煤礦采空區(qū)治理技術(shù)研究

摘 要：山西是煤炭資源大省，煤炭開采后形成了很多的采空區(qū)，采空區(qū)治理主要工序包括鉆孔、封孔、制漿、灌漿等，針對(duì)不同采空區(qū)類型，施工工藝流程要適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，文章主要對(duì)煤礦采空區(qū)的治理進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：煤礦；采空區(qū)；治理

中圖分類號(hào)：TD823.83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）14-0179-02

山西煤銷集團(tuán)利民煤業(yè)屬資源整合礦井，由原來的八座已關(guān)閉礦井和六座生產(chǎn)礦井整合而成，井田面積13.6 409 km²。批準(zhǔn)開采2-11號(hào)煤層，核定生產(chǎn)能力為90萬t/a。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，該礦工業(yè)場地下覆的2號(hào)和9+10+11煤層為采空區(qū)，考慮到上部工業(yè)廣場各建筑群的穩(wěn)定性，防止因采空區(qū)引起地面下沉對(duì)建筑物的影響，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理，治理面積約1 220 m2。主要工序包括鉆孔、封孔、制漿、灌漿等，針對(duì)不同采空區(qū)類型，施工工藝流程要適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。施工時(shí)先施工邊緣帷幕孔，以形成有效的止?jié){帷幕，阻擋漿外流，后施工中間注漿孔。注漿工作為間隔分序次進(jìn)行，以提高充填率。經(jīng)過公開工程招標(biāo)，中標(biāo)單位為中科華圣（北京）巖土工程有限公司。通過實(shí)際調(diào)查了解，該公司制定了專項(xiàng)施工組織設(shè)計(jì)。工業(yè)廣場內(nèi)主要建筑物有辦公樓、篩分樓、聯(lián)建樓、機(jī)修車間、3.5 kV變電所、原煤筒倉。

1 場地采空區(qū)工程地質(zhì)概況

采空區(qū)內(nèi)主要開采2#、9+10+11#煤層，2#煤層厚度平均1.37 m，煤層厚度穩(wěn)定，9+10+11#煤層厚度平均6.90m。區(qū)內(nèi)原采煤方法為房柱式，留設(shè)有大量煤柱，回采率25%-35%左右。

2 制漿生產(chǎn)系統(tǒng)

注漿系統(tǒng)由儲(chǔ)料場、一級(jí)攪拌池（機(jī)）、二級(jí)攪拌池（機(jī)）、稱量系統(tǒng)（臺(tái)秤）、供水系統(tǒng)、注漿管道、封孔裝置等組成，現(xiàn)場共設(shè)置兩套集中制漿站。制漿站日制漿能力為720（m3），日平均灌漿量：22740/50=455（m3），完全滿足施工需要。

3 主要材料

灌漿采用水泥粉煤灰漿液，注漿材料主要由水、水泥、粉煤灰、添加劑等組成。

4 采空區(qū)治理方法及技術(shù)措施

主要工序包括鉆孔、封孔、制漿、灌漿等。施工時(shí)，應(yīng)先施工邊緣帷幕孔，以形成有效的止?jié){帷幕，阻擋漿液的外流，后施工中間注漿孔。注漿工作間隔式分序次進(jìn)行，一序次孔漿液可能擴(kuò)散范圍較大，二、三序次孔注漿將使前序次未充填的空洞得到再次充填，從而提高充填率，灌漿按一序、二序、三序孔依次進(jìn)行，每序次必須間隔一定時(shí)間，滿足漿液凝固要求。本工程采空區(qū)施工采用一次成孔，孔口封閉，一次全灌注施工方式。

5 鉆 孔

鉆孔工作開始施工前對(duì)設(shè)計(jì)圖孔進(jìn)行編號(hào)，編序，編制鉆孔參數(shù)表，每個(gè)孔明確孔位坐標(biāo)及每個(gè)具體的深度。鉆孔分為不取芯孔（一般帷幕孔、注漿孔）和取芯孔（包括試驗(yàn)孔、先導(dǎo)孔和檢查孔）。

