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      全充填注漿法在煤礦采空區(qū)治理中的應(yīng)用

      2014-07-17 07:21:00上官志偉
      山西建筑 2014年14期
      關(guān)鍵詞:泥巖裂隙采空區(qū)

      上官志偉

      (山西地質(zhì)勘查局二一二地質(zhì)隊,山西長治 046000)

      1 治理區(qū)工程概況

      山西省南耀工業(yè)園區(qū)年產(chǎn)120萬t焦化廠位于長治市郊區(qū)南村村南,南村在行政上隸屬長治市郊區(qū)西白兔鄉(xiāng)管轄。在位置上則位于長治市郊區(qū)、屯留、襄垣、潞城的交界部位。山西南耀集團小常礦業(yè)有限公司下伏采空區(qū)治理工程位于南村南側(cè)約500 m。在治理區(qū)范圍內(nèi),由于下部存在大面積的采空區(qū),目前場地內(nèi)已形成多處地面塌陷與地裂縫。針對山西南耀集團小常礦業(yè)有限公司下伏采空區(qū)的治理,該工程共設(shè)計鉆孔292個,其中帷幕孔24個,注漿孔268個。工程設(shè)計總進尺為52 560 m,計劃總注漿量約為200 000 m3。

      2 采空區(qū)地質(zhì)特征

      根據(jù)鉆探揭露地層情況可知,該工程采空區(qū)從地表至3號煤層的地層巖性主要以砂巖、泥巖為主,夾有泥質(zhì)砂巖及粉砂質(zhì)泥巖,按堅硬程度分砂巖、泥質(zhì)砂巖、較硬巖、較難風(fēng)化、泥巖及粉砂質(zhì)泥巖屬較軟巖,易于風(fēng)化。另據(jù)石圪節(jié)煤礦采取取樣試驗結(jié)果,3號煤層頂板之粉砂巖——砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度為501 kPa~675 kPa,單軸抗拉強度為17 kPa,抗剪強度為34 kPa~36 kPa;底板砂巖單軸抗壓強度為560 kPa,單軸抗拉強度為20 kPa,抗剪強度為42 kPa。根據(jù)設(shè)計方案對采空區(qū)巖層的劃分方案和本次治理鉆探資料分析,治理區(qū)覆蓋層按空間結(jié)構(gòu)可劃分為冒落帶、裂隙帶及變形彎曲帶,治理區(qū)內(nèi)主要發(fā)育前兩帶,各帶發(fā)育特征如下。

      2.1 冒落帶

      冒落帶指采空區(qū)底板與頂板坍塌巖層之間的空間范圍。冒落高度取決于煤層頂板的完整程度及開采程度等,本采空區(qū)直接頂板為泥巖或砂質(zhì)泥巖,屬軟質(zhì)巖石,極易破碎風(fēng)化。因此,在煤層開采以后,泥巖或砂質(zhì)泥巖很快就會塌落。據(jù)鉆探情況來看,冒落高度最大為36 m,一般為5 m~14 m。

      采空區(qū)冒落物除頂板巖石外,還有碎石、煤塊等堆積物,冒落物多呈碎塊狀、粉末狀,有時為較大的塊狀。表現(xiàn)在鉆探上,就是鉆至冒落帶后耗水量大量增加,鉆進較快,加桿困難,個別有掉鉆、卡鉆現(xiàn)象,巖芯采取率極低。

      2.2 裂隙帶

      裂隙帶在治理區(qū)內(nèi)較為發(fā)育,位于冒落帶與變形彎曲帶之間,受其影響,冒落帶以上裂隙十分發(fā)育,大都向上延伸至地表。

      除直接觀察到的裂隙外,鉆探中大量漏水及注漿過程中地面冒漿及串漿現(xiàn)象也是有力佐證,在施工鉆孔中除少數(shù)存在返水外,大部分發(fā)生漏水現(xiàn)象。同時,注漿過程中在受注孔附近地面的裂隙中出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象,這些表明冒落帶至地表有很好的貫通性。

      2.3 變形彎曲帶

      在本區(qū)內(nèi)較為發(fā)育,治理區(qū)內(nèi)可明顯看到留有保安煤柱的部分地面較高,大部分地面已經(jīng)下沉,發(fā)生了變形彎曲。

      3 采空區(qū)煤礦開采現(xiàn)狀

      塌陷到表面的煤礦采空區(qū)無疑對建筑物的地基是有害的,對于那些采空較深、跨落并沒有到地表的,應(yīng)當(dāng)對其進行分析,確定其能夠承受住附加重量避免塌陷。所謂煤礦采空區(qū)是指,地下煤礦層被挖完之后,其周圍的巖石驟然滑落而引發(fā)的巖層錯位或斷裂,從而在地下巖層中形成孔洞或裂縫。通過對南耀工業(yè)園區(qū)的勘察,治理區(qū)內(nèi)為潞安礦務(wù)局石圪節(jié)煤礦采區(qū),場地下部分布有3號煤、9號煤與15號煤,其中石圪節(jié)煤礦已采煤層為3號煤,3號煤在本區(qū)的埋深為160 m~200 m,煤層厚度為6.00 m,厚度穩(wěn)定,煤層傾角約4°,呈東高西低之勢。煤層直接頂板為泥巖或砂質(zhì)泥巖,易于冒落,底板為泥巖。由于煤層厚度大,回采率高,造成采空高度大,冒落帶范圍廣,裂隙十分發(fā)育,局部地段延伸至地表,形成了地表裂隙縱橫交錯的特征,而且出現(xiàn)地面下沉的現(xiàn)象。鑒于此,對于煤礦采空區(qū)的范圍確定一定要考慮各種可能性,保證處理范圍的合理性與準(zhǔn)確性。

