工业广场采空区充填治理方法研究

邓天琳

工业广场采空区充填治理方法研究

邓天琳

结合大同煤矿集团公司四老沟矿南羊路副立井工业场地地面建筑和下伏采空区现状，依据矿区地面建、构筑物保护等级划分，对南羊路工业场地下伏采空区提出治理方法，介绍地面注浆法治理采空区的施工工艺。

工业广场；采空区治理；充填；地面注浆法

0 前言

大同煤田为双系煤田，即侏罗系煤系和石炭二叠纪煤系大部分区域上、下重叠赋存。四老沟矿目前上部侏罗系大部分煤层（2号、3号、4号、11号煤层）已被开发利用。为了解决侏罗系矿井资源接替、矿井人员安置就业问题，大同煤矿集团将塔山、同忻、马脊梁部分石炭系资源调配到四老沟矿，由四老沟矿进行生产。为了消除四老沟矿南羊路副立井工业广场下侏罗系煤层采空区的安全隐患，确保工业广场内井筒建设安全，以及避免地面新建建（构）筑物建成后发生较大的下沉、变形以及陷落柱破坏，需对南羊路工业广场下伏采空区进行治理。

1 采空区治理方法概述

地下固体矿床开采后的空间及其围岩失稳而产生的位移、开裂、破碎垮落，直至上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的地区和范围统称为采空区。当采空区的稳定性评价结果为不稳定或者次稳定时，就需要选择合适的采空区治理方法进行处理。煤矿采空区的治理方法目前主要有地面注浆充填法、井下回填法和开挖回填法3种。

（1）地面注浆充填法：通过地面打孔，利用注浆泵、注浆管路，将具有充填、胶结性能的浆液材料注入采空区空间或采空区的垮落带、裂隙带，浆液胶结固化后形成的浆液结石体对上覆岩层形成支撑作用或降低其渗透性，确保地面及地面上的建（构）筑物不受到破坏。

（2）井下回填法：在煤矿开采后形成的空洞内，用废弃矸石、灰岩或砂岩等片石人工回填砌筑，砌体与采空区顶板紧密接触，起到支撑顶板的作用，从而保证采空区上覆岩层的稳定性。该方法主要适用于尚未完全塌落、空间较大的采空区，且采空区内通风条件良好，易于人工作业、材料运输等。

（3）开挖回填法：对采空区先开挖，然后采用灰土回填方法治理采空区，宜采用灰土或素土分层回填夯实。该方法主要适用于治理千层或露头部位采空区。

四老沟矿南羊路副立井工业广场下伏侏罗系2号、3号、4号、11号煤层缺乏相关煤层顶板覆岩资料，无法准确分析该区域煤层上覆岩层的发育规律。根据四老沟矿南羊路副立井工业广场下伏侏罗系采掘工程平面图，本区域内各煤层少部分为长壁式采煤法，其他大部分为房柱式和巷柱式采煤法，煤层厚度为1.3m～1.8 m，且各采空区都已进行封闭，采空区洞内无安全保障，不具备人工作业条件，只能以地面注浆充填法进行治理。在山西大同地区，注浆充填多采用水泥粉煤灰浆液，必要时配合骨料。

2 治理范围的确定

2.1 治理范围确定的原则

采空区治理的范围确定方法可以按照工业广场保护煤柱的留设方法计算。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》，设计工业场地保护煤柱时，地面受保护面积应包括受保护对象加围护带。将场区内的35 kV变电所、回风立井通风机房及配电室、南羊路副立井井口房、副立井绞车房及配电室定为Ⅰ级保护等级建筑物，其余新建建构筑物定为Ⅱ级保护等级建筑物。因此，35 kV变电所、回风立井通风机房及配电室、南羊路副立井井口房、副立井绞车房及配电室围护带宽度取20 m，其余新建建构筑物围护带宽度取15 m。根据相关煤矿井筒建设穿越采空区的实践和经验，场区内两个井筒保护治理范围取以井筒为中心、半径为40m的区域。图1为四老沟矿南羊路工业场地地面建筑物布置。

