浅谈填充式注浆法在煤矿采空区治理中的应用

摘要：为保证煤矿采空区上部的住宅建设用地的安全性与稳定性，相关部门应对该区域煤矿的开采历史进行分析，结合采空区塌陷的产生原因及该类型区域的危害情况，提出恰当的治理方案。本文以山东省济南市某煤矿采空区治理为例，采用填充式注浆法对采空区及裂隙进行治理，检测结果表明，在该方法治理下，采空区的塌陷失稳情况得到有效治理，因此該方法具有良好的治理作用。

关键词：填充式注浆法；煤矿；采空区；治理

山东省济南市章丘区诺贝尔城西侧某场地工程建设规划为住宅楼，工程建设区范围内存在开采煤矿形成的采空区，拟建场地用地面积约73245m2（合计109.9亩），建设17栋18层高层建筑与2栋3?4层的商业楼及会所。

采空区周围岩体应力经重新分布后处于相对平衡状态，而在受上部建筑荷载或其他外力作用下，极有可能造成采空区“活化”，发生塌陷等地质灾害。经踏勘及勘察，发现部分住宅楼位置场地建设适宜性差，因此采取注浆措施来解决这一问题。为了确保采空区上部高层建设用地安全，相关部门将采取有效措施，包括对影响拟建建筑物的煤矿采空区及冒落带、破碎带进行注浆治理，以消除地质灾害隐患，并使治理后的场地成为适宜进行工程建设的场地，从而提高土地资源的利用率。

一、采空区的危害性分析

（一）采空区的基本特征

煤矿资源开采历史悠久，太原组和山西组是主要含煤地层。这些矿井为当地经济发展作出贡献。自建矿至今，当地已经开采了煤3、煤4、煤9三个煤层，具体情况如下：

煤3层处于山西组中下部，其可开采煤层的稳定性极低，顶板为粉砂岩，底板为黏土岩，极不稳定，于 2003 年年底前已全部采完。

煤4层赋存于山西组下部，埋深 35～70m，顶板为粉砂岩，底板为黏土岩，整体稳定性不佳。据资料显示，原煤4层釆空区位于拟建场区中北部，该煤层回釆率约 50%。

煤9赋存太原组下部，其结构单一，但是内部煤矿的分布较薄，可采厚度仅有0.81m，顶板由泥岩、粉砂岩组成，底板由以泥岩、粉砂岩、中砂岩组成。埋深 75?210m。据资料显示，煤9层采空区位于拟建场区西北部，矿层回釆率约 85%。

场区内煤3层采空区面积为5319m2，影响带范围为14595m2，合计19914m2，全部位于煤4层采空区及影响带范围内，治理煤4层时一并治理；煤4层采空区面积为26778m2，影响带范围为35156m2，合计61934m2；煤9层采空区面积为4084m2，影响带范围为 10928m2，合计 15012m2。

（二）采空区的现状评估

规划建设场区内存在顶板岩石塌落不密实的充水采空区，存在后续活化的可能性，导致发生地面不均匀沉降，对规划建设建筑物影响较大，综合分析采空区的实际情况，当前在采空区域内整体结构稳定性较差，有局部场区范围内规划建筑物适应性差。若要对其进行建筑物规划，应提前对采空区进行治理，提高采空区上部建筑物结构的稳定性，或避开不稳定区域进行规划，避免后续建设过程中出现危险。

（三）根据采空区特征判定影响程度

在采空区域范围内，地表部分较为稳定，但地下区域存在塌陷和充水情况。在长时间作用下，充水采空区域周围的煤柱等结构受到侵蚀和破坏，导致场区内采空区存在塌落不充分的可能，因此该区域危险性较强。根据相关资料进行判断，本项目中采空区存在情况对地上的建筑规划影响较大。

二、填充式注浆法

根据类似工程经验，当前针对建筑规划范围内采空区治理的方案包括两种：一种是对地面规划的建筑物采取一般工程防护措施，采取形式包括地基换填、采取工程桩，增加建筑物的抗变形能力，使其能够在地基不稳定的情况下，抵消地下结构变形带来的影响，保持地面的稳定性；另一种是对采空区域进行填充式注浆治理。

