全胶结注浆法在煤矿采空区治理工程中的应用

潘立文，伍 松

（湖北省水文地质工程地质勘察院，湖北武汉 434000）

0 引言

煤矿采空区影响范围内出现的地裂缝、地面沉陷是一种常见的地质灾害现象，它严重影响地表建筑物地基基础的稳定性，采空区的地基基础变形问题倍受人们关注，下面就富晋精密工业有限公司二期生产项目A区采空区运用全胶结注浆法进行工程治理的具体设计及施工介绍如下。

1 工程概况［1］

富晋精密工业有限公司二期生产项目选址于山西省晋城市金村镇侯匠村北，项目区建设用地面积0.34km2。根据勘查资料，场地内分为上下两层采空区（图1、2、3），上层9#采空区高度 1.10 ～1.30m，埋深约50m，为小煤窑开采，采空区分布无规律；下层15#采空区高度3.0～3.2m，埋深约80m，分布较稳定，但巷道较长，且停采年代较久，存在地下水、巷道变形等不良环境条件（图2）。受下伏煤矿采空区的影响，采空区上部岩体裂隙发育，整体性差，自拱能力降低，导致地表出现大量地裂缝，场地稳定性不能满足生产项目的要求。

2 场地工程地质条件［1］

根据勘查报告，场区主要地层岩性如下：

（1）第四系中上更新统（Q2+3）

岩性为浅棕-棕红色粉质粘土，局部相变为粘土，富含钙质结核，稍湿，坚硬，较致密。厚度1.50-3.0m

图1 9#采空区及影响范围分布图Fig.1 Mined Area No.9 and its affecting area

（2）石炭系上统太原组（C3t），其分为上、中、下三段：

①上段（C3t3）：岩性主要为深灰色泥岩、薄煤层、石灰岩、砂岩等组成，富含植物化石。揭露厚度平均35m。

图2 15#采空区及影响范围分布图Fig.2 Mined Area No.15 and its affecting area

图3 9#、15#煤炭采空区分布示意图Fig.3 Cross section of Mined Areas 9 and 15

②中段（C3t2）：岩性主要为灰、深灰、灰黑色泥岩、砂质泥岩、中细粒砂岩、9#煤层和数层石灰岩组成。9#煤层中段，煤层厚度不稳定，平均厚度0.80m，采空区高度1.10～1.30m，顶板为石灰岩，底板为灰质泥岩，底板平均埋藏深度40～61m。

③下段（C3t1）：岩性主要由泥质砂岩、15#煤层和灰岩组成。15#煤层位于下段，煤层厚度连续、稳定，平均厚度3.0m，采空区高度3.0～3.20m，顶板为石灰岩，底板为砂质泥岩，底板平均埋藏深度80～91m。

（3）石炭系中统本溪组（C2b）

岩性为灰白色铝土质泥岩、砂质泥岩，揭露最大厚度9.50m。

区内地层总体走向北北东、倾向北西，地层倾角5°～8°，构造简单。

3 全胶结注浆法的注浆机理［2］

全胶结注浆法的注浆机理为：在煤矿采空区影响范围内，按一定孔距和排列方式，布设足量的注浆孔，用钻机成孔后，通过注浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰浆注入采空区及其上覆岩体裂隙中，浆液固化后胶结岩层裂隙带，同时采空区内的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用，阻止上覆岩体的进一步冒落，防止地面因冒落而引起的沉陷变形，保证拟建建筑物的稳定，从而达到治理目的。