①鉆孔流程包括注漿孔定位；鉆機(jī)就位；帷幕孔、注漿孔的成孔工藝：用Φ108～Φ150 mm鉆頭開鉆，鉆至基巖下3 m，然后變徑經(jīng)一次變徑，鉆至2#煤層、9#10#11#煤層底板以下0.5 m或采空區(qū)、空洞終孔，終孔孔徑不小于89 mm。

②鉆孔技術(shù)要求。

③澆筑孔口管。

6 制 漿

制漿材料必須稱重，稱量誤差應(yīng)不小于5%，水泥采用袋裝水泥計(jì)量法，砂采用體積計(jì)量，粉煤灰采用體積計(jì)量。各類漿液必須攪拌均勻，測定漿液密度和粘滯度等參數(shù)，并作好記錄。水泥粉煤灰漿液的攪拌時(shí)間：使用普通攪拌機(jī)時(shí)，應(yīng)不少于5min；使用高速攪拌機(jī)時(shí)，應(yīng)不少于40s。注漿材料的配制和取樣檢查：本次注漿漿液材料由水、水泥、粉煤灰組成，水泥采用325#普通或復(fù)合硅酸鹽水泥；普通生活用水；火力發(fā)電廠粉煤灰（Ⅲ級(jí)）；擬處理采空區(qū)范圍邊界的帷幕孔的水泥：粉煤灰固相比（重量比）2：8，漿液水固比（重量比）為0.8：1，并添加水泥重量3%的速凝劑；治理范圍內(nèi)的注漿孔的水泥：粉煤灰固相比（重量比）2：8，漿液水固比（重量比）為1：1。

7 注漿過程及結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

本工程采空區(qū)為雙層采空區(qū)兩次處理，施工采用一次成孔，孔口封閉，自下而上，一次全灌注施工方式。注漿流程及要求：帷幕孔和注漿孔施工工藝，注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)基本相同，不同的是施工先后順序，孔距、添加劑等；帷幕孔采用間歇式注漿，單孔注漿量達(dá)到200m3而未注滿時(shí)，在孔口加漏斗狀投料器，用漿液將砂或粒徑不大于0.5的礦渣帶入孔內(nèi)，同時(shí)按以上注漿方式進(jìn)行循環(huán)灌漿；鉆孔注漿應(yīng)按煤礦采空區(qū)的底板傾斜方向，先施工采空區(qū)底板標(biāo)低位置的注漿孔及構(gòu)造物工點(diǎn)處的注漿孔，再沿傾斜方向由低向高、由邊部向中心展開施工。

7.1 注漿過程

一般按下述程序進(jìn)行：

①帷幕孔、注漿孔注漿時(shí)，均應(yīng)先從低流量（≤90 L/min）開始，當(dāng)孔口壓力≤0.6 MPa時(shí)，可逐漸提高流量。

②當(dāng)孔口壓力＞1.0 MPa時(shí)，要降低流量；當(dāng)注漿量達(dá)到單孔平均注漿量的30%時(shí)，要求用稠漿（1∶1.3～1∶1.4）。

③當(dāng)單孔注漿量較大時(shí)，應(yīng)添加速凝劑，添加速凝劑后，注漿量超過單孔平均注漿量的150%，孔口壓力≤0.6 MPa，注漿泵量≥90 L/min時(shí)，應(yīng)進(jìn)行間歇灌漿，間歇時(shí)間≥12 h。

④間歇過程中，在孔口加入一漏斗狀的投砂器，用漿液將礦渣粗料帶入孔內(nèi)。

⑤間歇后的注漿，不得用稀漿。間歇后注漿時(shí)，應(yīng)確保注漿管（孔）通暢無阻礙。

⑥注漿按一序、二序、三序孔依次進(jìn)行，每序孔必須間隔一定時(shí)間，一序孔宜大間隔進(jìn)行，以進(jìn)一步探明采空區(qū)分布范圍。結(jié)束后對(duì)剩余鉆孔施行注漿，并檢驗(yàn)一序孔注漿效果。