图1 四老沟矿南羊路工业场地地面建筑物布置

2.2 治理范围面积的计算

工业场地保护煤柱的范围就是拟建场地采空区治理的范围。保护煤柱用移动角法设计。由于该区域内均为近水平煤层，故煤层倾角近似取0°，

则：

式中：S——建筑物保护煤柱宽度；

D——围护带宽度；

l——根据移动角算出的保护煤柱宽度；

h——松散层厚度；

H——基岩段厚度；

φ——松散层移动角，取45°；

ψ——岩石移动角，取75°。根据上述公式可算得各类建筑物所对应各煤层所需治理面积。

图2 用移动角法设计建筑物保护煤柱示意

2.3 治理范围内采空区剩余空洞体积计算

根据四老沟矿采空区治理范围分区以及对应煤层开采情况，采空区总剩余空洞体积V分各煤层计算。

式中：V——采空区剩余空洞体积，m3；

S——采空区治理面积，m2；

H——开采厚度，暂取煤层厚度，m；

K——煤层回采率，小煤矿开采的2号、3号、4号取0.30，11号煤层采空区取0.65；

ΔV——剩余变形系数。

由于目前工业广场地表大面积沉降不明显，2号、3号、4号煤层采空区取0.65，11号层采空区暂取0.55。

根据以上公式算得2号、3号、4号、11号各煤层剩余空洞体积共计157 470.8 m3。

3 注浆量计算

3.1 钻孔布设及造孔量

根据地质勘察资料和采空区具体特征（主要是采空区连通性、裂隙发育规律、程度等），钻孔的布局一般情况下成“网状”或“梅花形”，孔间距一般控制在15 m～20 m为宜。施工顺序一般遵循“先边沿，后中心，先深后浅”的原则。Ⅰ类保护等级建筑物治理区钻孔排间距、孔间距取15 m，Ⅱ类保护等级建筑物治理区钻孔排间距、孔间距取20 m，钻孔深度为地表到该煤层底板的垂直距离。

3.2注浆量计算

由于本广场下伏侏罗系采空区无相关资料，并且未作相关勘察工作，因此采空区的注浆量只能是预测估算。加之注浆过程中，浆液向采空区上覆地层、裂隙的渗透损失，在采空区剩余空洞的体积基础上，考虑5%～10%浆液损失，本次浆液损耗系数A取1.05。根据四老沟矿采空区治理范围及煤层分布，注浆量Q的计算参照采空区剩余空洞体积分煤层进行计算，注浆量采用下述公式进行计算。

式中：Q——采空区注浆量，m3；

A——浆液损耗系数，取1.05；

V——采空区剩余空洞体积，m3；

η——注浆充填率，取0.8；

c——浆液结石率，取0.85。

算得2号、3号、4号、11号煤层采空区注浆量共计155 618.2m3。

3.3 注浆浆液及配比

注浆材料一般要求浆液黏度小，可注性好，扩散半径大；浆液的凝结时间可以调整和控制；浆液材料来源广，价格低廉；更为重要的是浆液的稳定性好，沉淀吸水率高，结实率高，结石体应有足够的强度，才能形成有效的支撑体系，确保岩层稳定。目前，采空区注浆工程大多采用了水泥粉煤灰浆液，浆液配比如下：

水固比为1:1.0～1:1.5，其中水泥占固相的15%～30%，粉煤灰占固相的70%～85%，根据实际情况可适当调整水固比及水泥和粉煤灰的固相比。很难达到终压、终量时，也可以加入水玻璃之类的速凝剂，一般加入量为掺加水泥用量的3%～5%。同时，为了防止帷幕孔注浆过程中浆液的浪费，可在注浆前向孔内投放部分细料和粗骨料[1]。

