工業(yè)廣場采空區(qū)充填治理方法研究

鄧天琳

工業(yè)廣場采空區(qū)充填治理方法研究

鄧天琳

結合大同煤礦集團公司四老溝礦南羊路副立井工業(yè)場地地面建筑和下伏采空區(qū)現(xiàn)狀，依據(jù)礦區(qū)地面建、構筑物保護等級劃分，對南羊路工業(yè)場地下伏采空區(qū)提出治理方法，介紹地面注漿法治理采空區(qū)的施工工藝。

工業(yè)廣場；采空區(qū)治理；充填；地面注漿法

0 前言

大同煤田為雙系煤田，即侏羅系煤系和石炭二疊紀煤系大部分區(qū)域上、下重疊賦存。四老溝礦目前上部侏羅系大部分煤層（2號、3號、4號、11號煤層）已被開發(fā)利用。為了解決侏羅系礦井資源接替、礦井人員安置就業(yè)問題，大同煤礦集團將塔山、同忻、馬脊梁部分石炭系資源調(diào)配到四老溝礦，由四老溝礦進行生產(chǎn)。為了消除四老溝礦南羊路副立井工業(yè)廣場下侏羅系煤層采空區(qū)的安全隱患，確保工業(yè)廣場內(nèi)井筒建設安全，以及避免地面新建建（構）筑物建成后發(fā)生較大的下沉、變形以及陷落柱破壞，需對南羊路工業(yè)廣場下伏采空區(qū)進行治理。

1 采空區(qū)治理方法概述

地下固體礦床開采后的空間及其圍巖失穩(wěn)而產(chǎn)生的位移、開裂、破碎垮落，直至上覆巖層整體下沉、彎曲所引起的地表變形和破壞的地區(qū)和范圍統(tǒng)稱為采空區(qū)。當采空區(qū)的穩(wěn)定性評價結果為不穩(wěn)定或者次穩(wěn)定時，就需要選擇合適的采空區(qū)治理方法進行處理。煤礦采空區(qū)的治理方法目前主要有地面注漿充填法、井下回填法和開挖回填法3種。

（1）地面注漿充填法：通過地面打孔，利用注漿泵、注漿管路，將具有充填、膠結性能的漿液材料注入采空區(qū)空間或采空區(qū)的垮落帶、裂隙帶，漿液膠結固化后形成的漿液結石體對上覆巖層形成支撐作用或降低其滲透性，確保地面及地面上的建（構）筑物不受到破壞。

（2）井下回填法：在煤礦開采后形成的空洞內(nèi)，用廢棄矸石、灰?guī)r或砂巖等片石人工回填砌筑，砌體與采空區(qū)頂板緊密接觸，起到支撐頂板的作用，從而保證采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性。該方法主要適用于尚未完全塌落、空間較大的采空區(qū)，且采空區(qū)內(nèi)通風條件良好，易于人工作業(yè)、材料運輸?shù)取?/p>

（3）開挖回填法：對采空區(qū)先開挖，然后采用灰土回填方法治理采空區(qū)，宜采用灰土或素土分層回填夯實。該方法主要適用于治理千層或露頭部位采空區(qū)。

四老溝礦南羊路副立井工業(yè)廣場下伏侏羅系2號、3號、4號、11號煤層缺乏相關煤層頂板覆巖資料，無法準確分析該區(qū)域煤層上覆巖層的發(fā)育規(guī)律。根據(jù)四老溝礦南羊路副立井工業(yè)廣場下伏侏羅系采掘工程平面圖，本區(qū)域內(nèi)各煤層少部分為長壁式采煤法，其他大部分為房柱式和巷柱式采煤法，煤層厚度為1.3m～1.8 m，且各采空區(qū)都已進行封閉，采空區(qū)洞內(nèi)無安全保障，不具備人工作業(yè)條件，只能以地面注漿充填法進行治理。在山西大同地區(qū)，注漿充填多采用水泥粉煤灰漿液，必要時配合骨料。

2 治理范圍的確定

2.1 治理范圍確定的原則

采空區(qū)治理的范圍確定方法可以按照工業(yè)廣場保護煤柱的留設方法計算。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，設計工業(yè)場地保護煤柱時，地面受保護面積應包括受保護對象加圍護帶。將場區(qū)內(nèi)的35 kV變電所、回風立井通風機房及配電室、南羊路副立井井口房、副立井絞車房及配電室定為Ⅰ級保護等級建筑物，其余新建建構筑物定為Ⅱ級保護等級建筑物。因此，35 kV變電所、回風立井通風機房及配電室、南羊路副立井井口房、副立井絞車房及配電室圍護帶寬度取20 m，其余新建建構筑物圍護帶寬度取15 m。根據(jù)相關煤礦井筒建設穿越采空區(qū)的實踐和經(jīng)驗，場區(qū)內(nèi)兩個井筒保護治理范圍取以井筒為中心、半徑為40m的區(qū)域。圖1為四老溝礦南羊路工業(yè)場地地面建筑物布置。