4 工艺流程及质量控制

4.1 工艺流程概述

采空区治理工艺流程包括成孔、制浆、注浆等一系列前后连续、配合紧密的环节。

采空区治理工艺流程内各环节的相互关系如图4所示：

4.2 成孔工艺

4.2.1 定点

注浆孔采用经纬仪、皮尺进行实地测量放样，钻孔实际位置原则上不应超过设计位置0.5m，当因地面影响，钻机不能就于设计位置时，可视具体情况进行调整。

4.2.2 成孔及技术要求

（1）成孔

钻进初始阶段，各采空区治理区域内分别布设2～3个取芯钻孔，对地层情况进行勘测和验证，指导周边钻孔的钻进层位，其余钻孔可参照取芯钻孔的钻进情况实施不取芯钻进。

为保证按时完成治理施工任务，须采用相应的施工工艺和施工设备。

在施工工艺方面，土层及强风化基岩选用合金钻头钻进，泥浆或套管护壁；中等及微风化基岩选用复合体钻头钻进。

施工设备需采用J10或XY300型工程地质钻机，并配备大功率空气压缩机实施潜孔锤钻进。

成孔工艺简述如下：

①用Φ130mm钻头开孔，钻进至基岩面下5m后，下入φ127mm套管护壁，然后变径Φ89mm。

②用Φ89mm钻头，钻进至采空区中的塌陷冒落或煤层底板0.3～0.5m终孔。

③钻孔经钻探技术员及现场监理验收同意后，浇铸注浆管。

（2）技术要求［3］

①钻孔位置要与测量所定孔位一致，偏差不应超过0.5m，如因地形影响钻孔不能就位时，报技术部视具体情况，请示监理工程师变更孔位，不得擅自改变孔位。

②钻孔测斜频率：在终孔前测量一次孔斜（顶角、方位角），要求终孔孔斜≤2°。

③钻进时必须采用一定的导向措施，以保证成孔质量。基岩面5m以下必须采取清水钻进，回水池岩屑要及时清理干净。采空区底板岩芯必须取芯并拍照。

④钻孔施工过程中，要做好钻探原始记录，尤其是采空区塌陷冒落带。钻探记录要使用蓝、黑钢笔填写，记录要整齐、清晰、真实、规范，地层分界、岩性鉴定要准确，并有施钻和记录人员签字。

⑤钻孔施工过程中，如发现漏水、漏风、掉钻、卡钻等异常现象要详细记录其深度、层位和耗水量、耗风量，并通知技术部。

⑥钻孔施工过程中和终孔后要进行水位观测，并记录。

⑦钻进过程中要及时观察并记录耗水量。

⑧终孔后经技术人员检查钻探原始记录和岩芯编录后，报监理验收并签发终孔通知书后，方可转入下一道工序。

4.3 浇铸孔口管

钻孔结束后，采用Φ50mm钢管，在管子前端20～30cm处焊接一圆形法兰托盘（托盘直径120～130mm），下入孔内变径处，松动原Φ127mm护壁管，再灌入水灰比为1∶1.5～1∶1.2的稠水泥浆，浇铸长度为4～6m，然后拔起护壁管。浇铸质量要求达到注浆过程中浆液不会从孔口管外溢出。水泥浆液中应加入水泥重量2％的速凝剂，快速将注浆管与孔壁固结。Φ50mm钢管要高出地面0.50m，并在管口安装堵头。

4.4 制浆工艺［4］

4.4.1 注浆材料

注浆材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝剂等组成，水为甲方提供，参照《混凝土拌合用水标准》（JGJ-89），其 SO-24含量＜1.0％，pH＞5；水泥采用质量符合国家标准的标号为P·O 32.5的普通硅酸盐水泥；粉煤灰质量等级为二级～三级，SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量大于70％，SO3含量不大于3％，其它方面应符合注浆工程的要求；速凝剂可选用水玻璃，水玻璃模数2.4～3.0，浓度 30°Be～40°Be；砂、碎石可就近取材。

4.4.2 浆液配合比

参照以往采空区治理工程的经验和当地材料供应情况，通过配比试验，浆液为水泥粉煤灰浆，水固比一般取为1∶1.0～1∶1.4，本次以1∶1为主，浆液稠稀随注浆情况进行调整。水泥占固相30％，粉煤灰点固相70％。帷幕孔的浆液中掺和加水泥重量2％～5％速凝剂，使灌入采空区内的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。

正式施工前，应按施工时使用的水泥、粉煤灰，在试验室作浆液配合比试验，试验内容应包括每立方米浆液干料含量、浆液浓度、初、终凝时间，结石率、抗压强度等。

4.4.3 注浆材料的配制

（1）浆液配制应按设计配合比进行，并随机抽查浆液的各项指标。

（2）原材料：

水用水表或定量容器计量；水泥按袋计量；粉煤灰用容器计量，并要求用磅称抽查水泥、粉煤灰的数量；

（3）浆液拌制过程如图5所示：

4.4.4 搅拌过程

配制浆液时，水泥与粉煤灰准确计量后混入一级搅拌池中搅拌，然后经过滤网注入二级搅拌池搅拌。每次搅拌时间不得低于10分钟，待浆液搅拌均匀后，通过注浆泵注入采空区。

图5 制浆工艺流程图Fig.5 Process of pulp making

注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，及时记录灌浆过程中发生的各种现象，完成现场测试和原始数据采集，并根据实际情况及时调整浆液配比和注浆方法。

