淺談填充式注漿法在煤礦采空區治理中的應用

摘要：為保證煤礦采空區上部的住宅建設用地的安全性與穩定性，相關部門應對該區域煤礦的開采歷史進行分析，結合采空區塌陷的產生原因及該類型區域的危害情況，提出恰當的治理方案。本文以山東省濟南市某煤礦采空區治理為例，采用填充式注漿法對采空區及裂隙進行治理，檢測結果表明，在該方法治理下，采空區的塌陷失穩情況得到有效治理，因此該方法具有良好的治理作用。

關鍵詞：填充式注漿法；煤礦；采空區；治理

山東省濟南市章丘區諾貝爾城西側某場地工程建設規劃為住宅樓，工程建設區范圍內存在開采煤礦形成的采空區，擬建場地用地面積約73245m2（合計109.9畝），建設17棟18層高層建筑與2棟3?4層的商業樓及會所。

采空區周圍巖體應力經重新分布后處于相對平衡狀態，而在受上部建筑荷載或其他外力作用下，極有可能造成采空區“活化”，發生塌陷等地質災害。經踏勘及勘察，發現部分住宅樓位置場地建設適宜性差，因此采取注漿措施來解決這一問題。為了確保采空區上部高層建設用地安全，相關部門將采取有效措施，包括對影響擬建建筑物的煤礦采空區及冒落帶、破碎帶進行注漿治理，以消除地質災害隱患，并使治理后的場地成為適宜進行工程建設的場地，從而提高土地資源的利用率。

一、采空區的危害性分析

（一）采空區的基本特征

煤礦資源開采歷史悠久，太原組和山西組是主要含煤地層。這些礦井為當地經濟發展作出貢獻。自建礦至今，當地已經開采了煤3、煤4、煤9三個煤層，具體情況如下：

煤3層處于山西組中下部，其可開采煤層的穩定性極低，頂板為粉砂巖，底板為黏土巖，極不穩定，于 2003 年年底前已全部采完。

煤4層賦存于山西組下部，埋深 35～70m，頂板為粉砂巖，底板為黏土巖，整體穩定性不佳。據資料顯示，原煤4層釆空區位于擬建場區中北部，該煤層回釆率約 50%。

煤9賦存太原組下部，其結構單一，但是內部煤礦的分布較薄，可采厚度僅有0.81m，頂板由泥巖、粉砂巖組成，底板由以泥巖、粉砂巖、中砂巖組成。埋深 75?210m。據資料顯示，煤9層采空區位于擬建場區西北部，礦層回釆率約 85%。

場區內煤3層采空區面積為5319m2，影響帶范圍為14595m2，合計19914m2，全部位于煤4層采空區及影響帶范圍內，治理煤4層時一并治理；煤4層采空區面積為26778m2，影響帶范圍為35156m2，合計61934m2；煤9層采空區面積為4084m2，影響帶范圍為 10928m2，合計 15012m2。

（二）采空區的現狀評估

規劃建設場區內存在頂板巖石塌落不密實的充水采空區，存在后續活化的可能性，導致發生地面不均勻沉降，對規劃建設建筑物影響較大，綜合分析采空區的實際情況，當前在采空區域內整體結構穩定性較差，有局部場區范圍內規劃建筑物適應性差。若要對其進行建筑物規劃，應提前對采空區進行治理，提高采空區上部建筑物結構的穩定性，或避開不穩定區域進行規劃，避免后續建設過程中出現危險。

（三）根據采空區特征判定影響程度

在采空區域范圍內，地表部分較為穩定，但地下區域存在塌陷和充水情況。在長時間作用下，充水采空區域周圍的煤柱等結構受到侵蝕和破壞，導致場區內采空區存在塌落不充分的可能，因此該區域危險性較強。根據相關資料進行判斷，本項目中采空區存在情況對地上的建筑規劃影響較大。

二、填充式注漿法

根據類似工程經驗，當前針對建筑規劃范圍內采空區治理的方案包括兩種：一種是對地面規劃的建筑物采取一般工程防護措施，采取形式包括地基換填、采取工程樁，增加建筑物的抗變形能力，使其能夠在地基不穩定的情況下，抵消地下結構變形帶來的影響，保持地面的穩定性；另一種是對采空區域進行填充式注漿治理。