圖1 四老溝礦南羊路工業(yè)場地地面建筑物布置

2.2 治理范圍面積的計算

工業(yè)場地保護煤柱的范圍就是擬建場地采空區(qū)治理的范圍。保護煤柱用移動角法設計。由于該區(qū)域內(nèi)均為近水平煤層，故煤層傾角近似取0°，

則：

式中：S——建筑物保護煤柱寬度；

D——圍護帶寬度；

l——根據(jù)移動角算出的保護煤柱寬度；

h——松散層厚度；

H——基巖段厚度；

φ——松散層移動角，取45°；

ψ——巖石移動角，取75°。根據(jù)上述公式可算得各類建筑物所對應各煤層所需治理面積。

圖2 用移動角法設計建筑物保護煤柱示意

2.3 治理范圍內(nèi)采空區(qū)剩余空洞體積計算

根據(jù)四老溝礦采空區(qū)治理范圍分區(qū)以及對應煤層開采情況，采空區(qū)總剩余空洞體積V分各煤層計算。

式中：V——采空區(qū)剩余空洞體積，m3；

S——采空區(qū)治理面積，m2；

H——開采厚度，暫取煤層厚度，m；

K——煤層回采率，小煤礦開采的2號、3號、4號取0.30，11號煤層采空區(qū)取0.65；

ΔV——剩余變形系數(shù)。

由于目前工業(yè)廣場地表大面積沉降不明顯，2號、3號、4號煤層采空區(qū)取0.65，11號層采空區(qū)暫取0.55。

根據(jù)以上公式算得2號、3號、4號、11號各煤層剩余空洞體積共計157 470.8 m3。

3 注漿量計算

3.1 鉆孔布設及造孔量

根據(jù)地質勘察資料和采空區(qū)具體特征（主要是采空區(qū)連通性、裂隙發(fā)育規(guī)律、程度等），鉆孔的布局一般情況下成“網(wǎng)狀”或“梅花形”，孔間距一般控制在15 m～20 m為宜。施工順序一般遵循“先邊沿，后中心，先深后淺”的原則。Ⅰ類保護等級建筑物治理區(qū)鉆孔排間距、孔間距取15 m，Ⅱ類保護等級建筑物治理區(qū)鉆孔排間距、孔間距取20 m，鉆孔深度為地表到該煤層底板的垂直距離。

3.2注漿量計算

由于本廣場下伏侏羅系采空區(qū)無相關資料，并且未作相關勘察工作，因此采空區(qū)的注漿量只能是預測估算。加之注漿過程中，漿液向采空區(qū)上覆地層、裂隙的滲透損失，在采空區(qū)剩余空洞的體積基礎上，考慮5%～10%漿液損失，本次漿液損耗系數(shù)A取1.05。根據(jù)四老溝礦采空區(qū)治理范圍及煤層分布，注漿量Q的計算參照采空區(qū)剩余空洞體積分煤層進行計算，注漿量采用下述公式進行計算。

式中：Q——采空區(qū)注漿量，m3；

A——漿液損耗系數(shù)，取1.05；

V——采空區(qū)剩余空洞體積，m3；

η——注漿充填率，取0.8；

c——漿液結石率，取0.85。

算得2號、3號、4號、11號煤層采空區(qū)注漿量共計155 618.2m3。

3.3 注漿漿液及配比

注漿材料一般要求漿液黏度小，可注性好，擴散半徑大；漿液的凝結時間可以調(diào)整和控制；漿液材料來源廣，價格低廉；更為重要的是漿液的穩(wěn)定性好，沉淀吸水率高，結實率高，結石體應有足夠的強度，才能形成有效的支撐體系，確保巖層穩(wěn)定。目前，采空區(qū)注漿工程大多采用了水泥粉煤灰漿液，漿液配比如下：

水固比為1:1.0～1:1.5，其中水泥占固相的15%～30%，粉煤灰占固相的70%～85%，根據(jù)實際情況可適當調(diào)整水固比及水泥和粉煤灰的固相比。很難達到終壓、終量時，也可以加入水玻璃之類的速凝劑，一般加入量為摻加水泥用量的3%～5%。同時，為了防止帷幕孔注漿過程中漿液的浪費，可在注漿前向孔內(nèi)投放部分細料和粗骨料[1]。