4.5 注浆工艺

4.5.1 注浆系统配置

（1）注浆系统构成

注浆系统由：料场、一级搅拌池（机）、二级搅拌池（机）、供水系统、注浆泵、注浆管道、封孔装置等组成。注浆系统的平面布置如图6所示：

（2）注浆系统技术要求［3］

①料场：堆放材料的料场场地要平整，运料车辆能正常通行，且紧邻搅拌机，使材料便于运输、搬运；要求设有防潮、防雨措施。

②搅拌机：要求能满足正常施工要求，搅拌后的浆液应均匀，符合设计要求，一次搅拌量应≥1.5m3。

图6 注浆系统平面布置示意图Fig.6 Layout of the grouting system

③搅拌池：修建的搅拌池应满足正常施工要求，池为圆柱体，中间设置搅拌系统，使得搅拌后的浆液均匀，符合要求，一次搅拌量应≥1.5m3。

④蓄水池：制浆站应根据施工注浆总量需要，建立数个蓄水池，以保证正常施工，蓄水池建筑规模及要求视工地具体情况而定。

⑤注浆泵：宜采用变量泵，其额定排浆量不小于200L/min，注浆泵压力应大于注浆最大设计压力的1.5倍。

⑥ 压力表：注浆孔压力表最大指数应大于2.0MPa。帷幕孔压力表最大指数应大于5.0MPa。

⑦封孔装置：注浆孔采用Φ50mm钢管，在管子前端20～30cm处焊接一圆形法兰托福（托盘直径Φ120～125mm），下入孔内变径处。封孔装置也可采用球形止浆塞，封孔位置在基岩内5～10m处，或采空区上方10～20m处。该封孔装置具体封孔位置由现场试验来定。

⑧ 注浆管：采用Φ50mm钢管，丝扣连接。

4.5.2 注浆工艺及其有关参数

（1）施工顺序：先施工帷幕孔，再施工注浆孔，注浆分二序次进行。

（2）注浆

在注浆施工的开始阶段，注意搜集整理各地段各种配比浆液的灌注充填情况，获取更为合理的注浆施工参数。

注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法，注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。

注浆设备宜采用灰浆泵。当地下采空区空隙较小时，可采用水灰比1：1.0的水泥粉煤灰浆，水泥为固体总量的30％，粉煤灰为固体总重的70％。制浆材料中增添水泥重量2％～5％的速凝剂。当地下采空区空洞体积较大或向场区外侧渗漏浆液时，可于孔口处增设一漏斗状的投砂器，用浆液将砂或石粉带入孔内。防止浆液向场区外侧渗漏是实现本期采空区治理工程经济性的一个关键环节，需密切观测场区边缘帷幕孔及接近边缘注浆孔的灌注情况，必要时及时增加浆液中砂或石粉的投送数量。

（3）单孔注浆孔结束标准

在注浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当泵量小于70L/min时，孔口管压力在1.0MPa以上稳定10～15min后，或注浆孔周围有冒浆等现象出现时，可报监理工程师同意后结束该孔的注浆施工。

5 注浆质量检测［5］

5.1 注浆质量检测方法

采空区治理工程结束后，采用下列方法进行注浆质量检测：

（1）钻探：注浆施工结束6个月后，进行钻孔检验。通过孔内取芯直接观察采空区的浆液充填情况，并对岩芯无侧限抗压强度试验，同时结合钻探过程中循环液的漏失情况及孔壁的稳定性等评价注浆质量。

（2）波速测井：在检查孔内进行波速测试，通过横波波速判断注浆质量。

5.2 注浆质量检测的工作量布置

（1）注浆质量检测位置应随机布设。

（2）为检查施工质量，通常按注浆孔的2％ ～5％设置检查钻孔数量。检查孔深度应为原地面至采空区底板的深度。

5.3 注浆质量检测指标及质量判定标准

注浆质量检测指标包括：

（1）检查孔在采空区段岩芯采取率需达到100％；

（2）在检查孔内进行波速测试时，横波波速应＞160m/s；

（3）采空区段岩芯无侧限抗压强度＞0.3MPa；

（4）检查孔施工中不能出现掉块、循环液漏失异常的情况。

上述4项指标至少2项达到要求，才能判断注浆质量合格，否则为不合格，需要进行补充注浆。

6 治理效果与体会

（1）该工程通过半年的施工及近一年的防治工程效果监测，监测结果表明地表沉陷已经停止，该治理工程取得圆满成功，经有关部门验收后已交付使用。

（2）全胶结注浆法最关键的技术是制浆、注浆质量。

（3）目前国内针对煤炭采空区的治理方法主要有2种，即巷道筑砌法与全注浆胶结法。巷道筑砌法即采用浆砌石墙、柱等支撑顶板以达到防止采空区产生沉陷变形的目的，其具有施工成本低、工艺简单的特点，缺点是施工以人工为主，对施工环境要求较高。全胶结注浆法通过对采空区注入浆液形成结石体以对上覆围岩起到支撑作用，以机械施工为主，施工不受场地地质环境限制。

（4）全胶结注浆法以其经济、安全、快捷等优点在本工程中得到了充分体现，在煤矿采空区治理工程中有较大的应用推广价值。

［1］晋城市富晋精密工业（晋城）有限公司二期生产项目建设用地采空区勘查地质报告［R］.2005.

［2］何国清，等.矿山开采沉陷学［M］.北京：中国矿业大学出版社，1991.

［3］工程地质手册编委会.工程地质手册（第四版）［M］.北京：中国建筑工业出版社.2007.

［4］JGJ63-1989，混凝土拌合用水标准［S］.

［5］水泥及水泥制品生产使用质量监督检验检测工作技术标准实施手册［M］.北京：中华图书出版社，2005.