      4 采空區(qū)全充填注漿治理方法

      根據(jù)《山西南耀集團小常礦業(yè)有限公司下伏采空區(qū)治理施工圖設(shè)計說明》規(guī)定,南耀工業(yè)園區(qū)采空區(qū)治理工程共設(shè)計鉆孔292個,其中帷幕孔24個,注漿孔268個。本次設(shè)計總進尺為52 560 m,預(yù)計總注漿量約為200 000 m3(見表1)。

      表1 南耀工業(yè)園區(qū)采空區(qū)設(shè)計注漿量

      南耀工業(yè)園區(qū)采空區(qū)注漿法處理地基工程需要直徑127 mm的無縫鋼套管和制作漿體所需的材料,考慮到成本控制,漿液材料應(yīng)當(dāng)就地、就近取材,包括工業(yè)廢渣、硅酸鹽水泥、石粉、水玻璃摻合劑以及自來水。工程主要包括:施工順序、注漿過程控制、注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)、注漿量。

      1)施工順序。本次注漿嚴(yán)格按設(shè)計要求注漿,先施工四周帷幕孔,然后施工中間注漿孔,注漿時采用停歇式注漿法。注漿時應(yīng)根據(jù)鉆孔情況采用先稀后稠的方法,這次注漿主要采用1∶0.70,1∶0.80,1∶0.86 三種配比水泥粉煤漿進行采空區(qū)注漿。

      2)注漿過程控制。注漿時先根據(jù)鉆孔資料分析此孔的地質(zhì)情況,了解此孔是煤柱孔還是冒落孔,煤柱孔是否漏水,冒落孔是否掉鉆等,然后決定采用何種漿液比例開始注漿,在注漿過程中及時觀察吸漿量和泵壓,再結(jié)合鉆探資料決定是否增大注漿比例,是否間歇、是否摻加水玻璃、砂子等注漿方法。此次帷幕孔注量不大,使得帷幕孔在短時間內(nèi)便發(fā)揮作用。中間孔的注漿方法主要采用間歇和增大比例的方法注漿。特別是掉鉆孔的注漿量較大,注漿必須及時采取措施。比如B-5,ZK5-10孔依據(jù)鉆孔資料分析其注漿量較大,注漿開始進漿速度很快,而且孔口有吸漿現(xiàn)象,我們及時采用小方量多間歇即“多餐少食”的注漿方法,分別經(jīng)過2次、19次間歇注漿達到終孔。在采空區(qū)地基進行注漿處理時,為了確保工程的質(zhì)量,避免漿液流到非注漿區(qū)域,在注漿工程實施中應(yīng)當(dāng)要先對邊界進行注漿處理,而后才是采空區(qū)的中間部分;邊界區(qū)域要用稠漿,中間注漿孔用稀漿。

      3)終孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是確定鉆孔是否注滿的重要依據(jù)。設(shè)計要求,在注漿末期,泵壓逐漸升高,泵量小于70 L/min 時,孔口壓力在1.0 MPa~1.5 MPa間,穩(wěn)定10 min~15 min或注漿孔周圍有冒漿現(xiàn)象時可結(jié)束該孔的注漿施工。此次采空區(qū)注漿全部正常達到終孔標(biāo)準(zhǔn),而且終孔孔口壓力大多在1.0 MPa~1.2 MPa之間,達到了設(shè)計的 1.0 MPa~1.5 MPa的要求,終孔泵量為52 L/min,穩(wěn)壓時間也多在10 min~20 min。綜上所述,所有的注漿孔終孔均滿足設(shè)計要求,反映采空區(qū)充填飽滿,注漿質(zhì)量可靠,達到了治理的目的。

      4)注漿量。本次灌注的311個鉆孔,總注漿量為265 585 m3,完成設(shè)計量的132.79%,超出設(shè)計注漿量的原因為增加了工作量,因此使實際注漿量與設(shè)計有所差異。311個注漿孔中,平均單孔注漿量為854 m3,由于本次施工83.0%的鉆孔為冒落孔和掉鉆孔,而且地面塌陷較嚴(yán)重,因此出現(xiàn)各鉆孔的注漿量有較大的差異。從整個采空區(qū)看,各注漿孔注漿量分布如下:0 m3~50 m3,116 個孔;50 m3~100 m3,54個孔;100 m3~500 m3,59個孔;500 m3~1 000 m3,22 個孔;1 000 m3~2 000 m3,26 個孔;2 000 m3~5 000 m3,22個孔;≥5 000 m3,12個孔。總之,本次注漿從各方面執(zhí)行設(shè)計要求,以質(zhì)量為根本,嚴(yán)格施工,注漿質(zhì)量合格,達到了采空區(qū)治理的目的。

      5 結(jié)語

      利用注漿法對煤礦采空區(qū)內(nèi)的建筑地基進行加固處理,能夠有效地避免地面因采空區(qū)的原因發(fā)生塌陷的情況。南耀工業(yè)園區(qū)下伏采空區(qū)治理工程,嚴(yán)格按照施工組織設(shè)計工藝進行施工,施工放樣、鉆探、成孔嚴(yán)格施工,孔位、孔深、孔徑等方面完全達到了設(shè)計要求。鉆探施工的311個注漿孔質(zhì)量全部合格,滿足設(shè)計要求和注漿需要。澆筑孔口管嚴(yán)格按施工工藝施工,經(jīng)注漿檢驗,沒有發(fā)生孔口漏漿現(xiàn)象,止?jié){效果符合要求??傋{量為265 585 m3,遠大于原設(shè)計200 000 m3,達到了采空區(qū)治理的目的。

      [1]刑繼亮.注漿法在采空區(qū)地基處理中的應(yīng)用[J].山西焦煤科技,2010,34(11):29-30.

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