全充填式注浆法在铜陵某采空区治理中的应用

杨首亚，惠明星

(湖北省地质矿业开发有限责任公司，湖北武汉 430022)

0 引言

铜陵市某安置点建设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。经物探、钻探圈定采空塌陷区共计57 487.89 m2，占评估场地面积的83.64%，如图1。

图1 采空区分布区域图Fig.1 Distribution area ofmined-out area

图2 煤层产状及采空区范围关系图Fig.2 Relation graph of attitude of coal and mined-out area range

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［1］。经预测采空区发生塌陷地质灾害危害的可能性中等。为确保采空区上部建设用地安全，提高土地资源利用率，需对建设用地下部采空区进行治理，消除安全隐患。

1 采空区的危害性分析

1.1 采空区的基本特征

矿山经多年开采，已形成－32 m中段、－56 m中段、－82 m中段，采空区主要由巷道及矿房等组成(图2)。如前所述采空区面积57 487.89 m2，煤层坡度20°～30°，结合钻探资料平均开采厚度1.06 m计，形成采空区体积约64 846.6 m3。根据国内煤矿采空区治理经验，采空区经过长期的变形、冒落、岩石膨胀以及地面沉降等作用，其采空区空洞体积将缩小，取碎胀系数1.3［2］计算，采空区空洞体积约为原采空区的40%。因此，现状采空区总体积约25 938.6 m3。

1.2 采空区的现状评估

工程区范围现状地质灾害仅为采空塌陷。采空塌陷主要表现为地面下沉，伴生地裂缝及墙体开裂，塌坑则较少。据调查，地面、墙体裂缝自发生以后，裂缝未见扩大，采空塌陷趋于稳定。但工程区将作为住宅区，随着工程活动的增加，有引发地质灾害的危险。

1.3 采空区的危险评估

煤矿勘探区煤层厚度、倾角变化小，属较稳定煤层。影响地面变形的主要因素是采空区埋深。据观测和研究表明，采空区地表移动变形的大小与开采深度呈逆相关，与开采厚度呈正相关。根据《地质灾害危险性评估技术规范(试行)》(国土资源标准制修订计划编:2008039)，采深采厚比50～100时，地质灾害发生的可能性中等;工程建设区煤层埋藏较浅，地面标高20.84～51.17 m，采空区分布标高 0 ～ －50 m，平均厚度约1.06 m。工程建设区采深采厚比20～90，有可能产生地面变形。

采空区顶板为P2d、较坚硬—软弱薄层状炭质页岩、硅质页岩、粉砂岩，岩石软硬相间，裂隙较发育，破碎，稳固性差，开采后容易冒落，并有可能导致地面塌陷。

2 全充填式注浆法设计

对于老采空区治理，目前的治理方法主要有直接法(充填法、局部支撑法、覆岩离层注浆、释放沉降潜力法)和间接法(采用抗变形方法和后期修补方法)。根据采空区埋深等特征，确定采用全充填压力注浆充填法处理采空区。

全充填压力注浆法的原理是在地表施工钻孔，钻孔深度达到采空区顶板，将注浆管密封在采空区上覆岩层中，采用泥浆泵，将浆液注入采空区冒落带及上部裂隙带中，浆液的结石体阻止上覆岩层及地表的进一步变形，从而达到治理采空区的目的。

2.1 注浆孔的布置

为提高注浆结石体搭接效率，设计采用梅花形孔位布置方式。注浆孔的间距根据浆液扩散半径R来确定，一般取 1.0 ～1.5 R［3］。根据同类工程经验，浆液扩散半径约15 m，因此注浆孔间距取20 m(现场施工时，应做好试灌、试钻实验，进一步确定浆液扩散半径，并以此为依据及时调整注浆孔网度，保证充填质量)。

区内共布置注浆孔7排，19列，网度20 m×20 m(其中排水渠、道路以及绿化带内不布设注浆孔)，共布设注浆孔66个。施工过程中，根据钻孔结果，适当调整注浆孔的布置(图3)。

