同煤集團四老溝煤礦選煤廠下采空區治理

賀宏偉

(北京中煤礦山工程有限公司)

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同煤集團四老溝煤礦選煤廠下采空區治理

賀宏偉

(北京中煤礦山工程有限公司)

摘要由于四老溝煤礦原煤性質發生了改變，為達到優質煤要求，需對原煤進行洗選加工。選擇的選煤廠地下是采空區，為保證選煤廠安全運營，對采空區進行了注漿充填。注漿充填后，采空區充填程度較高，達到了預期效果。

關鍵詞采空區注漿選煤廠

四老溝礦原有生產系統未設洗選車間，現延深開采的石炭二疊系原煤煤質與上部相比發生了較大變化，原煤煤灰分超過35%，發熱量下降到 3 800 kCal/kg水平，必須經過洗選后才能滿足優質動力煤的需要。因此，需新建選煤廠進行煤炭洗選加工。根據已有的地質、采煤等資料，結合礦區調研情況，確定洗選煤場為地下伏侏羅系11#～14-3#煤，該煤層已受到不同程度的開采，并形成大面積采空區，為此，須對采空區危害性進行評估，以確保選煤廠運營安全。

1　采空區注漿充填

采用地面注漿充填法，漿液注入采空區空間或采空區的垮落、裂隙范圍，注漿材料凝固后對采空區形成充填支撐作用，確保地面及地面上的建(構筑)物不受到破壞。

考慮新建建筑物分類等級，先施工一類治理區，再施工二類治理區，并根據建筑物的施工順序進行施工調整，在施工過程中采用“跳孔”的方法進行治理。

1.1鉆孔布設

根據采空區治理經驗，參照采空區治理范圍的分類調整采空區注漿孔的排間距、孔間距，并結合治理目的推算出各個區域的鉆孔數量及造孔工程量。

新建建(構)筑物基礎下孔間距取10 m，其他區域取20 m，根據現有場地條件進行布孔優化[1]，考慮對現有建筑物的影響等因素，共設計鉆孔228個，其中采空區勘查過程中布設的40個勘查孔可兼做注漿孔，即新增注漿鉆孔188個。鉆孔孔位可根據施工場地已有建筑物的位置、擬建(構)筑物位置進行局部調整。采空區注漿鉆孔參數見表1。

表1　采空區注漿造孔工程量

鉆孔要“分區域、分序次”，注漿采用“少量和多次”施工，一序鉆孔漿液擴散范圍較大，二序鉆孔使前序鉆孔未充填的空洞得到再次充填，從而提高充填率。

1.2注漿工程量計算

注入量按照采空區體積預估。漿液按5%～10%損失估算，注漿量為

(1)

式中,A為漿液損耗系數，取1.1；V為采空區剩余空洞體積,m3；η為注漿充填率，綜合取值0.8；c為漿液結石率，取0.85。

將各參數代入式(1),計算總注漿量Q=30 877 m3。

1.3漿液配比設計及材料用量

水∶固相配合比1∶1.1，水泥、粉煤灰固相比為4∶6和3∶7。見表2。

按照水固比為1∶1.1計算材料用量，固相比 4∶6 和3∶7漿液按各50%進行取值，主要材料用量見表3。

表3　主要材料用量

1.4注漿施工1.4.1注漿鉆孔施工1.4.1.1孔位布置

采用經緯儀、全站儀或RTK等測量儀器，按照施工圖設計逐點放樣，鉆孔偏差不大于0.5 m。若因地形、管線等因素，鉆孔可少許偏移。如果偏移過大，則應適當調整周邊相鄰鉆孔位置，或增加鉆孔，以確保施工質量。

1．4.1.2鉆孔施工

(1)安裝鉆機。鉆機安裝前需平整場地，防止鉆塔在施工過程中歪斜。因地物、管線影響時，位置可適當移動。

(2)鉆孔工藝流程。開孔流程：定點→鉆機安裝→鉆進→固管段鉆進→下放套管→鉆到設計深度層位→注漿

(3)鉆孔結構。鉆孔超過14#-3煤層底板2 m終孔，開孔用直徑133 mm的牙輪鉆頭或直徑146 mm的巖芯管，入巖后用φ127 mm套管，然后改用小鉆頭繼續鉆至設計孔深，鉆孔結構見圖1。

