全充填注浆法在煤矿采空区治理中的应用

上官志伟

(山西地质勘查局二一二地质队，山西长治 046000)

1 治理区工程概况

山西省南耀工业园区年产120万t焦化厂位于长治市郊区南村村南，南村在行政上隶属长治市郊区西白兔乡管辖。在位置上则位于长治市郊区、屯留、襄垣、潞城的交界部位。山西南耀集团小常矿业有限公司下伏采空区治理工程位于南村南侧约500 m。在治理区范围内，由于下部存在大面积的采空区，目前场地内已形成多处地面塌陷与地裂缝。针对山西南耀集团小常矿业有限公司下伏采空区的治理，该工程共设计钻孔292个，其中帷幕孔24个，注浆孔268个。工程设计总进尺为52 560 m，计划总注浆量约为200 000 m3。

2 采空区地质特征

根据钻探揭露地层情况可知，该工程采空区从地表至3号煤层的地层岩性主要以砂岩、泥岩为主，夹有泥质砂岩及粉砂质泥岩，按坚硬程度分砂岩、泥质砂岩、较硬岩、较难风化、泥岩及粉砂质泥岩属较软岩，易于风化。另据石圪节煤矿采取取样试验结果，3号煤层顶板之粉砂岩——砂质泥岩单轴抗压强度为501 kPa～675 kPa，单轴抗拉强度为17 kPa，抗剪强度为34 kPa～36 kPa;底板砂岩单轴抗压强度为560 kPa，单轴抗拉强度为20 kPa，抗剪强度为42 kPa。根据设计方案对采空区岩层的划分方案和本次治理钻探资料分析，治理区覆盖层按空间结构可划分为冒落带、裂隙带及变形弯曲带，治理区内主要发育前两带，各带发育特征如下。

2.1 冒落带

冒落带指采空区底板与顶板坍塌岩层之间的空间范围。冒落高度取决于煤层顶板的完整程度及开采程度等，本采空区直接顶板为泥岩或砂质泥岩，属软质岩石，极易破碎风化。因此，在煤层开采以后，泥岩或砂质泥岩很快就会塌落。据钻探情况来看，冒落高度最大为36 m，一般为5 m～14 m。

采空区冒落物除顶板岩石外，还有碎石、煤块等堆积物，冒落物多呈碎块状、粉末状，有时为较大的块状。表现在钻探上，就是钻至冒落带后耗水量大量增加，钻进较快，加杆困难，个别有掉钻、卡钻现象，岩芯采取率极低。

2.2 裂隙带

裂隙带在治理区内较为发育，位于冒落带与变形弯曲带之间，受其影响，冒落带以上裂隙十分发育，大都向上延伸至地表。

除直接观察到的裂隙外，钻探中大量漏水及注浆过程中地面冒浆及串浆现象也是有力佐证，在施工钻孔中除少数存在返水外，大部分发生漏水现象。同时，注浆过程中在受注孔附近地面的裂隙中出现冒浆现象，这些表明冒落带至地表有很好的贯通性。

2.3 变形弯曲带

在本区内较为发育，治理区内可明显看到留有保安煤柱的部分地面较高，大部分地面已经下沉，发生了变形弯曲。

3 采空区煤矿开采现状

塌陷到表面的煤矿采空区无疑对建筑物的地基是有害的，对于那些采空较深、跨落并没有到地表的，应当对其进行分析，确定其能够承受住附加重量避免塌陷。所谓煤矿采空区是指，地下煤矿层被挖完之后，其周围的岩石骤然滑落而引发的岩层错位或断裂，从而在地下岩层中形成孔洞或裂缝。通过对南耀工业园区的勘察，治理区内为潞安矿务局石圪节煤矿采区，场地下部分布有3号煤、9号煤与15号煤，其中石圪节煤矿已采煤层为3号煤，3号煤在本区的埋深为160 m～200 m，煤层厚度为6.00 m，厚度稳定，煤层倾角约4°，呈东高西低之势。煤层直接顶板为泥岩或砂质泥岩，易于冒落，底板为泥岩。由于煤层厚度大，回采率高，造成采空高度大，冒落带范围广，裂隙十分发育，局部地段延伸至地表，形成了地表裂隙纵横交错的特征，而且出现地面下沉的现象。鉴于此，对于煤矿采空区的范围确定一定要考虑各种可能性，保证处理范围的合理性与准确性。

