超高井工礦采空區充填治理地質災害核心技術研究與應用

文┃胡建新（湖南省煤田地質局物探測量隊）

關鍵字：采空區；注漿；鉆孔技術；治理

0 前言

由于城市的擴展，會有原礦山用地轉化為建設用地的情況。礦山遺留下的地面巖溶塌陷等地質災害危及居民人身財產安全，急需治理。筆者搜索相關文獻資料，發現業內大都采用水泥漿加水玻璃充填治理，這樣工程造價較高。根據地下水均衡原理，我們可以就地取材，將城市建設產生大量無處堆放的渣土，制作泥漿，用于充填超高采空區，可達到治理效果。同時在制作泥漿時，可回收砂或礫石，作為再生資源利用，變廢為寶。

1 工程概況

1.1 地理位置及范圍

長沙市再生資源科技有限公司位于長沙市西南方向，距長沙市猴子石大橋約10km，行政區劃屬長沙市岳麓區坪塘鎮管轄，地理坐標：東經 112°52′16″～ 112°52′31″；北緯28°04′03″～28°04′16″。范圍是采礦證圈定的五個拐點坐標，面積0.1109km2。

1.2 采空區現狀

該公司原為長沙市岳麓區石灰石礦，1986年開始零星開采，采用露天凹陷開采，所采礦石主要用于建筑用石，部分用于燒制水泥。現已形成一個1900多平方米的露天采坑。

2004年-2017年，該礦山改用地下開采，采用斜坡道開拓，開拓斜坡道長124m，方位82°，坡度15%，斷面約18m2。因為采用房柱法開采，巷道寬一般在12-28m，高一般在15-20m，房柱寬一般在17-34m，后進入水平分層開采，分二個水平，第一水平標高為+48m水平，第二水平標高為+20m水平，采空區走向長約560m，寬約220m。該礦采空區面積約5.5萬m2（含礦柱），開采礦石280萬噸，體積約105萬立方米，采空區主要分布在礦界范圍內的南部。因礦山已停產，第二水平有少量積水，采空區現狀采取自然通風，第一水平開始鉆探施工時，要采用機械通風。

2 工程地質條件

2.1巖土體工程地質類型及特征

按巖石性質，堅硬強度，巖體結構、構造類型分為巖石綜合體。區內巖土體可分為土體和巖體兩大類。其工程地質特征如下：

2.1.1土體

粘土：主要由殘坡積物、沖積物組成，前者系基巖風化而成，以粘土為主，中液限、中壓縮性、稍濕、硬塑。后者分布于溝谷，以粉砂質粘土為主，中液限、中壓縮性、濕～稍濕、可塑。

2.1.2巖體

礦體為石灰巖質，為灰巖夾生物碎屑灰巖，呈巨厚層狀，巖性致密堅硬，僅巖石表面有微弱風化外，巖石表面以下原巖較堅硬，強度高，抗風化及抗變形能力均較好。抗壓強度一般為70～128Mpa，軟化系數大于0.8。礦體RQD值為80～100，因此巖石質量等級為II等，巖石質量較好，巖體較完整。

礦區為覆蓋型巖溶地區，礦山巖溶率約為5.6%，巖溶作用局部較強，原采坑內有一小溶洞發育，直徑達5m。地面巖溶塌陷發育3個，直徑最大達40m。

3 采空區治理的必要性

3.1 采空區是誘發重特大事故的災害因素

采空區引發的透水、崩塌、滑坡、地面塌陷等多種形式的地質災害，往往造成大量的人員傷亡和財產損失。因此，治理采空區是治理礦山地質災害隱患，改善人居環境的需要。

3.2采空區安全隱患得不到及時有效治理

由于部分經營行為和經濟利益的驅使，基本不重視采空區處理問題，甚至未按開發方案開采，增大了采空區的事故隱患。部分礦山業主更替，新的企業主不愿承擔老采空區治理責任，造成歷史和當前的采空區治理問題相互制約，采空區治理工作落不到實處。因此，治理采空區安全隱患，是解決歷史遺留問題的需要。

