注漿加固技術(shù)在小煤窯破壞區(qū)的實(shí)踐應(yīng)用

王哲豪

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司, 山西 太原 030053)

1 工程概況

西山煤電集團(tuán)西曲礦隨著礦井的開拓延伸,南五、南六、南七、南八盤區(qū)的開發(fā),通風(fēng)路線的延長,依靠現(xiàn)有的設(shè)施很難滿足上述盤區(qū)下組煤開采時(shí)的通風(fēng)需要。因此,擬新建風(fēng)井解決通風(fēng)問題。根據(jù)相關(guān)勘察及地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估報(bào)告可知,擬建風(fēng)井場地下存在小煤窯破壞區(qū)。結(jié)合回風(fēng)立井先導(dǎo)孔的鉆進(jìn),在地表以下50～80 m存在不同程度的空洞,據(jù)現(xiàn)場了解有掉鉆情況,綜合判斷為(2+3)號煤層和4號煤層小窯采空區(qū),為保障地表建筑物和新建進(jìn)、回風(fēng)立井井筒的安全使用,必須對該礦麻子塔風(fēng)井場地小煤窯破壞區(qū)進(jìn)行治理。

2 小煤窯破壞區(qū)治理方案設(shè)計(jì)

2.1 治理思路

影響麻子塔風(fēng)井場地穩(wěn)定性的主要因素是房柱式采空區(qū)場地受多源活化因素的影響,可能出現(xiàn)“抽冒性”地面塌陷情況,影響場地?cái)M建建筑物的安全。針對該問題,設(shè)計(jì)對建設(shè)場地進(jìn)行全灌注充填法地基處理,即在地面按一定間距施工鉆孔并鉆至采空底板,將具有特定性質(zhì)的材料(一般為水泥、砂、石子等)配制成漿液,通過地面鉆孔設(shè)置注漿管,以一定壓力注入采空區(qū)及地基巖土體內(nèi)裂隙使其滲透、充填,經(jīng)膠凝、固化后充填,實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)加固治理的目的[1].

2.2 治理方案

針對擬建回風(fēng)立井場地及采空區(qū)特征情況提出采空區(qū)治理方案:

治理場地采空區(qū)屬于小窯采空區(qū),分布具有隨機(jī)性、無序性,為了防止部分未治理采空區(qū)對擬建場地穩(wěn)定性造成影響,治理范圍為以回風(fēng)立井為中心40.0 m直徑范圍內(nèi)。

治理深度內(nèi)共兩層采空區(qū),需治理采空區(qū)為(2+3)號煤采空區(qū)與4號煤層采空區(qū),采空區(qū)間距約20 m,勘察過程在兩層采空區(qū)中均局部出現(xiàn)掉鉆情況,推測頂板完整性較好,采空區(qū)空洞較多,并且部分區(qū)域二者未冒落貫通,需分別治理。

采空區(qū)注漿設(shè)計(jì)采用全灌注充填法,具體治理工法根據(jù)注漿鉆孔的揭露情況進(jìn)行調(diào)整:1) 采空區(qū)注漿鉆孔鉆進(jìn)至(2+3)號煤層底板,若揭露為(2+3)號煤層采空區(qū)時(shí),應(yīng)先對(2+3)號煤層采空區(qū)進(jìn)行注漿充填治理,待漿液初凝后,開展4號煤層采空區(qū)注漿鉆孔的施工,先在原鉆孔的基礎(chǔ)上掃孔至(2+3)號煤層底板,繼續(xù)鉆進(jìn)直至4號煤層底板,進(jìn)行4號煤層采空區(qū)的治理。2) 采空區(qū)注漿鉆孔鉆進(jìn)至(2+3)號煤層底板,若揭露為(2+3)號煤層實(shí)體煤時(shí),應(yīng)繼續(xù)鉆進(jìn)至4號煤層底板,進(jìn)行4號煤層采空區(qū)的治理。

根據(jù)小窯采空區(qū)治理工程經(jīng)驗(yàn),一般情況下小窯采空區(qū)形成空洞體積較小,開采長度3～5 m,煤柱留設(shè)5～8 m. 若地下采空區(qū)連通性較差,注漿孔間距過大易導(dǎo)致部分注漿孔跨越采空區(qū),遺漏重要建設(shè)區(qū)域采空區(qū)的治理。若未治理采空區(qū)在活化因素的影響下出現(xiàn)活化,導(dǎo)致風(fēng)井井筒在掘進(jìn)過程中,因采空區(qū)垮塌造成對井筒側(cè)壁的側(cè)向壓力引發(fā)安全事故,會對擬建風(fēng)井場地的建設(shè)及運(yùn)營造成影響[1-2]. 因此,應(yīng)對井筒周圍及采空區(qū)影響范圍內(nèi)適當(dāng)加密采空區(qū)注漿鉆孔的布設(shè),提高采空區(qū)的探查率,使得地下空洞得到較好的充填效果。

