废弃矿山采空区治理的施工应用

郭广厚

（山东省物化探勘查院，山东济南250012）

XX机场废弃矿山地质环境恢复治理工程，是山东省国土资源厅2010年下达的《2009年中央补助矿山地质环境治理及地质遗迹保护项目任务书》中治理任务之一，也是烟台市重点工程。本工程考虑到机场跑道的特殊性，为保证机场跑道未来运行的绝对安全，需采取特殊施工工艺对跑道范围内的下伏采空区进行加固处理，跑道边线外延20m，即总宽度85m的范围内、下伏40m以上的采空区处治。需处治的采空区分为3种类型，即：未塌落至地表的采空区、仅由竖井和平巷组成的局部采空区、已塌至地表并形成塌陷坑的采空区。对尾矿库区域的尾矿砂作为注浆原料加以利用。其中塌陷坑16处，废弃矿井和平巷142处，需要布设勘察断面371个。

1 未塌落至地表的采空区

（1）采空区局部密集。由于矿脉多且有分支，造成了潜在采空区在局部地段密集存在，以249号勘察线为例，在不足200m的范围内，就聚集着5条矿脉，也就意味着可能存在着5个潜在的采空区。具体的施工方案见图1。

图1 未塌落至地表采空区处治方案图

（2）采空区在空间分布上呈无序状态。由于开采 周期长、各矿脉品位差异，特别是经过无序的民采，除2号脉、15号支脉和10号脉得到有序开采外，其它各矿脉存留空区分布极不均匀、时断时续，又没有可查的技术资料，无法在地表完成精确勘察。

（3）采空区在空间上有良好的贯通性。据调查，整个机场建设范围内下伏开挖巷道达2×104m之多，不排除其间上下左右相互贯通，如果采用常规注浆填充采空区，浆液在无约束条件下无序流动，难以保证浆液在限定范围内有效扩散。

2 采空塌陷及伴生地裂缝的治理

（1）对现有塌陷坑坑底及周帮夯实，土体压实度应大于90%。

（2）在挖方区，在坑内回填水泥稳定砂砾至设计标高；在填方区，在坑内回填三合土并压实至设计标高。水泥稳定砂砾中水泥用量不小于8%，三合土的配比为土∶石灰∶水泥＝0.7∶0.25∶0.05。

（3）在塌陷坑范围内按3m×3m的网度施作向下钻孔，孔深以穿过塌陷空区并进入基岩深度1m为准，并预埋注浆管，注浆管直径为50mm，长度同孔深。

（4）注浆采用二次注浆的方法。首先，利用钻孔进行一次注浆；在浆液初凝前即一次注浆20～30h内利用预埋注浆管进行二次注浆，以对塌陷坑顶部塌落体进行加固。

（5）二次注浆压力采用1～1.5MPa。（6）注浆结石体的强度不小于3MPa。（7）填方区在填方前进行处治，挖方区在开挖至跑道底面高程后进行处治。具体的施工方案见图2。

3 废弃矿井和平巷治理

（1）在治理范围内，存在较多废弃矿井和平巷形成的局部采空区。此类采空区的治理原则是：

①当平巷顶面高程在0m以下时，平巷不做治理，仅需治理竖井；

②当平巷顶面高程在0m以上时，则采用回填废石及注浆方式充填平巷和竖井。对于只有竖井无平巷的空区，治理方法相同。

（2）对于未知平巷位置的局部采空区处治方法如图3所示，施工要点为：

①在竖井范围内预设1根直径为50mm注浆钢管，注浆管长度等于竖井深度但最长不超过40m；

②对于挖方区用废石将竖井充填至跑道底面高程，填方区充填至地表；

③在废石充填完成后，利用井口和注浆钢管进行注浆处治；

④注浆结石体强度不小于3MPa；

⑤如果废弃矿井周边明确存在局部采空区，且空区位于重要结构物下部，则在空区范围内按5m×5m布设注浆孔进行注浆。

（3）对于已知平巷位置的局部采空区处治方法如图4所示，施工要点为：

①在竖井范围内预设1根直径为50mm一次注浆钢管，注浆管长度至平巷底面标高；

②对于挖方区用废石将竖井充填至跑道高程，填方区充填至地表；

③以平巷长度大于或小于10m作为该类空区的处治判据，分别采取以下2种方案进行处治：

a.当平巷长度小于10m时，在废石充填完成后，利用井口和预埋一次注浆钢管进行注浆处治；

b.当平巷长度大于10m，且在处治范围以内，在平巷上方施工直径150mm的注浆钻孔，预设1根直径为50mm二次注浆管，注浆管长度同一次注浆管，二次注浆管按1m间距布置4个对称的出浆孔，管下端口及出浆孔均以塑料胶带缠绕，在原废弃竖井一次注浆完成后，利用注浆钻孔（孔径150mm）及预设注浆管进行二次注浆；

④如果空区位于跑道道面或重要结构物下方，以上空区处治判据调整为平巷长度大于或小于5m；

⑤如果废弃矿井周边明确存在局部采空区，且空区位于重要结构物下部，则在空区范围内按5m×5m布设注浆孔进行注浆；

⑥注浆结石体强度不小于3MPa。

图3 平巷位置未知的条件下废弃矿井和平巷处治方案图

图4 平巷位置已知下废弃矿井和平巷治理施工图

4 双液浆注浆施工

双液注浆的范围为从机场跑道边线外延20m，即总宽度85m的范围内、下伏40m以上的空区处治。采用了水泥—水玻璃浆液，亦称CS浆液（C代表水泥，S代表水玻璃），简称双液浆，此种浆液是以水泥和水玻璃为主剂，两者按一定的比例采用双液方式注入。

（1）注浆压力：单孔注浆压力如果达到3.0MPa，无论注浆量为多少，均视为终孔。

（2）注浆量控制：地面冒浆。

（3）所注浆液为水泥—水玻璃双液浆，浆液注入后将在360s内初凝，最大扩散范围在30m之内。

（4）根据采空区的赋存情况，对采空区进行区段划分，分别预估了各个区段可能的最大注浆设定量，应按此设定量进行注浆控制：设定量为能够注入的浆量最大值。

（5）如果注入量超过此值，而又没有起压（达到3.0MPa的标准），说明注浆施工未能达到设计要求，浆液已经扩散到设计范围之外，应继续注浆，直至达到起压标准（原则上，超出设计部分的注入量不能计量）。注浆压力达到3.0MPa，注浆量即为此孔的最终注入量。

（6）由于双液浆造价高于水泥尾矿砂浆，在可能的情况下，应尽量用废石填满空区，最大限度地减少注浆量。各探到空区的探孔，应根据矿脉的走向和倾角，先从空区的顶部进行充填治理，后充填空区的底部，填充顺序见图5。

图5 填充顺序图

（7）注浆施工治理完成以后，由设计单位对机场跑道范围内治理效果进行地质雷达探测验证，测线下方雷达波反射图像亦呈现均匀、无明显电磁特性突变介质、界面及异常反射体的特征，表明所治理空区已经充填密实，达到了预期效果。认为本次空区加固治理总体达到了设计质量合格要求。

通过本工程的实施，有效地解决了建设场区范围内未充填废弃竖井、采矿巷道和采空区造成地面塌陷、地裂缝的危害，消除了存在严重的安全隐患。实施矿山地质环境的治理恢复，从而有效地保护了机场生产设施，为当地经济发展提供了良好的地质环境。具有典型的示范性和代表意义，不但为周边地区地质环境治理积累了宝贵的经验，也为国内外有类似地质条件下的机场的环境治理提供了借鉴。