瓦斯抽放系統下伏多層采空區充填注漿治理技術

賀 文 周禹良 孫曉宇 袁東鋒

(1. 天地科技股份有限公司，北京市朝陽區，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區，100013)

瓦斯抽放系統下伏多層采空區充填注漿治理技術

賀 文1,2周禹良1,2孫曉宇1,2袁東鋒1,2

(1. 天地科技股份有限公司，北京市朝陽區，100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區，100013)

為了保證地面瓦斯抽采系統建(構)筑物基礎的長期穩定性，通過驗證孔鉆探和鉆孔電視技術對場地下伏采空區物探成果進行檢驗，綜合確定了采空區治理范圍。采用地面充填注漿技術對下伏3層采空區進行治理，共布置注漿鉆孔34個；地面充填注漿采用下行式分層治理方式，并共用注漿孔；注漿材料主要為水泥粉煤灰漿液，外圍孔采取投骨料、添加速凝劑等方式控制漿液擴散距離。注漿結束后，檢查孔取芯及壓漿試驗結果表明，采空區及覆巖裂隙充填效果良好，為采空區建筑物基礎穩定性評價及治理提供參考。

瓦斯抽放系統 采空區治理范圍 充填注漿 水泥-粉煤灰漿

煤礦整合及改擴建過程中，地面新建建(構)筑物時常受到采空區的威脅。新形成的采空區，其頂板垮落不充分，覆巖存在長期的下沉變形階段；老空區覆巖在新建建構筑物荷載作用下可能活化產生繼續下沉變形。采空區覆巖存在較大的地面殘余變形是威脅地表建筑物穩定性的根本原因。威脅建(構)筑物基礎穩定性的采空區必須進行處理，探明采空區分布范圍是采空區治理的前提條件，物探是探明采空區分布情況的重要手段，對采空區場地穩定性進行評價是采空區治理的基礎。目前建筑場地下伏采空區處理的主流方法是地面注漿技術。地面注漿技術處理采空區的優點包括安全性高，設備及人員均在地面，不需下井進入采空區；效果可靠，采空區空洞充填密實，接頂率高；廉價環保，充填材料除水泥外，可選擇粉煤灰、黃砂等，就地取材，變廢為寶。本文基于同忻煤礦地面瓦斯抽采系統場地下伏采空區物探調查結果，采用驗證孔鉆探施工及鉆孔電視技術驗證了采空區物探成果，綜合確定場地下伏采空區治理范圍，通過優化注漿孔布置、合理的注漿控制技術對瓦斯抽采系統場地下伏采空區進行綜合治理，為類似工程處理提供參考。

1 工程概況

同忻煤礦位于大同煤田東北部，為解決二盤區瓦斯問題，需在二盤區建設一套地面瓦斯抽采系統。瓦斯抽采系統設計在二風井的地面工業廣場內，采用地面固定式瓦斯抽采泵站。地面瓦斯抽采系統主要建(構)筑物包括兩個直徑1.25 m瓦斯抽放孔、一個真空泵站、一個副泵房及消防水池等。場地面積約為7125 m2。根據現有資料，地面瓦斯抽采系統場地下伏侏羅系煤層均有開采歷史。表1 給出了淺部煤層的開采情況，從表1可以看出，淺部共有3層煤回采完畢，采深120～179 m，累計采厚11.8 m。為了消除地面瓦斯抽采系統場地下煤層采空區的安全隱患，確保瓦斯抽放系統建設及使用安全，以及避免建(構)筑物建成后發生較大的下沉、變形以及陷落性破壞，在瓦斯抽放系統建設之前須對下伏采空區進行綜合治理。

表1 地面瓦斯抽采系統場地下伏煤層開采情況統計簡表

2 采空區范圍及覆巖狀態

2.1 采空區范圍

深入了解采空區的賦存情況是后續采取合理治理措施的關鍵。目前，常用于采空區探測的地球物理勘探技術主要包括地震勘探法、瞬變電磁法、高密度電法、地質雷達法等。為消除單一物探技術采空區勘探效果不佳和反演結果存在多解性等不足，煤礦采用瞬變電磁法和大地電場巖性探測相結合的綜合物探技術對地面瓦斯抽采系統場地下伏采空區進行勘察。地面瓦斯抽采系統場地下伏采空區物探范圍及驗證孔布置如圖1所示。

圖1 地面瓦斯抽采系統場地下伏采空區物探范圍及驗證孔布置

為了驗證物探結果的準確性， 在地面瓦斯抽采系統場地共布置了4個驗證孔，驗證孔鉆探情況詳見表2，T2鉆孔揭煤3層，存在進尺過快，漏失嚴重現象，推測揭露采動裂隙區；其余3個鉆孔均發生掉鉆，全孔漏失，直接揭露采空區。由于T1孔揭露采空區，采空區邊界應向北移，總體而言，鉆探揭露情況與物探成果吻合程度較好。