⑦對(duì)空洞區(qū)，為減少注漿量，應(yīng)先灌注天然砂礫料，再灌注水泥粉煤灰漿。

⑧注漿開始后，要定時(shí)觀察注漿泵的吸漿量和泵壓，測定注漿孔及周圍鄰孔的孔內(nèi)水位，記錄注漿過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象、收集原始數(shù)據(jù)，出現(xiàn)特殊情況及時(shí)上報(bào)并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整注漿量和漿液濃度。

⑨注漿過程中如出現(xiàn)地表裂隙大量跑漿時(shí)，應(yīng)采用間歇式注漿，或減少泵量及時(shí)采取地表回填裂隙的措施，阻止?jié){液從地面大量流失。

7.2 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

①孔口管壓力升至1.5 MPa以上，穩(wěn)定15 min，即可終止注漿。

②注漿過程中，孔口壓力＜1.5 MPa，吃漿量≤75 L/min，穩(wěn)定15 min，即可終止注漿。

③地標(biāo)溢漿、鉆孔串漿。

8 灌漿質(zhì)量檢查

灌漿工作結(jié)束1個(gè)月后，礦方會(huì)同監(jiān)理人員進(jìn)行灌漿質(zhì)量的檢查，按照以下規(guī)定的各項(xiàng)質(zhì)量檢查項(xiàng)目和內(nèi)容進(jìn)行了檢查:

①灌漿質(zhì)量檢測孔位置應(yīng)布置在脫空較大、串漿孔集中，或階段性評(píng)估確定的部位，檢查孔的數(shù)量應(yīng)為灌漿孔總數(shù)的5%。

②根據(jù)國內(nèi)同類項(xiàng)目的施工驗(yàn)收經(jīng)驗(yàn)，采取鉆探取芯、波速測井、孔內(nèi)電視觀測和巖芯無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等方法進(jìn)行采空區(qū)治理工程的質(zhì)量檢測，質(zhì)量檢測指標(biāo)：注漿漿液對(duì)采空區(qū)及上伏冒落帶、裂隙帶的充填率≥75%；注漿漿液的結(jié)石率≥80%。室內(nèi)做漿液結(jié)石體強(qiáng)度試驗(yàn)，漿液結(jié)石強(qiáng)度達(dá)到1.0MP；注漿結(jié)束6個(gè)月后，檢查孔取芯檢查冒落巖石中漿液充填情況，取芯率為80%以上；鉆探檢測過程中，循環(huán)液基本不漏失；注漿前注漿孔內(nèi)主要治理地段的波速測試結(jié)果，與注漿后注漿孔內(nèi)主要治理地段的波速測試結(jié)果比較：縱波波速提高率應(yīng)大于15%；質(zhì)量檢測孔內(nèi)的驗(yàn)證注漿量小于該區(qū)平均注漿量的5%～10%。

③灌漿孔灌漿和檢查孔鉆孔注漿結(jié)束后，應(yīng)采用水泥砂漿將孔封填密實(shí)，并將孔口壓抺平整。

④上述工作完成后，進(jìn)行物探探測。

⑤通過上述質(zhì)量檢測，在全面綜合分析的基礎(chǔ)上，礦方、施工方、監(jiān)理方三方最終確定本次灌漿質(zhì)量為合格，不需要補(bǔ)充灌漿。

本次采空區(qū)治理工程于2011年4月13日正式開工，4月31日完工，共用時(shí)109 d。共計(jì)鉆孔15 878 m，灌漿8 333 m3。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐友寧，武征，趙子長.西北地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題及其類型[J].西北地質(zhì)，2001，(2).