圖1　鉆孔結構

(4)鉆孔防斜。鉆孔施工過程中配備合理鉆具，對變徑處等關鍵部位要防止鉆孔偏斜，100 m孔深偏斜不應大于1°。

(5)鉆進方法。鉆進施工過程中，要根據地層條件、泥漿漏失等情況，及時調整鉆井泥漿，維護孔壁，保證鉆進效果，防止鉆孔事故的發生。

(6)注漿孔套管固定。泵入水灰比為0.6∶1的水泥漿至套管外壁返出濃漿，水泥漿中添加早強劑，凝固24 h后再繼續鉆進施工。

(7)封孔。注漿結束后，用單液水泥漿封孔，防止雨水滲入采空區。

1.4.1.3止漿方式

大同地區侏羅系煤層的上覆巖層多為砂巖或砂質泥巖，巖性比較完整。本次設計針對多個煤層采空區，止漿方式采用統一套管口壓蓋止漿方式(見圖2)，必要時也可孔內下止漿塞。

圖2　套管口壓蓋止漿方式

1.4.2注漿施工

在注漿過程中，一次無法達到設計標準時可多次掃孔，重復注漿，有利于保證注漿效果。

注漿系統主要有：供料系統、攪拌系統、供水系統、注漿設備、供漿管路、鉆孔逆止裝置等組成。

1.4.2.1制漿

制漿工藝流程見圖3。

圖3　制漿工藝流程

1．4．2．2注漿工藝流程

注漿工藝流程見圖4。

圖4　注漿工藝流程

1.4.2.3骨料施工工藝

施工中，在孔口安裝投料裝置，人工投放骨料與漿液混合進入采空區。骨料溢出孔口掃孔，測量吊鉆高度，若仍大于0.5 m，需繼續充填骨料，若小于0.5 m，可進行漿液注入，施工工藝如圖5所示。

1.4.2.4注漿壓力

本采空區埋深較淺，壓力過大會造成漿液浪費，因此本次設計采空區治理注漿壓力取0.5～1.0 MPa，最終可根據現場情況和具體要求進行調整[2]。

1.4.2.5單孔注漿結束標準

在注漿末期，泵壓逐漸升高，當注漿達到設計壓力，泵量小于60 L/min超過15 min時，該孔注漿結束。

圖5　骨料投放施工工藝

2　施工質量

2.1注漿材料及注漿漿液的質量要求

(1)注漿材料要求。①采用PO32.5的普通硅酸鹽水泥，符合國家《通用硅酸鹽水泥》標準；②水應符合《混凝土用水標準》要求；③施工用粉煤灰質量應符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》Ⅱ級標準；④外加劑(速凝劑)選用模數為2.4～3.4的水玻璃溶液，濃度大于38～42 °Be′，摻量占水泥量的2.0%[3]。

水玻璃性能指標見表4。

表4　水玻璃性能指標

符合國標GB/T4209—2008液-2優等品指標要求。

(2)注漿漿液。注漿漿液需滿足流動性、穩定性、結石抗壓強度、凝結時間等多種性能要求。因此，制漿完成后需進行各種試驗測定，以確保工程質量。漿液性能指標測試方法如下：①采用泥漿密度計測定漿液密度；②使用專門的泥漿黏度測量儀器測量黏度；③結石率，將新配置的漿液放入量筒中靜置，記錄2 h漿液結石體積與漿液總體積的百分比;④結石體抗壓強度,用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的成型試模，在(20±5) ℃水中養護或標準養護箱中養護，測定28 d齡期結石抗壓強度，每組取3塊測其平均值。

2.2施工過程質量檢驗

注漿工程是隱蔽工程，為保證本采空區注漿工程質量，施工過程中要嚴格控制工藝，加強對工序質量的檢驗。在注漿過程中，對鉆孔取芯、注漿材料、漿液配比、技術資料、封孔質量等各個環節進行質量控制。

3　注漿充填效果質量評估

由于采空區的隱蔽性、特殊復雜性，須對治理工程質量的最終效果進行檢驗。檢測方法主要包括檢測孔鉆探取芯、抗壓強度試驗。

檢測孔總數設計為注漿孔總數的3%～6%，布置在注漿孔附近。鉆探取芯采取率較好，可判斷漿液結實體與采空區的膠結充填程度較高，前期鉆孔內的垮落、掉鉆現象消失。取芯結石體進行的室內抗壓強度試驗符合規范要求，采空區注漿施工質量效果明顯。

參考文獻

[1]王曉峰.高速公路下采空區充填注漿治理技術研究[J].科技情報開發與經濟,2012，22(24)：138-139.

[2]張宵，李術才,張慶松，等.關鍵孔注漿方法在高壓裂隙水封堵中的應用研究[J].巖石力學與工程學報,2011,30(7)：1414-1421.

[3]何軍芳，王平，楊鵬.采空區治理水玻璃摻量試驗研究與應用[J].山西建筑,2015,41(8)：133-134.

(收稿日期2016-05-12)

賀宏偉(1982—)，男，工程師100013 北京市朝陽區青年溝東路5號。