工業(yè)廣場采空區(qū)充填治理方法研究

鄧天琳

工業(yè)廣場采空區(qū)充填治理方法研究

鄧天琳

結(jié)合大同煤礦集團(tuán)公司四老溝礦南羊路副立井工業(yè)場地地面建筑和下伏采空區(qū)現(xiàn)狀，依據(jù)礦區(qū)地面建、構(gòu)筑物保護(hù)等級劃分，對南羊路工業(yè)場地下伏采空區(qū)提出治理方法，介紹地面注漿法治理采空區(qū)的施工工藝。

工業(yè)廣場；采空區(qū)治理；充填；地面注漿法

0 前言

大同煤田為雙系煤田，即侏羅系煤系和石炭二疊紀(jì)煤系大部分區(qū)域上、下重疊賦存。四老溝礦目前上部侏羅系大部分煤層（2號、3號、4號、11號煤層）已被開發(fā)利用。為了解決侏羅系礦井資源接替、礦井人員安置就業(yè)問題，大同煤礦集團(tuán)將塔山、同忻、馬脊梁部分石炭系資源調(diào)配到四老溝礦，由四老溝礦進(jìn)行生產(chǎn)。為了消除四老溝礦南羊路副立井工業(yè)廣場下侏羅系煤層采空區(qū)的安全隱患，確保工業(yè)廣場內(nèi)井筒建設(shè)安全，以及避免地面新建建（構(gòu)）筑物建成后發(fā)生較大的下沉、變形以及陷落柱破壞，需對南羊路工業(yè)廣場下伏采空區(qū)進(jìn)行治理。

1 采空區(qū)治理方法概述

地下固體礦床開采后的空間及其圍巖失穩(wěn)而產(chǎn)生的位移、開裂、破碎垮落，直至上覆巖層整體下沉、彎曲所引起的地表變形和破壞的地區(qū)和范圍統(tǒng)稱為采空區(qū)。當(dāng)采空區(qū)的穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果為不穩(wěn)定或者次穩(wěn)定時(shí)，就需要選擇合適的采空區(qū)治理方法進(jìn)行處理。煤礦采空區(qū)的治理方法目前主要有地面注漿充填法、井下回填法和開挖回填法3種。

（1）地面注漿充填法：通過地面打孔，利用注漿泵、注漿管路，將具有充填、膠結(jié)性能的漿液材料注入采空區(qū)空間或采空區(qū)的垮落帶、裂隙帶，漿液膠結(jié)固化后形成的漿液結(jié)石體對上覆巖層形成支撐作用或降低其滲透性，確保地面及地面上的建（構(gòu)）筑物不受到破壞。

（2）井下回填法：在煤礦開采后形成的空洞內(nèi)，用廢棄矸石、灰?guī)r或砂巖等片石人工回填砌筑，砌體與采空區(qū)頂板緊密接觸，起到支撐頂板的作用，從而保證采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性。該方法主要適用于尚未完全塌落、空間較大的采空區(qū)，且采空區(qū)內(nèi)通風(fēng)條件良好，易于人工作業(yè)、材料運(yùn)輸?shù)取?/p>

（3）開挖回填法：對采空區(qū)先開挖，然后采用灰土回填方法治理采空區(qū)，宜采用灰土或素土分層回填夯實(shí)。該方法主要適用于治理千層或露頭部位采空區(qū)。

四老溝礦南羊路副立井工業(yè)廣場下伏侏羅系2號、3號、4號、11號煤層缺乏相關(guān)煤層頂板覆巖資料，無法準(zhǔn)確分析該區(qū)域煤層上覆巖層的發(fā)育規(guī)律。根據(jù)四老溝礦南羊路副立井工業(yè)廣場下伏侏羅系采掘工程平面圖，本區(qū)域內(nèi)各煤層少部分為長壁式采煤法，其他大部分為房柱式和巷柱式采煤法，煤層厚度為1.3m～1.8 m，且各采空區(qū)都已進(jìn)行封閉，采空區(qū)洞內(nèi)無安全保障，不具備人工作業(yè)條件，只能以地面注漿充填法進(jìn)行治理。在山西大同地區(qū)，注漿充填多采用水泥粉煤灰漿液，必要時(shí)配合骨料。

2 治理范圍的確定

2.1 治理范圍確定的原則

采空區(qū)治理的范圍確定方法可以按照工業(yè)廣場保護(hù)煤柱的留設(shè)方法計(jì)算。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，設(shè)計(jì)工業(yè)場地保護(hù)煤柱時(shí)，地面受保護(hù)面積應(yīng)包括受保護(hù)對象加圍護(hù)帶。將場區(qū)內(nèi)的35 kV變電所、回風(fēng)立井通風(fēng)機(jī)房及配電室、南羊路副立井井口房、副立井絞車房及配電室定為Ⅰ級保護(hù)等級建筑物，其余新建建構(gòu)筑物定為Ⅱ級保護(hù)等級建筑物。因此，35 kV變電所、回風(fēng)立井通風(fēng)機(jī)房及配電室、南羊路副立井井口房、副立井絞車房及配電室圍護(hù)帶寬度取20 m，其余新建建構(gòu)筑物圍護(hù)帶寬度取15 m。根據(jù)相關(guān)煤礦井筒建設(shè)穿越采空區(qū)的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，場區(qū)內(nèi)兩個(gè)井筒保護(hù)治理范圍取以井筒為中心、半徑為40m的區(qū)域。圖1為四老溝礦南羊路工業(yè)場地地面建筑物布置。