2.2 注浆量的确定

根据国内采空区治理工程经验，注浆浆液的结石率一般为85%［4］，浆液对采空区及上覆岩层中的裂隙、裂缝的充填率一般为80%。此数值已考虑了在注浆过程中，浆液向注浆孔壁周围、采空区上覆岩层裂隙的渗透损失等。

图3 采空区钻孔布置图Fig.3 Drilling layout chart ofmined-out area

治理范围内采空区及巷道空洞总体积约为8 639.7 m3，总注浆量估算如下:

Q总=8 639.7×80%/85%=8 130 m3治理区共布置注浆孔66个，估算单孔注浆量约123 m3。而治理范围内，煤层采空区分布特征及开采的无规律性，实际单孔及总注浆量与设计有一定出入，工程计量以实际注浆量为准。

2.3 注浆材料

采用水泥粉煤灰浆，32.5 水泥，水固比 1∶0.8 ～1∶1.0，其中水泥占固相的30%，粉煤灰占固相的70%，速凝剂掺入量为水泥用量的2%。具体配比要通过现场取样试验来确认。

2.4 钻孔深度的确定

勘察孔及注浆孔深度根据采空区底板埋深、煤矿开采深度、“两带”发育特征、巷道深度以及建筑物荷载影响深度等综合确定。

治理区内煤矿最大开采深度为51 m，建筑物荷载最大影响深度为52.3 m。确定注浆孔(含勘探孔)的终孔深度一般为地面至采空区底板、“两带”底部或巷道底部以下约2.0 m，并且最深不宜＞55 m。钻孔深度如表1所示。

2.5 注浆工艺

注浆工艺流程图见图4所示。

图4 注浆工艺流程图Fig.4 Flow chart of grouting technology

3 监测与分析

选取方案设计采用地表观测法监测沉降位移，治理采空区三区内设计四行九列共计24个变形监测点，如图5所示。

表1 设计钻孔深度一览表Table 1 Schedule of design drilling depth 单位:m

3.1 观测基点设置

观测基点设置在采空区治理区域外的两侧稳定区，基点距采空区应＞60 m，为一组三点式，点间距约50 m。

3.2 观测点布置

若有特殊岩土存在，观测点设在基岩面风化带之下;反之观测点直接设置在地表。观测点等间距布设，间距为10 m。

图5 监测点分布图Fig.5 Distribution map ofmonitoring points

3.3 观测周期

根据相关规程，观测周期为10个月。同时，在施工前应测出基准数据，施工期间和施工完成时应测出一组数据，随后按10个月为观测周期，监测结果如图6所示。

图6 监测结果分布图Fig.6 Distribution map ofmonitoring results

由图6显示治理后采空区沉降量＜300 mm;垂直变形率τ＜3 mm/m，水平变形率ε＜2 mm/m。根据《地质灾害危险性评估技术规范(试行)》，表明采空区发生塌陷地质灾害的可能性极小，在铜陵市车站新区三期安置点工程中采用全充填式注浆法治理采空区是可行合理的。

4 结论

本工程在详细了解煤炭老采空区现状及危害的前提下，采用了全充填注浆法治理采空区的实施方案，具体介绍了该注浆法的施工工艺和具体布置，根据后期监测数据表明，治理后的采空区达到了预期工程目的和要求，为今后类似老采空区治理提供了实践经验。

［1］贾新果，陈清通.老采空区治理技术现状及展望［J］.能源环境保护，2012，26(5):12 －15.

［2］郭广礼，缪协兴，张振南.老采空破裂岩体变形性质研究［J］.科学技术与工程，2002(5):45－47.

［3］杜士斌.浆液扩散半径与最优布孔［J］.人民黄河，1992，8(8):38－40.

［4］张惠萍.采空区浆液配合比研究与运用［J］.山西交通科技，2009，6(3):9－11.