表2 物探驗證孔鉆探情況

2.2 采空區覆巖狀態

為了解采空區覆巖垮落壓實狀態，對4個驗證鉆進行鉆孔電視研究。11#煤層采空區鉆孔電視照片如圖2所示。

圖2 11#煤層采空區鉆孔電視照片

由圖2可以看出11#煤層采空區覆巖垮落不充分，殘余空洞發育。12-1#煤層及14-2#煤層采空區鉆孔電視照片如圖3所示，可以看出12-1#煤層、14-2#煤層采空區垮塌嚴重，冒落帶裂隙發育，較為破碎。分析認為，在地面建筑物附加荷載影響下，若采空區覆巖變形活化，將存在加大的地面不均勻沉降，危及上部建(構)筑物基礎穩定性。

圖3 12-1#煤層及14-2#煤層采空區鉆孔電視照片

2.3 采空區治理范圍

采空區治理范圍可以按照工業廣場保護煤柱的留設方法計算。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，設計工業場地保護煤柱時，地面受護面積應包括受護對象加圍護帶。根據上述規程規定，地面抽采瓦斯系統相關建(構)筑物為Ⅰ級保護等級建筑物，其圍護帶寬度取20 m，采空區治理范圍縱向包括三層采空區，橫向面積約為15000 m2

3 地面注漿設計

3.1 注漿鉆孔布設

為了不影響主泵房、副泵房土建，采空區治理注漿鉆孔沿土建場地邊界外延3 m布置，采空區治理注漿鉆孔平面布置如圖4所示。主泵房南側布置兩排鉆孔，排間距為5 m，孔間距為15 m，北側考慮與副泵房交叉布孔，布孔一排，左右兩側根據場地實際情況布置了相應數量的鉆孔，共計20個鉆孔；副泵房南側布孔一排，北側布置兩排，合計14個鉆孔。表土層注漿孔直徑均為133 mm，套管直徑127 mm，鉆孔在穩定基巖位置變徑為91 mm，繼續鉆至采空區或進入煤層底板1.0～2.0 m終孔，鉆孔偏斜率控制在1°/100 m內。

圖4 采空區治理注漿鉆孔平面布置圖

3.2 注漿漿液及配比

注漿材料一般要求漿液粘度小、穩定性好、凝結時間可控。采空區注漿材料為保證良好的接頂率要求漿液析水率低、結石率高。同時漿液結石體必須具有足夠的強度，才能形成有效的支撐體系，以確保覆巖的穩定性。目前，采空區注漿工程常用的漿液有水泥砂漿、水泥粉煤灰漿、膏體充填材料、高水充填材料等等。考慮附近電廠粉煤灰廉價易得，本工程主要采用水泥粉煤灰漿液。必要時采用投砂、采用速凝漿液等方法避免漿液浪費。漿液配比詳見表3，水泥粉煤灰漿液水固比控制在1∶1～1∶1.2，其中水泥占固相的20%～40%，粉煤灰占固相的60%～80%。

表3 采空區充填水泥粉煤灰漿液配比表

3.3 注漿量預計

采空區注漿量預計應在采空區剩余空洞體積的基礎上，考慮漿液向采空區上覆地層、裂隙的滲透的損失，采空區剩余空洞體積參考煤層采厚、回采率、剩余變形系數、治理面積等因素綜合計算。由于同忻礦北二盤區地面瓦斯抽采系統場地下伏3層采空區，其注漿量Q的計算參照式(1)分層計算。

(1)

式中：Q——采空區預計注漿量，m3；

A——漿液損耗系數，一般取1.05～1.1；

V——采空區剩余空洞體積，m3；

η——漿液充填率，%；

c——漿液結石率，%。

經計算，三層采空區預計注漿量合計35800 m3。

3.4 注漿控制技術

(1)治理次序及止漿方式。為保證采空區充填效果、節約漿材，場地下伏采空區治理采用相同的治理鉆孔，注漿次序為由外至內、自上而下分層治理的原則。對于同一層采空區，先進行外排帷幕孔注漿，然后進行中間孔注漿。考慮采空區覆巖裂隙發育，注漿過程中可能存在塌孔現象，故同一注漿段需采取重復掃孔，多次注漿進行。止漿方式主要采用孔口壓蓋止漿方式，必要時配合止漿塞止漿。