（一）采空區治理深度及范圍

按照相關規范，采空區內注漿治理深度需要布設至采空區底板以下2m，在采空區影響帶內，按照基巖70°、第四系45°的移動角推算影響范圍，結合實際情況的推算采空區范圍調整注漿孔深度，使其能夠保持在移動影響帶的下方，同時控制治理深度范圍為5～10m，相關部門在本次施工中選擇控制治理深度10m，根據孔口高程和設計孔底高程決定注漿孔的實際鉆空深度。

治理范圍是對建筑基礎有影響的采空區及其塌落邊坡影響范圍內的不穩定區域，治理區域內分布有煤3層、煤4層和煤9層采空區。

（二）注漿孔布置

根據 《煤礦采空區建（構）筑物地基處理技術規范》（GB 51180—2016）的規定，注漿孔應采用正三角形布置，其間距應參照表1中的規定進行確定。

根據《勘察報告》，煤9層采空區為堅硬頂板，回采率≥60%，孔間距取值15m。煤4層和煤3層采空區無堅硬頂板，回采率≥60%，取值12m，煤4層采空區影響范圍內適當放稀，孔間距取15m。

由于煤9層采空區及其影響范圍全部位于煤4層采空區內，煤9層治理區的鉆孔同時作為煤4層治理區的鉆孔進行分段注漿，因此按照12m 間距進行布設，以滿足對煤4層采空區的治理要求。由于西北部存在采空區，西南部存在巷道，均與外圍采空區及巷道貫通，需布設帷幕孔以阻斷場內采空區及巷道與外圍的聯系，采用正三角形雙排布設，采空區區域孔間距10m，巷道區域孔間距 5m。

場區內共布置注漿孔437個，總進尺52019m，取芯孔26個，取芯孔總進尺3665m，注漿孔411個，注漿孔總深48354m。施工時，應根據實際情況隨時調整，確保能夠使漿液填充整個采空區范圍內，同時滿足注漿孔鉆至采空區底板下設計深度。

（三）注漿量確定

根據國內采空區治理工程經驗，在制漿后，應現場取樣對結石率進行計算，相關規定給出取值區間為75%～95%，本次取值確保達到80%，同時控制注漿的填充率，相關規定給出取值區間為85%～95%，本次要求整個采空區的填充系數達到90%。在計算注漿量時，應注意漿液的滲透損耗等情況，確保計算的精準性。采空區注漿量估算見表2。在治理區范圍內，煤層采空區的分布和開采的沒有明顯的規律，真實的灌注量與設計值存在一些差異，因此，施工計量應以實際注漿量為準。

采空區的復雜性，僅憑有限的鉆孔點很難準確查明擬建場地下采空區的情況。因此，在施工過程中，施工單位應根據“動態設計，信息化施工”的原則，對注漿孔的孔深、鉆孔的位置和數量以及注漿量大小等進行必要的調整和優化，以確保建筑工程質量。

（四）注漿漿液制拌

1.注漿材料

經過現場勘察，發現采空區處于地下水位以下并屬于充水狀態。漿液在采空區中流淌范圍和方向難以確定，因此需要在漿液中添加固化劑使其速凝，以防止漿液流失過大。根據采空區注漿治理的經驗，本次注漿設計采用特定的材料和配比，在正式注漿前，應根據注漿實驗結果，精確設定水灰比和添加劑的用量。

注漿材料主要為水泥和粉煤灰以及添加劑，水泥以P·S·A32.5為主，粉煤灰則符合二級標準，添加劑以減水劑、速凝劑為主。

2.注漿配合比

釆空區填充漿液為水泥、粉煤灰混合料漿，水泥與粉煤灰的比例為4 ：6，應根據注漿結石體的強度、漿液流動性等因素，從稀到濃的調整水固比，一般調整的順序由1.2：1到1：1再到0.8：1，而在釆空區充水時，應使用更高的水固比。煤礦采空區空洞較大的區域，加入φ0.5～10的骨料作為填充使用。若含有固化劑等多種材料的漿液時，應當結合固化強度、是否產生化學反應等方面進行針對性配比。

對于特殊性注漿孔和明顯具有掉鉆現象的注漿孔，如鉆探出現巷道及未坍塌的采空區等，為控制漿液擴散過遠，節省材料消耗，在孔口安裝漏斗狀注漿設備，將石子用漿液帶入孔內，同時調整水固比應按照由稀到濃的原則。

