刘家渠煤矿斜井井筒下采空区治理技术

2011-03-08邹友平张华兴张刚艳徐文涛

采矿与岩层控制工程学报 2011年4期

关键词：刘家斜井煤柱

邹友平，张华兴，张刚艳，徐文涛

（1.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京 100013;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013; 3.伊泰煤炭股份有限公司阳湾沟煤矿，内蒙古鄂尔多斯 010300）

刘家渠煤矿斜井井筒下采空区治理技术

邹友平1，2，张华兴1，2，张刚艳1，2，徐文涛3

刘家渠煤矿斜井井筒由于建在老采空区上，发生了局部变形和破坏。通过对采空区治理范围的计算确定，采用地面压力注浆法治理，介绍了注浆施工工艺。经钻探揭露与注浆量结合综合分析，注浆效果良好，为今后类似工程地质条件下的治理工程提供借鉴的经验。

斜井井筒;采空区治理;压力注浆法

Treatment Technology of Gob under Slope Shaft in Liujiaqu Colliery

刘家渠矿主斜井和副斜井均为2006年11月开始井筒施工，先后施工到3－1上煤层。2008年6月，在副斜井井筒施工过程中，发现副斜井井筒自井口到井筒内200m之间，多处井壁出现了1～3mm的细小裂缝，裂缝最宽达到5mm，2009年3月发现主斜井自井口到井筒内200m之间局部也出现细小裂隙。

井筒出现裂缝后，矿方为查明原因，在工业广场及主斜井和副斜井周围布置了多条地震勘探测线，根据物探资料并结合钻孔资料，发现在主斜井、副斜井以及原来设计的工业广场的下方存在原煤矿的房柱式开采采空区，井筒施工后，受到采空区沉降的影响，导致井筒的局部变形和破坏。为了保证井筒的正常使用和工业广场建筑物的安全，需要对井筒及工业广场采空区进行注浆治理。

1 井筒概况

主斜井:井口标高1399.766m，井筒倾角9°，斜长414.0m，净宽4.0m，净断面11.9m2;井筒内装备1条1.0m宽的带式输送机，担负全矿井煤炭提升任务。

副斜井:井口标高1399.450m，井筒倾角6°，斜长712.2m，净宽4.6m，净断面15.7m2;采用防爆无轨胶轮车运输，担负全矿井辅助提升及运输任务，同时兼进风。所有管线均沿该井筒敷设。

回风斜井:井口标高1420.0m，井筒倾角26°，斜长216.7m，净宽4.0m，净断面11.9m2;设行人台阶及扶手，担负矿井回风任务。

3个井筒初期均落底于主采3－1上煤层，水平标高1320m左右。

2 斜井井筒下采空区治理范围确定

针对斜井的破坏，必须要确定斜井井筒的影响范围。由于缺少应有的开采资料，为保证斜井井筒的安全，采用斜井井筒保护煤柱的留设方法计算治理范围。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》［1］，斜井保护煤柱从受护边界起以移动角法设计。受护面积应包括井口及其围护带，斜井井筒和井底车场护巷煤柱。井口围护带宽度定为15m，井口围护带只在井筒的底板一侧。车场护巷煤柱是指为斜井井底巷道所留的巷道两侧煤柱。煤层中的斜井保护煤柱宽度S可按照下式计算（图1）。

图1 斜井或巷道煤柱设计方法

式中，S1为斜井单侧保护煤柱宽度，m;a为受护斜井或巷道宽度的一半，m;H为斜井或者巷道的最大垂深，m;M为煤厚，m;f为煤的坚固性系数，f =0.1;Rc为煤的单向抗压强度，MPa。

将该矿相关参数代入公式，可得:

为了有一定的安全系数，取井筒双侧各20m作为采空区治理的边界。根据上述方法确定主井、副井和风井井筒下采空区治理面积为52770m2。

3 注浆施工

对于采空区的治理，目前主要采取直接回填法和压力注浆法来进行处理［2］。

对于刘家渠煤矿，采用压力注浆法和直接回填法均可行。但由于房柱式老采空区顶板可能局部发生垮落，掘进、充填及支护难度较大，且存在一定的安全风险，另外受井下巷道内作业的限制，工期较长，而且施工的巷道对原始地层有一定的扰动，故采用压力注浆法。

压力注浆法是在地表施工注浆钻孔，通过注浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰浆液注入采空区及其上覆岩体裂隙中，浆液经过固化，胶结岩层裂隙带，同时充填采空区最终使浆液形成的结石体与岩层一起对上覆岩层形成支撑作用，保证井筒及地表建筑物地基稳定。

3.1 注浆孔设计

一般而言，采空区注浆孔的设计深度为开孔至采空区底板以下1.5m，灌浆孔的灌注长度为最上部完整基岩下6m至灌浆孔底板的深度，注浆管的长度为地面之上1m至完整基岩下6m处深度。

根据采空区治理实践经验，该矿井筒及工业广场注浆孔按25～35m间距布设。井筒及工业广场范围全面治理，在物探、钻探已知采空区或采掘巷道密集、地面变形严重段以及地表工业广场重要建筑物位置适当加密，在采掘巷道稀疏、变形轻微段和地表建筑物较少位置适当减少。

设计钻孔的开孔孔径为130mm，终孔孔径不小于91mm。钻孔结构及注浆孔口管结构如图2和图3所示。冲积层护壁套管直径127mm，注浆孔止浆套管直径为110mm。在冲积层很薄的区域，可直接下入止浆管。钻孔施工过程中应每50m测斜一次，终孔孔斜不应超过1°。注浆管应选用直径不小于50mm的钢管。

3.2 浆液配合比设计

根据煤矿采空区治理工程的成功经验，确定注浆液为水泥粉煤灰浆，其水固比为1∶1.4～1∶1.0，水泥占固相的30%，粉煤灰占固相的70%，根据钻孔钻进过程中的具体情况，在钻进过程中发现空区较大的钻孔采用较稠的浆液或在浆液中掺加水泥重量的2%速凝剂，也可加入少量砂或碎石，使注入采空区的浆液尽快凝固，减少浆液流失。

图2 注浆钻孔结构

图3 注浆孔口管结构

3.3 注浆施工工艺

采空区注浆施工工艺流程如图4所示。

图4 注浆施工工艺流程

单孔注浆工艺［3］如下:

（1）注浆开始前用清水冲洗钻孔，冲洗时间不少于5min，以检验注浆管路的密闭性并判断注浆钻孔的可注性。

（2）根据地质资料、压水试验进行单孔注浆设计及浆液配合比选择。

（3）注浆时采用浆液浓度先稀后稠的顺序施工。

（4）注浆开始后，定时观测注浆泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，并根据实际情况及时调整浆液浓度。

（5）当地下采空区空隙较小时，用较稀的水泥、粉煤灰浆连续灌注。当地下采空区空隙较大时，用较浓浆液，在帷幕孔的制浆材料中添加水泥重量l%～2%的水泥速凝剂，采用低压、稠浆、小泵量、多间歇的方法注浆。当此方法无效，孔口压力仍不升高（即吸浆不减）时，在注浆孔口增加投砂装置，适量向注浆孔内投注一定量的骨料，以充填大采空区。