全充填式注漿法在銅陵某采空區(qū)治理中的應(yīng)用

楊首亞，惠明星

(湖北省地質(zhì)礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北武漢 430022)

0 引言

銅陵市某安置點(diǎn)建設(shè)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)。經(jīng)物探、鉆探圈定采空塌陷區(qū)共計(jì)57 487.89 m2，占評(píng)估場地面積的83.64%，如圖1。

圖1 采空區(qū)分布區(qū)域圖Fig.1 Distribution area ofmined-out area

圖2 煤層產(chǎn)狀及采空區(qū)范圍關(guān)系圖Fig.2 Relation graph of attitude of coal and mined-out area range

采空區(qū)周圍巖體應(yīng)力經(jīng)重新分布后處于相對(duì)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［1］。經(jīng)預(yù)測采空區(qū)發(fā)生塌陷地質(zhì)災(zāi)害危害的可能性中等。為確保采空區(qū)上部建設(shè)用地安全，提高土地資源利用率，需對(duì)建設(shè)用地下部采空區(qū)進(jìn)行治理，消除安全隱患。

1 采空區(qū)的危害性分析

1.1 采空區(qū)的基本特征

礦山經(jīng)多年開采，已形成－32 m中段、－56 m中段、－82 m中段，采空區(qū)主要由巷道及礦房等組成(圖2)。如前所述采空區(qū)面積57 487.89 m2，煤層坡度20°～30°，結(jié)合鉆探資料平均開采厚度1.06 m計(jì)，形成采空區(qū)體積約64 846.6 m3。根據(jù)國內(nèi)煤礦采空區(qū)治理經(jīng)驗(yàn)，采空區(qū)經(jīng)過長期的變形、冒落、巖石膨脹以及地面沉降等作用，其采空區(qū)空洞體積將縮小，取碎脹系數(shù)1.3［2］計(jì)算，采空區(qū)空洞體積約為原采空區(qū)的40%。因此，現(xiàn)狀采空區(qū)總體積約25 938.6 m3。

1.2 采空區(qū)的現(xiàn)狀評(píng)估

工程區(qū)范圍現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害僅為采空塌陷。采空塌陷主要表現(xiàn)為地面下沉，伴生地裂縫及墻體開裂，塌坑則較少。據(jù)調(diào)查，地面、墻體裂縫自發(fā)生以后，裂縫未見擴(kuò)大，采空塌陷趨于穩(wěn)定。但工程區(qū)將作為住宅區(qū)，隨著工程活動(dòng)的增加，有引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)。

1.3 采空區(qū)的危險(xiǎn)評(píng)估

煤礦勘探區(qū)煤層厚度、傾角變化小，屬較穩(wěn)定煤層。影響地面變形的主要因素是采空區(qū)埋深。據(jù)觀測和研究表明，采空區(qū)地表移動(dòng)變形的大小與開采深度呈逆相關(guān)，與開采厚度呈正相關(guān)。根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估技術(shù)規(guī)范(試行)》(國土資源標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃編:2008039)，采深采厚比50～100時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性中等;工程建設(shè)區(qū)煤層埋藏較淺，地面標(biāo)高20.84～51.17 m，采空區(qū)分布標(biāo)高 0 ～ －50 m，平均厚度約1.06 m。工程建設(shè)區(qū)采深采厚比20～90，有可能產(chǎn)生地面變形。

采空區(qū)頂板為P2d、較堅(jiān)硬—軟弱薄層狀炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、粉砂巖，巖石軟硬相間，裂隙較發(fā)育，破碎，穩(wěn)固性差，開采后容易冒落，并有可能導(dǎo)致地面塌陷。

2 全充填式注漿法設(shè)計(jì)

對(duì)于老采空區(qū)治理，目前的治理方法主要有直接法(充填法、局部支撐法、覆巖離層注漿、釋放沉降潛力法)和間接法(采用抗變形方法和后期修補(bǔ)方法)。根據(jù)采空區(qū)埋深等特征，確定采用全充填壓力注漿充填法處理采空區(qū)。

全充填壓力注漿法的原理是在地表施工鉆孔，鉆孔深度達(dá)到采空區(qū)頂板，將注漿管密封在采空區(qū)上覆巖層中，采用泥漿泵，將漿液注入采空區(qū)冒落帶及上部裂隙帶中，漿液的結(jié)石體阻止上覆巖層及地表的進(jìn)一步變形，從而達(dá)到治理采空區(qū)的目的。

2.1 注漿孔的布置

為提高注漿結(jié)石體搭接效率，設(shè)計(jì)采用梅花形孔位布置方式。注漿孔的間距根據(jù)漿液擴(kuò)散半徑R來確定，一般取 1.0 ～1.5 R［3］。根據(jù)同類工程經(jīng)驗(yàn)，漿液擴(kuò)散半徑約15 m，因此注漿孔間距取20 m(現(xiàn)場施工時(shí)，應(yīng)做好試灌、試鉆實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步確定漿液擴(kuò)散半徑，并以此為依據(jù)及時(shí)調(diào)整注漿孔網(wǎng)度，保證充填質(zhì)量)。