（五）注漿工藝

1.注漿方式

對于勘察出單層采空區治理的區域采用單層式注漿工藝；對于勘察出雙層采空區治理的區域采用上行式注漿工藝。

單層式注漿：第一步，鉆孔至所需治理深度，然后停止鉆進，拔出鉆桿；第二步，安裝注漿管路并封孔；第三步，對注漿孔進行壓水清洗，以檢驗注漿管里是否通暢，是否有漏水情況；第四步，開始注漿；第五步，達到終孔條件后停止注漿，取出注漿管路。

上行式注漿：第一步，將鉆孔鉆入至煤9層底板以下2m或影響帶以下10m；第二步，安裝注漿管并封孔（封孔位置在煤4層底板以下完整基巖）；第三步，對注漿孔進行壓水沖清，以檢查注漿管是否通暢，是否有漏水情況，并沖刷封堵的巖層裂隙；第四步，開始注漿；第五步，達到終孔條件后停止注漿，取出注漿管路；第六步，上移注漿管出漿口，使出漿口位于上層采空區，安裝注漿管路并封孔（封孔位置在煤3層頂板以上完整基巖）；然后重復第三至第五步，注漿過程中確保注漿管路的安全性和穩定性，并采取有效措施。

采空區治理嚴格執行注漿順序，注漿施工時，應按次數間隔成孔，分4個序次成孔，孔序的注漿順序顯得尤為重要。在通常情況下，為了避免出現漿液外流問題，先開展帷幕注漿，再按照“先深后淺”的原則進行中間孔注漿。

2.注漿壓力

注漿壓力可以確保注漿施工順利完成，然而，注漿壓力越大，也會引發許多新的問題。例如，會引發地面隆起，破壞地下管線。因此，合理控制注漿壓力顯得尤為重要。

本次治理過程中，各個煤層特點不同需要調整注漿時壓力。其中煤3層和煤4層相距較近，壓力相似，該治理層位的注漿壓力為1.0～1.5MPa。煤9層較深，應增大注漿壓力，可以將注漿壓力調至1.5～2.0MPa。具體壓力情況需要結合實際情況作出調整。應注意的是在注漿壓力提高后，施工危險性加強，應加大施工安全保障力度。

終量終壓的規定，對于煤3層和煤4層采空區進行注漿時，當注漿孔孔口管壓力為達到注漿壓力的1.2倍，泵量低于50L/min，并且保持穩定狀態至少15min，可以結束該孔注漿；對煤9層采空區，當注漿孔孔口管壓力為2.4MPa，泵量低于50L/min，穩定并保持至少15min，可以結束該孔注漿。

（六）變形監測

在采空區注漿治理前，相關部門初步設置56個監測點，以監控地表水平位移、垂直位移、裂縫和道路變化。根據現場及周邊重要建（構）筑物的情況，制定合理的地表變形監測方案，并在關鍵節點位置設置監測點，進行初始觀測；在采空區治理過程中，及時監測地表變形量，一旦發現變形過大，應立即采取處理措施。

在施工期間，監測頻率為1次/5～10天，地面變形活躍期內，觀測周期取小值，地面變形衰退期及以后取大值。道路變形監測報警值為25mm。監測周期為開始施工至注漿施工完成并驗收合格。

（七）注漿檢測

按照規定，采空區質量檢驗宜在施工結束三個月后進行，業主單位委托有資質的檢測單位進行注漿效果檢測，先采用綜合地球物理勘探進行查驗，根據物探檢驗情況布置檢驗鉆孔驗證注漿效果，再根據物探和鉆孔驗證結果確定是否需要補充注漿以及采空區下一步治理施工內容。若有必要可進行補注漿，檢測合格后方可建設。

根據《煤礦采空區建（構）筑物地基處理技術規范》（GB 51180—2016）的規定，注漿治理效果進行檢測，檢測項目包括結石體的抗壓強度、充填系數、橫波波速、傾斜值、水平變形值、曲率值。

現場檢測采用多方法綜合檢測技術，主要采用鉆探取芯、注漿結實體強度檢測、物探測試等方法進行注漿治理工程的質量檢測。

三、結語

在對本項目煤礦采空區現狀及危害的全面分析后，相關部門采取填充式注漿法治理采空區的措施，詳細介紹該施工工藝和施工組織，經過中期檢測報告，一期地塊注漿治理后的采空區達到預期工程目標，為今后類似煤礦采空區治理提供了寶貴的經驗。

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作者簡介：李金磊 （1988），河北省三河市人，本科，助理工程師，研究方向為水工環地質。