圖1 四老溝礦南羊路工業(yè)場地地面建筑物布置

2.2 治理范圍面積的計(jì)算

工業(yè)場地保護(hù)煤柱的范圍就是擬建場地采空區(qū)治理的范圍。保護(hù)煤柱用移動角法設(shè)計(jì)。由于該區(qū)域內(nèi)均為近水平煤層，故煤層傾角近似取0°，

則：

式中：S——建筑物保護(hù)煤柱寬度；

D——圍護(hù)帶寬度；

l——根據(jù)移動角算出的保護(hù)煤柱寬度；

h——松散層厚度；

H——基巖段厚度；

φ——松散層移動角，取45°；

ψ——巖石移動角，取75°。根據(jù)上述公式可算得各類建筑物所對應(yīng)各煤層所需治理面積。

圖2 用移動角法設(shè)計(jì)建筑物保護(hù)煤柱示意

2.3 治理范圍內(nèi)采空區(qū)剩余空洞體積計(jì)算

根據(jù)四老溝礦采空區(qū)治理范圍分區(qū)以及對應(yīng)煤層開采情況，采空區(qū)總剩余空洞體積V分各煤層計(jì)算。

式中：V——采空區(qū)剩余空洞體積，m3；

S——采空區(qū)治理面積，m2；

H——開采厚度，暫取煤層厚度，m；

K——煤層回采率，小煤礦開采的2號、3號、4號取0.30，11號煤層采空區(qū)取0.65；

ΔV——剩余變形系數(shù)。

由于目前工業(yè)廣場地表大面積沉降不明顯，2號、3號、4號煤層采空區(qū)取0.65，11號層采空區(qū)暫取0.55。

根據(jù)以上公式算得2號、3號、4號、11號各煤層剩余空洞體積共計(jì)157 470.8 m3。

3 注漿量計(jì)算

3.1 鉆孔布設(shè)及造孔量

根據(jù)地質(zhì)勘察資料和采空區(qū)具體特征（主要是采空區(qū)連通性、裂隙發(fā)育規(guī)律、程度等），鉆孔的布局一般情況下成“網(wǎng)狀”或“梅花形”，孔間距一般控制在15 m～20 m為宜。施工順序一般遵循“先邊沿，后中心，先深后淺”的原則。Ⅰ類保護(hù)等級建筑物治理區(qū)鉆孔排間距、孔間距取15 m，Ⅱ類保護(hù)等級建筑物治理區(qū)鉆孔排間距、孔間距取20 m，鉆孔深度為地表到該煤層底板的垂直距離。

3.2注漿量計(jì)算

由于本廣場下伏侏羅系采空區(qū)無相關(guān)資料，并且未作相關(guān)勘察工作，因此采空區(qū)的注漿量只能是預(yù)測估算。加之注漿過程中，漿液向采空區(qū)上覆地層、裂隙的滲透損失，在采空區(qū)剩余空洞的體積基礎(chǔ)上，考慮5%～10%漿液損失，本次漿液損耗系數(shù)A取1.05。根據(jù)四老溝礦采空區(qū)治理范圍及煤層分布，注漿量Q的計(jì)算參照采空區(qū)剩余空洞體積分煤層進(jìn)行計(jì)算，注漿量采用下述公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：Q——采空區(qū)注漿量，m3；

A——漿液損耗系數(shù)，取1.05；

V——采空區(qū)剩余空洞體積，m3；

η——注漿充填率，取0.8；

c——漿液結(jié)石率，取0.85。

算得2號、3號、4號、11號煤層采空區(qū)注漿量共計(jì)155 618.2m3。

3.3 注漿漿液及配比

注漿材料一般要求漿液黏度小，可注性好，擴(kuò)散半徑大；漿液的凝結(jié)時(shí)間可以調(diào)整和控制；漿液材料來源廣，價(jià)格低廉；更為重要的是漿液的穩(wěn)定性好，沉淀吸水率高，結(jié)實(shí)率高，結(jié)石體應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，才能形成有效的支撐體系，確保巖層穩(wěn)定。目前，采空區(qū)注漿工程大多采用了水泥粉煤灰漿液，漿液配比如下：

水固比為1:1.0～1:1.5，其中水泥占固相的15%～30%，粉煤灰占固相的70%～85%，根據(jù)實(shí)際情況可適當(dāng)調(diào)整水固比及水泥和粉煤灰的固相比。很難達(dá)到終壓、終量時(shí)，也可以加入水玻璃之類的速凝劑，一般加入量為摻加水泥用量的3%～5%。同時(shí)，為了防止帷幕孔注漿過程中漿液的浪費(fèi)，可在注漿前向孔內(nèi)投放部分細(xì)料和粗骨料[1]。