(2)注漿壓力控制及結束標準。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。由于瓦斯抽采系統正在進行土建施工，注漿壓力應控制在防止地面抬升情況下盡量提高注漿壓力，以保證注漿充填效果。經現場壓漿試驗，注漿壓力控制在3.0 MPa以內，當注漿壓力達到2.5 MPa以上并持續穩定10 min以上，終量35 L/min，即可結束該段注漿。

(3)外側帷幕孔注漿控制。為避免高壓漿液沖散相鄰鉆孔注漿固結體，外側帷幕孔采用跳孔施工。同時，針對帷幕孔升壓緩慢、漿液擴散至治理范圍之外造成漿液嚴重超量等問題，采用孔內投放細料和粗骨料，同時在漿液中摻入適量水玻璃等速凝劑，以實現漿液擴散距離控制。

4 注漿成果及檢測

4.1 注漿成果

采空區充填注漿成果詳見表4，11#煤層采空區共有21個鉆孔掉鉆，掉鉆率61.7%，注漿16930 m3； 12-1#煤層采空區共有8個鉆孔掉鉆，掉鉆率23.5%，注漿7400 m3；14-2#煤層采空區共有19個鉆孔掉鉆，掉鉆率55.9%，注漿12170 m3。注漿壓力控制良好，終壓介于2.5～3.0 MPa，未發生地面抬升超限及嚴重跑漿情況。注漿結束后，治理范圍內采空區地下空洞及覆巖空隙被充填密實，有利于瓦斯抽放系統地基基礎的長期穩定性。

4.2 注漿效果檢驗

注漿效果檢測于注漿結束后一個月進行，共布置檢查孔3個。檢查孔鉆進過程中漏失不明顯，并成功取出漿液結石體巖芯。壓漿試驗中，所有檢查孔均迅速升壓，檢查孔與注漿孔注漿壓力曲線對比情況如圖5所示。由圖5可以看出，檢查孔注漿壓力幾乎呈直線上升，漿液難以注入，表明前期充填注漿已將采空區地下空洞及覆巖裂隙充填密實，注漿效果良好。

圖5 檢查孔與注漿鉆孔注漿壓力

5 結論

(1)驗證孔鉆探資料配合鉆孔電視技術能夠對采空區物探成果進行有效檢驗，同時可對采空區壓實情況、覆巖垮落程度、裂隙發育程度等進行進一步了解，為采空區處理提供較大參考。

(2)合理確定治理范圍、優化注漿鉆孔布置、漿液配比動態調整、注漿控制技術是采空區注漿處理的關鍵。使用速凝漿液或投骨料能有效控制帷幕孔漿液擴散距離，避免漿液沿采空區超量流失至治理范圍之外，提高充填注漿效率。

(3)采用下行式分層充填注漿技術，瓦斯抽采系統場地下伏3層采空區總注漿量為36500 m3。經檢查孔取芯及壓漿試驗檢驗，治理范圍內采空區殘余空洞及覆巖裂隙已充填密實，治理效果較好。

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Surfacebackfillgroutingtechnologyformultilayergobbeneaththemethanedrainagesystem

He Wen1,2, Zhou Yuliang1,2, Sun Xiaoyu1,2, Yuan Dongfeng1,2

(1. Tiandi Science and Technology Company Limited, Chaoyang, Beijing 100013, China; 2. Beijing China Coal Mine Engineering Company Limited, Chaoyang, Beijing 100013, China)

For the purpose of ensuring the stability of the foundation for ground methane drainage system, borehole drilling and borehole cameras were used to verify the outcome of geophysical exploration for gob area and the treatment scope was confirmed. Then, combined with 34 grouting borehole, surface backfill grouting technique was utilized to treat the 3 layers gobs beneath methane drainage system. The grouting mode was downward grouting and filled the gob layer by layer. Cement-fly ash grout was the main grouting materials, aggregate and cement accelerator were also used in the curtain borehole to control the diffusion distance of grouting. After the backfill grouting, the outcome of coring and grout-pressure tests indicated a good result for gob backfill grouting, which can be referenced by buildings stability analysis and its treatment in gob area.

methane drainge system, gob treatment area, backfill grouting, cement-fly ash slurry

TD712.623

A

中國煤炭科工集團有限公司科技創新基金(2013QN009)，天地科技股份有限公司技術創新基金(KJ-2014-BJZM-03)

賀文，周禹良，孫曉宇等.瓦斯抽放系統下伏多層采空區充填注漿治理技術[J].中國煤炭，2017,43(11)：101-105.

He Wen, Zhou Yuliang, Sun Xiaoyu, et al. Surface backfill grouting technology for multilayer gob beneath the methane drainage system [J]. China Coal, 2017，43(11):101-105.

賀文(1985-)，男，湖南懷化人，助理研究員，碩士，主要從事礦山水害防治、采動地災治理的研究。

(責任編輯 張艷華)