3 小煤窯破壞區(qū)治理方案的實(shí)施

3.1 采空區(qū)注漿鉆孔施工方案

3.1.1 注漿鉆孔工程量及施工組織

鉆孔總數(shù)設(shè)計(jì)為30個,總進(jìn)尺2 400 m,取芯孔2個,非取芯孔28個,成孔控制工期10天。

注漿孔平面布置近似三角形,注漿孔深度:地面至采空區(qū)底板以下1.0 m;注漿長度:采空區(qū)最上部完整巖層頂面以下5 m至采空區(qū)底板;孔口管長度:地表以上0.50 m至采空區(qū)最上部完整巖層頂面以下5 m.

鉆孔基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為150 mm孔徑鉆頭開孔,穿透30 m覆蓋層入巖6 m或鉆入中等風(fēng)化基巖的深度不小于2.5 m,下φ133 mm套管護(hù)壁后變徑,終孔孔徑為108 mm,鉆進(jìn)至80 m采空區(qū)煤層底板1.0 m后終孔。套管露出地面高度為700 mm,與地面固定裝置焊接固定。注漿孔的施工順序需與注漿施工順序相適應(yīng),應(yīng)先施工帷幕孔,再中間孔。

注漿順序從井筒開始:先完成回風(fēng)井15 m半徑鉆孔注漿(6個);施工回風(fēng)井7.5 m半徑鉆孔注漿(3個);完成回風(fēng)井11 m半徑鉆孔注漿(6個);施工進(jìn)風(fēng)井15 m半徑鉆孔注漿(6個);施工進(jìn)風(fēng)井7.5 m半徑鉆孔注漿(3個);施工進(jìn)風(fēng)井11 m半徑鉆孔注漿(6個)。

3.1.2 注漿孔施工方法

1) 標(biāo)定鉆孔孔位。場地平整后、鉆機(jī)就位前,用GPS全球定位系統(tǒng)準(zhǔn)確確定鉆孔具體孔位,如地形復(fù)雜,調(diào)整個別鉆孔孔位時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確核實(shí)。

2) 成孔。采用分序施工。先施工帷幕孔,依次施工一般注漿孔、回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工工藝,并在成孔完成后及時(shí)做好成品保護(hù)。注漿孔施工工藝見圖1.

圖1 注漿鉆孔施工工藝框圖

3.1.3 注漿孔施工質(zhì)量指標(biāo)

孔位偏差小于1.5 m;孔深在采空區(qū)煤層底板下1.0 m;鉆孔偏斜率小于2°/100 m.

3.2 采空區(qū)注漿施工方案

3.2.1 注漿工程量及施工組織

該工程設(shè)計(jì)注漿孔30個,注漿總體積6 884 m3. 注漿漿液為水泥粉煤灰漿,其水固比為1∶1.25,固相比水泥∶粉煤灰為3∶7. 漿液中摻加水泥重量5%的速凝劑(水玻璃)。

注漿液用水泥為符合國家標(biāo)準(zhǔn)的32.5普通硅酸鹽水泥,粉煤灰指標(biāo)應(yīng)符合國家III級標(biāo)準(zhǔn),速凝劑為水玻璃,水應(yīng)符合《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》。依設(shè)計(jì)要求采用先施工帷幕孔、后施工一般注漿孔,控制工期20天。

3.2.2 注漿施工方法

1) 注漿材料的制備。

現(xiàn)場提供水源,要求水的pH值不小于4.0. 采用32.5 MPa的普通硅酸鹽水泥,其質(zhì)量符合國標(biāo)要求。粉煤灰主要指標(biāo)應(yīng)滿足三級粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)。原材料檢驗(yàn)合格方可進(jìn)場。

2) 制漿工藝及檢測。

注漿施工工藝見圖2,圖3.