3.4 注浆压力

注浆压力的大小将决定浆液的扩散距离和充填、压密的效果。压力大，浆液扩散距离大，裂隙中浆液充填的效果也高。考虑到采空区埋深较深，因此本次设计注浆压力为1.5MPa～2.5 MPa，最终压力可根据现场情况和具体要求进行调整。

4 施工技术要求

4.1 钻孔技术要求

钻孔开口直径不小于130 mm，中孔孔径不小于91 mm。穿透第四系进入基岩稳定地段5 m（暂定25 m）后下入Φ127 mm孔口管，并用单液水泥浆固管，变径为91 mm，继续钻至设计孔深。在钻进过程中，每50 m测斜一次，终孔时孔斜不应超过1°/100m。整个钻进过程中要做好原始记录，发现漏水、掉钻、埋钻、岩芯破碎等现象时详细记录，为采空区三带发育的判断提供依据。

4.2 注浆材料

水泥粉煤灰浆液主要材料为水泥和粉煤灰，骨料可选择细料和粗骨料。细料包括天然砂或人工砂，粗骨料包括石屑和矿渣。主要材料要求如下。

水泥：P.O42.5级普通硅酸盐水泥

粉煤灰：符合国家《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596-2005中二级、三级标准。

水玻璃：模数2.4～3.4之间，浓度38波美度～40波美度。

细料：河砂、山砂或机制砂，要求级配良好、质地坚硬、颗粒洁净，粒径小于2.5 mm，含泥量小于5%，有机物含量不大于3%。

粗骨料：石屑和矿渣，可因地制宜取材，最大粒径小于1.0 cm，含泥量小于5%，有机物含量不大于3%。

4.3 注浆施工

注浆浆液浓度先稀后浓。注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。注浆量较大时，应采取间歇式注浆法施工，或者多次复注。

注浆孔是否进行投砂取决于钻孔情况，遇掉钻时，应采用孔内投放细料和粗骨料。投砂应采用开放式工艺。在注浆初始阶段，投砂器投入的骨料经浆液流动带入孔内，为防止堵孔，应避免在短时间内投入大量的砂。

5 结束语

（1）大同矿区是我国大型能源生产基地，为国民经济建设和地方经济发展作出了重大贡献。但由于地下煤炭开采产生大范围地表沉陷，不仅造成地面建筑物破坏，也破坏了矿区的生态环境，尤其是现阶段仍处于生产的各矿井，更应及时处理，因此对矿区采空区沉陷的治理研究意义重大[2]。

（2）采空区注浆工程属于地下隐蔽工程，施工过程中注浆量的大小不易控制，注浆质量检测主要采用钻探、物探和地面沉降观测等方法，并提出了相应的评价标准，但都不够理想，仍然缺少一个科学而经济的注浆工程质量评价体系，以确保工程质量。

[1]李尚军.浅谈全充填注浆法在治理煤层采空区中的施工工艺[J]，科技情报开发与经济，2007，17(34)：264-266.

[2]张德福.地面预注浆在煤矿采空区治理工程中的应用[J]，西部探矿工程，2006（8）：82-84.

Study on Goaf Filling ManagementMethod of Industrial Square

Deng Tianlin

Combining with the status quo of the ground buildings of industrial square and underlying goaf in Nanyanglu vice vertical shaft of Silaogou Mine in Datong Coal Mine Group,according to the protection level of the mining area ground building and structure building,managementmethod for underlying goaf of Nanyanglu industrial square is put forward,the construction technology of goafmanagementby using ground groutingmethod is introduced.

industrial square；goafmanagement；filling;ground groutingmethod

TD325+.3

B

1000-4866(2015)01-0017-04

2014－11－22

邓天琳，男，1987年3月出生，2009年毕业于中国矿业大学，现在大同煤矿集团设计研究有限责任公司工作，助理工程师。