3.3是落實人民至上、生命至上的安全生產發展理念的需要

3.4采空區問題已經成為制約一些地方經濟發展和影響社會和諧的重要因素

采空區因透發礦區地表變形、塌陷，帶來了一系列的礦山生態環境破壞問題，造成礦區植被，地表破壞嚴重，引發水土流失及地質災害，由于采空區誘發的地表開裂，變形，影響礦區居民生活和正常生產活動，造成礦、農矛盾問題突出，甚至引發群體性事件，影響了當地社會和諧。因此，治理采空區是改善區域群眾生產生活基本條件的需要，同時也符合長沙市岳麓區整體發展規劃。

4 注漿孔設計

長沙市岳麓區石灰石礦采空區治理工程，采空區采用鉆孔注漿，充填采空區，目的是讓采空區裂縫、溶洞的充填物不流失，恢復地下水水位，確保礦區不發生地面巖溶塌陷等地質災害。采空區處理長度約560m，寬220m。設計灌漿孔5個（其中地面設計三個鉆孔為ZK01、ZK02、ZK03，采空區一水平設計兩個鉆孔為ZK04、ZK05，地面鉆孔設計數量根據注漿效果可進行適當調整），利用一個露天采坑。因采空區相互連通，及泥漿水的流動性，地面鉆孔采用均勻布置，根據地形條件及露天采坑位置，及注漿實驗漿液流動的范圍，確定孔距100m～130m，設計灌漿孔總長度約195.1m。注漿范圍為整個采空區。

5 施工程序及治理順序

施工順序按采空區的傾斜方向，先施工采空區底板標高較低位置的注漿孔，再沿傾斜方向由低向高、由邊部向中心展開施工。由于露采場北面約25m處有一處采空區塌陷，破壞了生態環境，是急需治理的區域，所以當企業開始實施治理時，先將露天采坑處下方的采空區，利用第一水平設計的ZK04鉆孔灌滿塌陷區附近采空區，確保采空區頂部充實，保持水土不流失，使塌陷區處于穩定狀態。然后將露天采坑口上部10m作為泥漿池把泥漿抽至左右兩側注漿孔（ZK01、ZK03），最后注入中間注漿孔（ZK02）。其次開始對第二水平注漿，均采用地面鉆孔注漿，利用第一水平設計的ZK05鉆孔及第二水平的斜坡道，通過漿液的流動性，自然充填到第二水平采空區，最后充填第一水平采空區，進行依次充填治理。

6 成孔工藝及技術要求

6.1 成孔工藝

6.1.1采用φ600mm鉆徑開孔（根據灌漿情況開孔孔經可作細微調整），鉆至完整基巖2m后，下套管護壁，然后變徑為φ500mm。在第四系卵、礫石層的鉆探過程中采用跟管鉆進。

6.1.2第一水平開孔采用φ600mm鉆徑，鉆至采空區頂板終孔。

6.2 技術要求

1）鉆機須在技術人員的指導下進入場地，并在技術人員指定的位置安裝設備，要求天車、立軸、孔口三點一線，防止孔斜。

2）對不要求取芯的鉆孔，嚴格按照預想鉆孔柱狀圖施工，最后編制成孔鉆孔柱狀圖。

3）在鉆孔施工過程中，如發現漏水、掉鉆、埋鉆、機上見軟、見硬等現象，要詳細記錄其深度、層位和耗水量，并應立即報工程師采取相應措施。

4）每個注漿孔鉆孔中測斜至少一次，終孔孔斜不得超過2°/100m。

6.3澆鑄孔口管工藝

1）準備Φ50～Φ60mm鋼管（注漿管）。

2）加工圓形法蘭托盤。

3）在管子前端200～300mm處焊接法蘭托盤。同時在灌漿管托盤以上3～10m處采用反絲接頭，灌漿結束后反轉撥上部灌漿管，以備其它孔再次使用。

4）下入帶法蘭托盤的注漿管。

7 漿液配合比設計

注漿采用經濟適用的水、土漿液，漿液設計土水比為1:1.1～1:1.5，前期一般采用1:1.5，后期漿液配合比可提高到1:1.1，加入適量的粉煤灰。漿液膠結后的強度能阻止孔隙水及溶洞充填物滲入采空區。因采空區圍巖為灰巖地層，抗壓強度高，無須用膠結物支撐。漿液充滿后，其孔隙水壓力基本能保持與地壓平衡，恢復原始水位。