3.4 注漿壓力

注漿壓力的大小將決定漿液的擴散距離和充填、壓密的效果。壓力大，漿液擴散距離大，裂隙中漿液充填的效果也高。考慮到采空區(qū)埋深較深，因此本次設計注漿壓力為1.5MPa～2.5 MPa，最終壓力可根據(jù)現(xiàn)場情況和具體要求進行調(diào)整。

4 施工技術要求

4.1 鉆孔技術要求

鉆孔開口直徑不小于130 mm，中孔孔徑不小于91 mm。穿透第四系進入基巖穩(wěn)定地段5 m（暫定25 m）后下入Φ127 mm孔口管，并用單液水泥漿固管，變徑為91 mm，繼續(xù)鉆至設計孔深。在鉆進過程中，每50 m測斜一次，終孔時孔斜不應超過1°/100m。整個鉆進過程中要做好原始記錄，發(fā)現(xiàn)漏水、掉鉆、埋鉆、巖芯破碎等現(xiàn)象時詳細記錄，為采空區(qū)三帶發(fā)育的判斷提供依據(jù)。

4.2 注漿材料

水泥粉煤灰漿液主要材料為水泥和粉煤灰，骨料可選擇細料和粗骨料。細料包括天然砂或人工砂，粗骨料包括石屑和礦渣。主要材料要求如下。

水泥：P.O42.5級普通硅酸鹽水泥

粉煤灰：符合國家《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2005中二級、三級標準。

水玻璃：模數(shù)2.4～3.4之間，濃度38波美度～40波美度。

細料：河砂、山砂或機制砂，要求級配良好、質地堅硬、顆粒潔凈，粒徑小于2.5 mm，含泥量小于5%，有機物含量不大于3%。

粗骨料：石屑和礦渣，可因地制宜取材，最大粒徑小于1.0 cm，含泥量小于5%，有機物含量不大于3%。

4.3 注漿施工

注漿漿液濃度先稀后濃。注漿開始后，要定時觀測泵的吸漿量和泵壓，并根據(jù)實際情況及時調(diào)整注漿量和漿液濃度。注漿量較大時，應采取間歇式注漿法施工，或者多次復注。

注漿孔是否進行投砂取決于鉆孔情況，遇掉鉆時，應采用孔內(nèi)投放細料和粗骨料。投砂應采用開放式工藝。在注漿初始階段，投砂器投入的骨料經(jīng)漿液流動帶入孔內(nèi)，為防止堵孔，應避免在短時間內(nèi)投入大量的砂。

5 結束語

（1）大同礦區(qū)是我國大型能源生產(chǎn)基地，為國民經(jīng)濟建設和地方經(jīng)濟發(fā)展作出了重大貢獻。但由于地下煤炭開采產(chǎn)生大范圍地表沉陷，不僅造成地面建筑物破壞，也破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，尤其是現(xiàn)階段仍處于生產(chǎn)的各礦井，更應及時處理，因此對礦區(qū)采空區(qū)沉陷的治理研究意義重大[2]。

（2）采空區(qū)注漿工程屬于地下隱蔽工程，施工過程中注漿量的大小不易控制，注漿質量檢測主要采用鉆探、物探和地面沉降觀測等方法，并提出了相應的評價標準，但都不夠理想，仍然缺少一個科學而經(jīng)濟的注漿工程質量評價體系，以確保工程質量。

[1]李尚軍.淺談全充填注漿法在治理煤層采空區(qū)中的施工工藝[J]，科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007，17(34)：264-266.

[2]張德福.地面預注漿在煤礦采空區(qū)治理工程中的應用[J]，西部探礦工程，2006（8）：82-84.

Study on Goaf Filling ManagementMethod of Industrial Square

Deng Tianlin

Combining with the status quo of the ground buildings of industrial square and underlying goaf in Nanyanglu vice vertical shaft of Silaogou Mine in Datong Coal Mine Group,according to the protection level of the mining area ground building and structure building,managementmethod for underlying goaf of Nanyanglu industrial square is put forward,the construction technology of goafmanagementby using ground groutingmethod is introduced.

industrial square；goafmanagement；filling;ground groutingmethod

TD325+.3

B

1000-4866(2015)01-0017-04

2014－11－22

鄧天琳，男，1987年3月出生，2009年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學，現(xiàn)在大同煤礦集團設計研究有限責任公司工作，助理工程師。