（一）采空区治理深度及范围

按照相关规范，采空区内注浆治理深度需要布设至采空区底板以下2m，在采空区影响带内，按照基岩70°、第四系45°的移动角推算影响范围，结合实际情况的推算采空区范围调整注浆孔深度，使其能够保持在移动影响带的下方，同时控制治理深度范围为5～10m，相关部门在本次施工中选择控制治理深度10m，根据孔口高程和设计孔底高程决定注浆孔的实际钻空深度。

治理范围是对建筑基础有影响的采空区及其塌落边坡影响范围内的不稳定区域，治理区域内分布有煤3层、煤4层和煤9层采空区。

（二）注浆孔布置

根据 《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》（GB 51180—2016）的规定，注浆孔应采用正三角形布置，其间距应参照表1中的规定进行确定。

根据《勘察报告》，煤9层采空区为坚硬顶板，回采率≥60%，孔间距取值15m。煤4层和煤3层采空区无坚硬顶板，回采率≥60%，取值12m，煤4层采空区影响范围内适当放稀，孔间距取15m。

由于煤9层采空区及其影响范围全部位于煤4层采空区内，煤9层治理区的钻孔同时作为煤4层治理区的钻孔进行分段注浆，因此按照12m 间距进行布设，以满足对煤4层采空区的治理要求。由于西北部存在采空区，西南部存在巷道，均与外围采空区及巷道贯通，需布设帷幕孔以阻断场内采空区及巷道与外围的联系，采用正三角形双排布设，采空区区域孔间距10m，巷道区域孔间距 5m。

场区内共布置注浆孔437个，总进尺52019m，取芯孔26个，取芯孔总进尺3665m，注浆孔411个，注浆孔总深48354m。施工时，应根据实际情况随时调整，确保能够使浆液填充整个采空区范围内，同时满足注浆孔钻至采空区底板下设计深度。

（三）注浆量确定

根据国内采空区治理工程经验，在制浆后，应现场取样对结石率进行计算，相关规定给出取值区间为75%～95%，本次取值确保达到80%，同时控制注浆的填充率，相关规定给出取值区间为85%～95%，本次要求整个采空区的填充系数达到90%。在计算注浆量时，应注意浆液的渗透损耗等情况，确保计算的精准性。采空区注浆量估算见表2。在治理区范围内，煤层采空区的分布和开采的没有明显的规律，真实的灌注量与设计值存在一些差异，因此，施工计量应以实际注浆量为准。

采空区的复杂性，仅凭有限的钻孔点很难准确查明拟建场地下采空区的情况。因此，在施工过程中，施工单位应根据“动态设计，信息化施工”的原则，对注浆孔的孔深、钻孔的位置和数量以及注浆量大小等进行必要的调整和优化，以确保建筑工程质量。

（四）注浆浆液制拌

1.注浆材料

经过现场勘察，发现采空区处于地下水位以下并属于充水状态。浆液在采空区中流淌范围和方向难以确定，因此需要在浆液中添加固化剂使其速凝，以防止浆液流失过大。根据采空区注浆治理的经验，本次注浆设计采用特定的材料和配比，在正式注浆前，应根据注浆实验结果，精确设定水灰比和添加剂的用量。

注浆材料主要为水泥和粉煤灰以及添加剂，水泥以P·S·A32.5为主，粉煤灰则符合二级标准，添加剂以减水剂、速凝剂为主。

2.注浆配合比

釆空区填充浆液为水泥、粉煤灰混合料浆，水泥与粉煤灰的比例为4 ：6，应根据注浆结石体的强度、浆液流动性等因素，从稀到浓的调整水固比，一般调整的顺序由1.2：1到1：1再到0.8：1，而在釆空区充水时，应使用更高的水固比。煤矿采空区空洞较大的区域，加入φ0.5～10的骨料作为填充使用。若含有固化剂等多种材料的浆液时，应当结合固化强度、是否产生化学反应等方面进行针对性配比。

对于特殊性注浆孔和明显具有掉钻现象的注浆孔，如钻探出现巷道及未坍塌的采空区等，为控制浆液扩散过远，节省材料消耗，在孔口安装漏斗状注浆设备，将石子用浆液带入孔内，同时调整水固比应按照由稀到浓的原则。