圖2 注漿站水泥粉煤灰制漿池平面示意圖

圖3 水泥粉煤灰制漿池剖面示意圖

3) 注漿施工。

a) 注漿前應(yīng)向孔內(nèi)壓水5 min.

b) 施工順序?yàn)橄冗吘壸{孔,后中間注漿孔。邊緣注漿孔和中間注漿孔均采用隔空二序次法施工。由于采空地層近水平,施工時(shí)應(yīng)先外后內(nèi)施工。

c) 邊緣注漿孔采用間歇式定量注漿方式,第一序次注漿孔其單孔注漿量為設(shè)計(jì)單孔注漿量的1.3～1.5倍,第二序次注漿孔其單孔注漿量為設(shè)計(jì)單孔注漿量的0.7～1.0倍。

d) 中間注漿孔的第一序次注漿孔采用間歇式定量注漿方式,其單孔注漿量為設(shè)計(jì)單孔注漿量的1.3倍,并在注漿過程中按設(shè)計(jì)單孔注漿量的0.5、0.75倍進(jìn)行間歇,當(dāng)完成注漿量后結(jié)束注漿。第二序次注漿孔,采用定壓注漿方式,滿足停注標(biāo)準(zhǔn)后方可停止注漿。

e) 采用間歇注漿,間歇時(shí)間不小于12 h,每次注漿后及間歇前,應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)壓水,以保證注漿管的暢通。

4 注漿加固效果分析

4.1 鉆探檢測結(jié)果及分析

注漿加固工程結(jié)束3個月后,布置施工4個鉆探檢測孔,檢測結(jié)果如下:

1) 采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、全孔取芯鉆探工藝,每回次巖心采取率對于完整、較完整巖石在80.0%～93.5%,巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD在35%～65%. 場地強(qiáng)-中等風(fēng)化頁巖總體上較破碎-較完整,風(fēng)化程度為強(qiáng)-中等風(fēng)化。

2) 施工的4個鉆探檢測孔注漿段均可見短柱狀、碎塊狀注漿結(jié)石體充填,采空區(qū)冒落段漿液結(jié)石體明顯,孔壁完整,無明顯裂隙,漿液對孔隙和裂縫的充填膠結(jié)效果理想。

3) 施工的4個鉆探檢測鉆孔,鉆進(jìn)過程進(jìn)尺平穩(wěn),正常返漿,無掉鉆、循環(huán)液漏失、孔口吹吸風(fēng)等鉆探異?，F(xiàn)象。

鉆探結(jié)果:所取漿液結(jié)石體呈短柱狀、碎塊狀,這顯示(2+3)號煤層和4號煤層采空區(qū)、冒落裂隙帶、空洞已被注漿漿液實(shí)體充填,不存在未被充填的空洞及較大的空隙,注漿加固效果理想。

4.2 波速測試結(jié)果及分析

對4個檢測鉆進(jìn)行波速測試,檢測段為檢測孔注漿段范圍,測試點(diǎn)距 0.5～1.0 m. 根據(jù)波速測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采空區(qū)注漿段波速值在582.5～675.8 m/s,橫波波速均大于300 m/s. 采空區(qū)未被充填情況下橫波波速一般小于300 m/s,注漿充填后橫波速度變大,橫波速度愈大,說明充填物的強(qiáng)度愈高。從采空區(qū)注漿段波速值數(shù)值可推測,采空區(qū)、冒落裂隙帶、空洞已被注漿漿液凝固成的水泥結(jié)石體充填密實(shí),充填效果較好。

4.3 鉆孔成像結(jié)果及分析

采用鉆孔成像技術(shù),對基巖全段連續(xù)鉆孔成像,直接觀察孔壁巖性、結(jié)石體和巖體完整程度、裂隙分布、空洞比率等。結(jié)果表明:孔壁無明顯的未充填大裂隙、空洞,裂隙充填率大于95%.

4.4 壓漿驗(yàn)證結(jié)果及分析

對鉆探取芯孔進(jìn)行壓漿試驗(yàn)。通過單孔的驗(yàn)證壓漿量判斷其注漿效果,確定檢測孔中有無未被充填的空洞,間接檢測注漿的充填率。驗(yàn)證注漿量小于該區(qū)平均注漿量的 5%～10%. 壓漿漿液配比、終孔條件等工藝參數(shù)與注漿施工相同。結(jié)果表明:壓漿試驗(yàn)的灌注量與平均單孔注漿量之比小于 0.1,其充填率達(dá)到90%以上。

5 結(jié) 論

對西曲礦麻子塔風(fēng)井場地下存在小煤窯破壞區(qū)進(jìn)行了注漿加固處理。治理結(jié)果表明:采空區(qū)、冒落裂隙帶、空洞已被注漿漿液凝固成的水泥結(jié)石體充填密實(shí),充填效果較好,注漿治理質(zhì)量也達(dá)到了采空區(qū)治理要求。