8 漿液材料及其質量要求

注漿材料主要由水、土、粉煤灰等組成。

1）水：水應潔凈，不含有害物質，SO42-含量應小于1.0%。本次施工用水采用工地附近池塘及采石場礦井水，可循環利用。

2）渣土：渣土質量應符合有關規定，確保無污染物。

9 灌漿系統設計

灌漿系統由料場、一級攪拌池、供水系統、注漿泵、注漿管道、封孔裝置等組成。

1）料場：堆放材料的場地要平整，運料車輛能正常通行，且緊鄰攪拌池，使材料便于運輸、搬運。

2）攪拌挖斗：要求一次攪拌量應不小于400kg以滿足正常施工要求,攪拌均勻。

3）攪拌池：本工程各采空區治理段至少要求設置3個攪拌池，一個攪拌池長14m、寬3m、深4m，另二個攪拌池長10m、寬3.5m、深3m，中間設置攪拌系統，使得攪拌后的漿液均勻，符合設計要求，一次攪拌量應不小于10m3。攪拌后的沉渣為砂或礫，可作建筑材料，變廢為寶。

4）蓄水池：攪拌池應根據各采空區治理段施工注漿總量及工地具體情況，需建立一個蓄水池。

5）注漿泵：宜采用變量泵，注漿泵壓力應大于最大設計壓力的1.5倍。

6）壓力表：注漿用壓力表最大指數應不大于10MPa。

7）封孔裝置：注漿完畢后下入木塞至孔內變徑處，用525#水泥漿封閉；水泥漿配合比例：水泥:水=1:0.6，孔口用水泥塊作永久封閉標志。

10 注漿工藝及技術要求

1）對注漿孔的鉆探資料進行查閱分析，測定孔深、水位，作出注漿情況的初步判斷，并作好記錄。

2）連接孔口管，進行簡易壓水試驗，持續時間約20min，檢查泵與管路系統的完好狀態，并記錄孔口壓力變化值，漿液到達孔口后，在重力作用下自流。判斷孔內地層裂隙、空隙的發育程度及可灌程度。

3）根據鉆探資料（巖石破碎程度、耗水量、采空區特征、是否有掉鉆、埋鉆等）、孔深測量結果進行單孔注漿量設計，選擇初始漿液濃度、確定注漿方法。

4）注漿采用漿液濃度先稀后稠的方法，泥漿越稀，流動范圍廣，充填的范圍越大，有利于采空區的充填。注漿開始后，要定時觀測泵的吸漿量和泵壓，并記錄注漿過程中發生的各種現象，收集原始資料，并根據實際情況及時調整注漿量和漿液濃度。

5）灌漿開始后，要求定時觀測并記錄泵的吸漿量、泵壓及孔口表壓，間隔時間為20分鐘。記錄灌漿過程中發生的各種現象，并根據實際情況及有關規定隨時調整漿液濃度和灌漿量。

6）注漿過程的工藝程序及要求，應嚴格遵照工藝流程圖進行操作和施工。

7）在注漿孔的注漿末期，注入的泥漿經露天采坑口或鉆孔向外涌出或跑漿時，證明采空區該注漿孔已充填實。

11結論

1）利用地下水均衡原理，將廢棄的渣土制成泥漿充填超高井工礦采空區，即經濟又適用，能有效治理采空區巖溶地面塌陷。利用這個核心技術可運用于類似井工礦產生的巖溶地面塌陷。

2）利用泥漿充填采空區原理，可對煤礦起火采區進行灌漿滅火。□