4 采空区全充填注浆治理方法

根据《山西南耀集团小常矿业有限公司下伏采空区治理施工图设计说明》规定，南耀工业园区采空区治理工程共设计钻孔292个，其中帷幕孔24个，注浆孔268个。本次设计总进尺为52 560 m，预计总注浆量约为200 000 m3(见表1)。

表1 南耀工业园区采空区设计注浆量

南耀工业园区采空区注浆法处理地基工程需要直径127 mm的无缝钢套管和制作浆体所需的材料，考虑到成本控制，浆液材料应当就地、就近取材，包括工业废渣、硅酸盐水泥、石粉、水玻璃掺合剂以及自来水。工程主要包括:施工顺序、注浆过程控制、注浆结束标准、注浆量。

1)施工顺序。本次注浆严格按设计要求注浆，先施工四周帷幕孔，然后施工中间注浆孔，注浆时采用停歇式注浆法。注浆时应根据钻孔情况采用先稀后稠的方法，这次注浆主要采用1∶0.70，1∶0.80，1∶0.86 三种配比水泥粉煤浆进行采空区注浆。

2)注浆过程控制。注浆时先根据钻孔资料分析此孔的地质情况，了解此孔是煤柱孔还是冒落孔，煤柱孔是否漏水，冒落孔是否掉钻等，然后决定采用何种浆液比例开始注浆，在注浆过程中及时观察吸浆量和泵压，再结合钻探资料决定是否增大注浆比例，是否间歇、是否掺加水玻璃、砂子等注浆方法。此次帷幕孔注量不大，使得帷幕孔在短时间内便发挥作用。中间孔的注浆方法主要采用间歇和增大比例的方法注浆。特别是掉钻孔的注浆量较大，注浆必须及时采取措施。比如B-5，ZK5-10孔依据钻孔资料分析其注浆量较大，注浆开始进浆速度很快，而且孔口有吸浆现象，我们及时采用小方量多间歇即“多餐少食”的注浆方法，分别经过2次、19次间歇注浆达到终孔。在采空区地基进行注浆处理时，为了确保工程的质量，避免浆液流到非注浆区域，在注浆工程实施中应当要先对边界进行注浆处理，而后才是采空区的中间部分;边界区域要用稠浆，中间注浆孔用稀浆。

3)终孔结束标准。单孔注浆结束标准是确定钻孔是否注满的重要依据。设计要求，在注浆末期，泵压逐渐升高，泵量小于70 L/min 时，孔口压力在1.0 MPa～1.5 MPa间，稳定10 min～15 min或注浆孔周围有冒浆现象时可结束该孔的注浆施工。此次采空区注浆全部正常达到终孔标准，而且终孔孔口压力大多在1.0 MPa～1.2 MPa之间，达到了设计的 1.0 MPa～1.5 MPa的要求，终孔泵量为52 L/min，稳压时间也多在10 min～20 min。综上所述，所有的注浆孔终孔均满足设计要求，反映采空区充填饱满，注浆质量可靠，达到了治理的目的。

4)注浆量。本次灌注的311个钻孔，总注浆量为265 585 m3，完成设计量的132.79%，超出设计注浆量的原因为增加了工作量，因此使实际注浆量与设计有所差异。311个注浆孔中，平均单孔注浆量为854 m3，由于本次施工83.0%的钻孔为冒落孔和掉钻孔，而且地面塌陷较严重，因此出现各钻孔的注浆量有较大的差异。从整个采空区看，各注浆孔注浆量分布如下:0 m3～50 m3，116 个孔;50 m3～100 m3，54个孔;100 m3～500 m3，59个孔;500 m3～1 000 m3，22 个孔;1 000 m3～2 000 m3，26 个孔;2 000 m3～5 000 m3，22个孔;≥5 000 m3，12个孔。总之，本次注浆从各方面执行设计要求，以质量为根本，严格施工，注浆质量合格，达到了采空区治理的目的。

5 结语

利用注浆法对煤矿采空区内的建筑地基进行加固处理，能够有效地避免地面因采空区的原因发生塌陷的情况。南耀工业园区下伏采空区治理工程，严格按照施工组织设计工艺进行施工，施工放样、钻探、成孔严格施工，孔位、孔深、孔径等方面完全达到了设计要求。钻探施工的311个注浆孔质量全部合格，满足设计要求和注浆需要。浇筑孔口管严格按施工工艺施工，经注浆检验，没有发生孔口漏浆现象，止浆效果符合要求。总注浆量为265 585 m3，远大于原设计200 000 m3，达到了采空区治理的目的。

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