區(qū)內(nèi)共布置注漿孔7排，19列，網(wǎng)度20 m×20 m(其中排水渠、道路以及綠化帶內(nèi)不布設(shè)注漿孔)，共布設(shè)注漿孔66個(gè)。施工過程中，根據(jù)鉆孔結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整注漿孔的布置(圖3)。

2.2 注漿量的確定

根據(jù)國內(nèi)采空區(qū)治理工程經(jīng)驗(yàn)，注漿漿液的結(jié)石率一般為85%［4］，漿液對(duì)采空區(qū)及上覆巖層中的裂隙、裂縫的充填率一般為80%。此數(shù)值已考慮了在注漿過程中，漿液向注漿孔壁周圍、采空區(qū)上覆巖層裂隙的滲透損失等。

圖3 采空區(qū)鉆孔布置圖Fig.3 Drilling layout chart ofmined-out area

治理范圍內(nèi)采空區(qū)及巷道空洞總體積約為8 639.7 m3，總注漿量估算如下:

Q總=8 639.7×80%/85%=8 130 m3治理區(qū)共布置注漿孔66個(gè)，估算單孔注漿量約123 m3。而治理范圍內(nèi)，煤層采空區(qū)分布特征及開采的無規(guī)律性，實(shí)際單孔及總注漿量與設(shè)計(jì)有一定出入，工程計(jì)量以實(shí)際注漿量為準(zhǔn)。

2.3 注漿材料

采用水泥粉煤灰漿，32.5 水泥，水固比 1∶0.8 ～1∶1.0，其中水泥占固相的30%，粉煤灰占固相的70%，速凝劑摻入量為水泥用量的2%。具體配比要通過現(xiàn)場取樣試驗(yàn)來確認(rèn)。

2.4 鉆孔深度的確定

勘察孔及注漿孔深度根據(jù)采空區(qū)底板埋深、煤礦開采深度、“兩帶”發(fā)育特征、巷道深度以及建筑物荷載影響深度等綜合確定。

治理區(qū)內(nèi)煤礦最大開采深度為51 m，建筑物荷載最大影響深度為52.3 m。確定注漿孔(含勘探孔)的終孔深度一般為地面至采空區(qū)底板、“兩帶”底部或巷道底部以下約2.0 m，并且最深不宜＞55 m。鉆孔深度如表1所示。

2.5 注漿工藝

注漿工藝流程圖見圖4所示。

圖4 注漿工藝流程圖Fig.4 Flow chart of grouting technology

3 監(jiān)測與分析

選取方案設(shè)計(jì)采用地表觀測法監(jiān)測沉降位移，治理采空區(qū)三區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)四行九列共計(jì)24個(gè)變形監(jiān)測點(diǎn)，如圖5所示。

表1 設(shè)計(jì)鉆孔深度一覽表Table 1 Schedule of design drilling depth 單位:m

3.1 觀測基點(diǎn)設(shè)置

觀測基點(diǎn)設(shè)置在采空區(qū)治理區(qū)域外的兩側(cè)穩(wěn)定區(qū)，基點(diǎn)距采空區(qū)應(yīng)＞60 m，為一組三點(diǎn)式，點(diǎn)間距約50 m。

3.2 觀測點(diǎn)布置

若有特殊巖土存在，觀測點(diǎn)設(shè)在基巖面風(fēng)化帶之下;反之觀測點(diǎn)直接設(shè)置在地表。觀測點(diǎn)等間距布設(shè)，間距為10 m。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)分布圖Fig.5 Distribution map ofmonitoring points

3.3 觀測周期

根據(jù)相關(guān)規(guī)程，觀測周期為10個(gè)月。同時(shí)，在施工前應(yīng)測出基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，施工期間和施工完成時(shí)應(yīng)測出一組數(shù)據(jù)，隨后按10個(gè)月為觀測周期，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 監(jiān)測結(jié)果分布圖Fig.6 Distribution map ofmonitoring results

由圖6顯示治理后采空區(qū)沉降量＜300 mm;垂直變形率τ＜3 mm/m，水平變形率ε＜2 mm/m。根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估技術(shù)規(guī)范(試行)》，表明采空區(qū)發(fā)生塌陷地質(zhì)災(zāi)害的可能性極小，在銅陵市車站新區(qū)三期安置點(diǎn)工程中采用全充填式注漿法治理采空區(qū)是可行合理的。

4 結(jié)論

本工程在詳細(xì)了解煤炭老采空區(qū)現(xiàn)狀及危害的前提下，采用了全充填注漿法治理采空區(qū)的實(shí)施方案，具體介紹了該注漿法的施工工藝和具體布置，根據(jù)后期監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，治理后的采空區(qū)達(dá)到了預(yù)期工程目的和要求，為今后類似老采空區(qū)治理提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

［1］賈新果，陳清通.老采空區(qū)治理技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.能源環(huán)境保護(hù)，2012，26(5):12 －15.

［2］郭廣禮，繆協(xié)興，張振南.老采空破裂巖體變形性質(zhì)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2002(5):45－47.

［3］杜士斌.漿液擴(kuò)散半徑與最優(yōu)布孔［J］.人民黃河，1992，8(8):38－40.

［4］張惠萍.采空區(qū)漿液配合比研究與運(yùn)用［J］.山西交通科技，2009，6(3):9－11.