3.4 注漿壓力

注漿壓力的大小將決定漿液的擴(kuò)散距離和充填、壓密的效果。壓力大，漿液擴(kuò)散距離大，裂隙中漿液充填的效果也高。考慮到采空區(qū)埋深較深，因此本次設(shè)計(jì)注漿壓力為1.5MPa～2.5 MPa，最終壓力可根據(jù)現(xiàn)場情況和具體要求進(jìn)行調(diào)整。

4 施工技術(shù)要求

4.1 鉆孔技術(shù)要求

鉆孔開口直徑不小于130 mm，中孔孔徑不小于91 mm。穿透第四系進(jìn)入基巖穩(wěn)定地段5 m（暫定25 m）后下入Φ127 mm孔口管，并用單液水泥漿固管，變徑為91 mm，繼續(xù)鉆至設(shè)計(jì)孔深。在鉆進(jìn)過程中，每50 m測斜一次，終孔時(shí)孔斜不應(yīng)超過1°/100m。整個(gè)鉆進(jìn)過程中要做好原始記錄，發(fā)現(xiàn)漏水、掉鉆、埋鉆、巖芯破碎等現(xiàn)象時(shí)詳細(xì)記錄，為采空區(qū)三帶發(fā)育的判斷提供依據(jù)。

4.2 注漿材料

水泥粉煤灰漿液主要材料為水泥和粉煤灰，骨料可選擇細(xì)料和粗骨料。細(xì)料包括天然砂或人工砂，粗骨料包括石屑和礦渣。主要材料要求如下。

水泥：P.O42.5級普通硅酸鹽水泥

粉煤灰：符合國家《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2005中二級、三級標(biāo)準(zhǔn)。

水玻璃：模數(shù)2.4～3.4之間，濃度38波美度～40波美度。

細(xì)料：河砂、山砂或機(jī)制砂，要求級配良好、質(zhì)地堅(jiān)硬、顆粒潔凈，粒徑小于2.5 mm，含泥量小于5%，有機(jī)物含量不大于3%。

粗骨料：石屑和礦渣，可因地制宜取材，最大粒徑小于1.0 cm，含泥量小于5%，有機(jī)物含量不大于3%。

4.3 注漿施工

注漿漿液濃度先稀后濃。注漿開始后，要定時(shí)觀測泵的吸漿量和泵壓，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整注漿量和漿液濃度。注漿量較大時(shí)，應(yīng)采取間歇式注漿法施工，或者多次復(fù)注。

注漿孔是否進(jìn)行投砂取決于鉆孔情況，遇掉鉆時(shí)，應(yīng)采用孔內(nèi)投放細(xì)料和粗骨料。投砂應(yīng)采用開放式工藝。在注漿初始階段，投砂器投入的骨料經(jīng)漿液流動帶入孔內(nèi)，為防止堵孔，應(yīng)避免在短時(shí)間內(nèi)投入大量的砂。

5 結(jié)束語

（1）大同礦區(qū)是我國大型能源生產(chǎn)基地，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。但由于地下煤炭開采產(chǎn)生大范圍地表沉陷，不僅造成地面建筑物破壞，也破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，尤其是現(xiàn)階段仍處于生產(chǎn)的各礦井，更應(yīng)及時(shí)處理，因此對礦區(qū)采空區(qū)沉陷的治理研究意義重大[2]。

（2）采空區(qū)注漿工程屬于地下隱蔽工程，施工過程中注漿量的大小不易控制，注漿質(zhì)量檢測主要采用鉆探、物探和地面沉降觀測等方法，并提出了相應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但都不夠理想，仍然缺少一個(gè)科學(xué)而經(jīng)濟(jì)的注漿工程質(zhì)量評價(jià)體系，以確保工程質(zhì)量。

[1]李尚軍.淺談全充填注漿法在治理煤層采空區(qū)中的施工工藝[J]，科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007，17(34)：264-266.

[2]張德福.地面預(yù)注漿在煤礦采空區(qū)治理工程中的應(yīng)用[J]，西部探礦工程，2006（8）：82-84.

Study on Goaf Filling ManagementMethod of Industrial Square

Deng Tianlin

Combining with the status quo of the ground buildings of industrial square and underlying goaf in Nanyanglu vice vertical shaft of Silaogou Mine in Datong Coal Mine Group,according to the protection level of the mining area ground building and structure building,managementmethod for underlying goaf of Nanyanglu industrial square is put forward,the construction technology of goafmanagementby using ground groutingmethod is introduced.

industrial square；goafmanagement；filling;ground groutingmethod

TD325+.3

B

1000-4866(2015)01-0017-04

2014－11－22

鄧天琳，男，1987年3月出生，2009年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司工作，助理工程師。