注漿法在煤礦采空區(qū)治理工程中的應(yīng)用

施發(fā)劍 劉廷 陳海軍

（中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司 南京 210031）

0 引言

山西某煤礦煤田賦存于晚古生代石炭紀(jì)含煤地層，經(jīng)過(guò)多年煤礦開(kāi)采，場(chǎng)地大部分位于采空區(qū)范圍。采空區(qū)的存在易引發(fā)多種地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，場(chǎng)地采空區(qū)曾出現(xiàn)過(guò)地面塌陷，均采用充填方式簡(jiǎn)單處理，未能采取有效措施根治采空塌陷問(wèn)題，以致少數(shù)地方出現(xiàn)過(guò)二次塌陷。擬建聯(lián)合建筑場(chǎng)地采空區(qū)主要變形為地表塌陷，屬于不穩(wěn)定場(chǎng)地，需進(jìn)行加固治理。

1 場(chǎng)地采空區(qū)地質(zhì)概況

擬建聯(lián)合建筑下伏石炭紀(jì)5#煤層采空區(qū)，該煤層為單斜構(gòu)造。一般采掘工藝落后，頂板管理難度較大，因此回采率約25%左右，房柱留設(shè)不規(guī)則，隨意性較大。煤層頂板覆巖主要為極軟巖，地表易形成漏斗狀塌陷坑。根據(jù)勘察資料，擬建建筑物局部（西側(cè)）位于采空區(qū)范圍，采空區(qū)治理應(yīng)結(jié)合建筑物地基處理綜合考慮。由于采空區(qū)為全充填或半充填狀態(tài)，這種地質(zhì)條件下樁基架越等方式難以達(dá)到處理效果，因而建議采用注漿法進(jìn)行采空區(qū)治理。

2 采空區(qū)治理設(shè)計(jì)

2.1 采空區(qū)注漿治理方法

治理包括對(duì)采空區(qū)空洞充填及臨界深度內(nèi)冒落帶巖層裂隙的充填。針對(duì)采空區(qū)現(xiàn)狀特點(diǎn)，治理的重點(diǎn)應(yīng)有所不同。采空區(qū)若大部分塌落，即用水泥、粉煤灰漿液充填加固；若大部分尚未塌落，則以充填為主，加固為輔，即采用石屑或粗砂充填、粉煤灰與水泥漿液充填加固。

2.2 鉆孔布設(shè)

根據(jù)前期地質(zhì)勘察結(jié)果，進(jìn)行注漿鉆孔布設(shè)，本次治理鉆孔布置主要位于建筑物西側(cè)及其周?chē)偣苍O(shè)計(jì)注漿鉆孔63個(gè)，如圖1所示。

2.3 注漿設(shè)計(jì)

采空區(qū)鉆孔注漿所用材料主要為水泥粉煤灰漿液，注漿總量計(jì)算如下：

注漿總量 Q總=A·S·m·K·Δv·η/Ccosα

其中：A——注漿總量消耗系數(shù)；

S——采空區(qū)治理面積；

m——開(kāi)采煤層法向厚度（m）；

K——煤層回采率取；

Δv——采空區(qū)剩余空隙率；

η——注漿充填系數(shù)；

C——漿液結(jié)石率；

α——煤層傾角。

本次漿液水固比為1：1，水泥與粉煤灰固相比3：7，帷幕孔中添加水泥質(zhì)量3%的速凝劑。

3 采空區(qū)施工方法

3.1 鉆孔

注漿鉆孔開(kāi)孔直徑通常為130～150mm，終孔直徑不小于89mm。聯(lián)合建筑為單層采空區(qū)采用全孔一次性灌注，通常灌注采用似法蘭盤(pán)法進(jìn)行止?jié){，注漿澆筑后凝固時(shí)間大于48h。灌注孔之間應(yīng)控制好間距防止串漿。本次取芯孔數(shù)量為3個(gè)（鉆孔18、33、52）。

3.2 施工順序

該場(chǎng)地根據(jù)采空區(qū)分布情況和前期勘察資料，本次注漿先進(jìn)行帷幕鉆孔施工，再進(jìn)行注漿孔施工。在聯(lián)合建筑西側(cè)共布置兩排帷幕孔，先對(duì)內(nèi)側(cè)帷幕孔進(jìn)行施工，見(jiàn)圖1，再施工內(nèi)側(cè)帷幕所包圍的注漿孔（由28、29等鉆孔組成），最后對(duì)外側(cè)帷幕孔和注漿孔施工。同類(lèi)別的注漿孔按聯(lián)合建筑采空區(qū)的傾斜方向，按照采空區(qū)底板標(biāo)高由低向高展開(kāi)施工。本場(chǎng)地5#煤層底板標(biāo)高由東1534m向西逐漸降低為1523m，注漿鉆孔應(yīng)按次序間隔灌注，對(duì)即將施工的鉆孔位置、距離、數(shù)量及孔深進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖1 注漿鉆孔布設(shè)

3.3 注漿

采空區(qū)注漿時(shí)漿液濃度通常先稀后稠，現(xiàn)場(chǎng)施工中視灌注情況及時(shí)進(jìn)行注漿量及濃度調(diào)整。聯(lián)合建筑在注漿過(guò)程中地表若出現(xiàn)漿液從裂隙中滲出情況，可減小注漿量或間歇式注漿等方法達(dá)到有效阻止?jié){液流出現(xiàn)象。

鉆孔注漿結(jié)束可依據(jù)終孔壓力等條件進(jìn)行判斷，一般終孔時(shí)注漿壓力在1～1.5MPa之間。當(dāng)達(dá)到注漿壓力后，單位注漿量通常小于50L/min且穩(wěn)定在15min以上可作為注漿結(jié)束依據(jù)。

4 注漿治理檢測(cè)

4.1 鉆探檢測(cè)

采空區(qū)治理工程結(jié)束3個(gè)月后，進(jìn)行工程質(zhì)量檢驗(yàn)工作。檢查鉆孔采取率不小于90%，充填結(jié)石體應(yīng)著重觀(guān)察其完整性、堅(jiān)硬程度等。同時(shí)檢查鉆孔施工中是否出現(xiàn)循環(huán)液漏失、掉鉆等異常現(xiàn)象。結(jié)石體抗壓強(qiáng)度不小于2MPa。本次檢查孔數(shù)為3個(gè)，主要為鉆孔19、37、45。

4.2 物探檢測(cè)

采空區(qū)治理后在檢查孔內(nèi)采用波速檢測(cè)的方法檢測(cè)注漿孔質(zhì)量。主要以場(chǎng)地采空區(qū)注漿層的平均剪切波速來(lái)衡量采空區(qū)注漿質(zhì)量指標(biāo)，橫波波速不小于300m/s。

5 采空區(qū)治理效果

通過(guò)注漿法對(duì)擬建聯(lián)合建筑采空區(qū)進(jìn)行治理，取得了很好的治理效果。采空區(qū)治理材料主要為水泥粉煤灰漿液，注漿法具有簡(jiǎn)便、安全、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)，并且可以達(dá)到較好的治理效果，可以在煤礦采空區(qū)治理工程中推廣應(yīng)用。