（五）注浆工艺

1.注浆方式

对于勘察出单层采空区治理的区域采用单层式注浆工艺；对于勘察出双层采空区治理的区域采用上行式注浆工艺。

单层式注浆：第一步，钻孔至所需治理深度，然后停止钻进，拔出钻杆；第二步，安装注浆管路并封孔；第三步，对注浆孔进行压水清洗，以检验注浆管里是否通畅，是否有漏水情况；第四步，开始注浆；第五步，达到终孔条件后停止注浆，取出注浆管路。

上行式注浆：第一步，将钻孔钻入至煤9层底板以下2m或影响带以下10m；第二步，安装注浆管并封孔（封孔位置在煤4层底板以下完整基岩）；第三步，对注浆孔进行压水冲清，以检查注浆管是否通畅，是否有漏水情况，并冲刷封堵的岩层裂隙；第四步，开始注浆；第五步，达到终孔条件后停止注浆，取出注浆管路；第六步，上移注浆管出浆口，使出浆口位于上层采空区，安装注浆管路并封孔（封孔位置在煤3层顶板以上完整基岩）；然后重复第三至第五步，注浆过程中确保注浆管路的安全性和稳定性，并采取有效措施。

采空区治理严格执行注浆顺序，注浆施工时，应按次数间隔成孔，分4个序次成孔，孔序的注浆顺序显得尤为重要。在通常情况下，为了避免出现浆液外流问题，先开展帷幕注浆，再按照“先深后浅”的原则进行中间孔注浆。

2.注浆压力

注浆压力可以确保注浆施工顺利完成，然而，注浆压力越大，也会引发许多新的问题。例如，会引发地面隆起，破坏地下管线。因此，合理控制注浆压力显得尤为重要。

本次治理过程中，各个煤层特点不同需要调整注浆时压力。其中煤3层和煤4层相距较近，压力相似，该治理层位的注浆压力为1.0～1.5MPa。煤9层较深，应增大注浆压力，可以将注浆压力调至1.5～2.0MPa。具体压力情况需要结合实际情况作出调整。应注意的是在注浆压力提高后，施工危险性加强，应加大施工安全保障力度。

终量终压的规定，对于煤3层和煤4层采空区进行注浆时，当注浆孔孔口管压力为达到注浆压力的1.2倍，泵量低于50L/min，并且保持稳定状态至少15min，可以结束该孔注浆；对煤9层采空区，当注浆孔孔口管压力为2.4MPa，泵量低于50L/min，稳定并保持至少15min，可以结束该孔注浆。

（六）变形监测

在采空区注浆治理前，相关部门初步设置56个监测点，以监控地表水平位移、垂直位移、裂缝和道路变化。根据现场及周边重要建（构）筑物的情况，制定合理的地表变形监测方案，并在关键节点位置设置监测点，进行初始观测；在采空区治理过程中，及时监测地表变形量，一旦发现变形过大，应立即采取处理措施。

在施工期间，监测频率为1次/5～10天，地面变形活跃期内，观测周期取小值，地面变形衰退期及以后取大值。道路变形监测报警值为25mm。监测周期为开始施工至注浆施工完成并验收合格。

（七）注浆检测

按照规定，采空区质量检验宜在施工结束三个月后进行，业主单位委托有资质的检测单位进行注浆效果检测，先采用综合地球物理勘探进行查验，根据物探检验情况布置检验钻孔验证注浆效果，再根据物探和钻孔验证结果确定是否需要补充注浆以及采空区下一步治理施工内容。若有必要可进行补注浆，检测合格后方可建设。

根据《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》（GB 51180—2016）的规定，注浆治理效果进行检测，检测项目包括结石体的抗压强度、充填系数、横波波速、倾斜值、水平变形值、曲率值。

现场检测采用多方法综合检测技术，主要采用钻探取芯、注浆结实体强度检测、物探测试等方法进行注浆治理工程的质量检测。

三、结语

在对本项目煤矿采空区现状及危害的全面分析后，相关部门采取填充式注浆法治理采空区的措施，详细介绍该施工工艺和施工组织，经过中期检测报告，一期地块注浆治理后的采空区达到预期工程目标，为今后类似煤矿采空区治理提供了宝贵的经验。

参考文献：

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作者简介：李金磊 （1988），河北省三河市人，本科，助理工程师，研究方向为水工环地质。