以檢驗(yàn)注漿管里是否通暢，是否有漏水情況；第四步，開始注漿；第五步，達(dá)到終孔條件后停止注漿，取出注漿管路。

上行式注漿：第一步，將鉆孔鉆入至煤9層底板以下2m或影響帶以下10m；第二步，安裝注漿管并封孔（封孔位置在煤4層底板以下完整基巖）；第三步，對注漿孔進(jìn)行壓水沖清，以檢查注漿管是否通暢，是否有漏水情況，并沖刷封堵的巖層裂隙；第四步，開始注漿；第五步，達(dá)到終孔條件后停止注漿，取出注漿管路；第六步，上移注漿管出漿口，使出漿口位于上層采空區(qū)，安裝注漿管路并封孔（封孔位置在煤3層頂板以上完整基巖）；然后重復(fù)第三至第五步，注漿過程中確保注漿管路的安全性和穩(wěn)定性，并采取有效措施。

采空區(qū)治理嚴(yán)格執(zhí)行注漿順序，注漿施工時(shí)，應(yīng)按次數(shù)間隔成孔，分4個(gè)序次成孔，孔序的注漿順序顯得尤為重要。在通常情況下，為了避免出現(xiàn)漿液外流問題，先開展帷幕注漿，再按照“先深后淺”的原則進(jìn)行中間孔注漿。

2.注漿壓力

注漿壓力可以確保注漿施工順利完成，然而，注漿壓力越大，也會(huì)引發(fā)許多新的問題。例如，會(huì)引發(fā)地面隆起，破壞地下管線。因此，合理控制注漿壓力顯得尤為重要。

本次治理過程中，各個(gè)煤層特點(diǎn)不同需要調(diào)整注漿時(shí)壓力。其中煤3層和煤4層相距較近，壓力相似，該治理層位的注漿壓力為1.0～1.5MPa。煤9層較深，應(yīng)增大注漿壓力，可以將注漿壓力調(diào)至1.5～2.0MPa。具體壓力情況需要結(jié)合實(shí)際情況作出調(diào)整。應(yīng)注意的是在注漿壓力提高后，施工危險(xiǎn)性加強(qiáng)，應(yīng)加大施工安全保障力度。

終量終壓的規(guī)定，對于煤3層和煤4層采空區(qū)進(jìn)行注漿時(shí)，當(dāng)注漿孔孔口管壓力為達(dá)到注漿壓力的1.2倍，泵量低于50L/min，并且保持穩(wěn)定狀態(tài)至少15min，可以結(jié)束該孔注漿；對煤9層采空區(qū)，當(dāng)注漿孔孔口管壓力為2.4MPa，泵量低于50L/min，穩(wěn)定并保持至少15min，可以結(jié)束該孔注漿。

（六）變形監(jiān)測

在采空區(qū)注漿治理前，相關(guān)部門初步設(shè)置56個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，以監(jiān)控地表水平位移、垂直位移、裂縫和道路變化。根據(jù)現(xiàn)場及周邊重要建（構(gòu)）筑物的情況，制定合理的地表變形監(jiān)測方案，并在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行初始觀測；在采空區(qū)治理過程中，及時(shí)監(jiān)測地表變形量，一旦發(fā)現(xiàn)變形過大，應(yīng)立即采取處理措施。

在施工期間，監(jiān)測頻率為1次/5～10天，地面變形活躍期內(nèi)，觀測周期取小值，地面變形衰退期及以后取大值。道路變形監(jiān)測報(bào)警值為25mm。監(jiān)測周期為開始施工至注漿施工完成并驗(yàn)收合格。

（七）注漿檢測

按照規(guī)定，采空區(qū)質(zhì)量檢驗(yàn)宜在施工結(jié)束三個(gè)月后進(jìn)行，業(yè)主單位委托有資質(zhì)的檢測單位進(jìn)行注漿效果檢測，先采用綜合地球物理勘探進(jìn)行查驗(yàn)，根據(jù)物探檢驗(yàn)情況布置檢驗(yàn)鉆孔驗(yàn)證注漿效果，再根據(jù)物探和鉆孔驗(yàn)證結(jié)果確定是否需要補(bǔ)充注漿以及采空區(qū)下一步治理施工內(nèi)容。若有必要可進(jìn)行補(bǔ)注漿，檢測合格后方可建設(shè)。

根據(jù)《煤礦采空區(qū)建（構(gòu)）筑物地基處理技術(shù)規(guī)范》（GB 51180—2016）的規(guī)定，注漿治理效果進(jìn)行檢測，檢測項(xiàng)目包括結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度、充填系數(shù)、橫波波速、傾斜值、水平變形值、曲率值。

現(xiàn)場檢測采用多方法綜合檢測技術(shù)，主要采用鉆探取芯、注漿結(jié)實(shí)體強(qiáng)度檢測、物探測試等方法進(jìn)行注漿治理工程的質(zhì)量檢測。

三、結(jié)語

在對本項(xiàng)目煤礦采空區(qū)現(xiàn)狀及危害的全面分析后，相關(guān)部門采取填充式注漿法治理采空區(qū)的措施，詳細(xì)介紹該施工工藝和施工組織，經(jīng)過中期檢測報(bào)告，一期地塊注漿治理后的采空區(qū)達(dá)到預(yù)期工程目標(biāo)，為今后類似煤礦采空區(qū)治理提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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作者簡介：李金磊 （1988），河北省三河市人，本科，助理工程師，研究方向?yàn)樗きh(huán)地質(zhì)。