同家梁煤矿采空区注浆充填工艺

2016-08-01董庆欢李生生孙晓宇赵仲霖

现代矿业 2016年6期

关键词：井筒粉煤灰浆液

董庆欢　李生生　孙晓宇　赵仲霖

(1.北京中煤矿山工程有限公司；2.天地科技建井研究院)

同家梁煤矿采空区注浆充填工艺

董庆欢1,2李生生1,2孙晓宇1,2赵仲霖1,2

(1.北京中煤矿山工程有限公司；2.天地科技建井研究院)

摘要同家梁煤矿井筒穿越采空区，为确保井筒建设安全，采用水泥粉煤灰浆液作为充填材料进行采空区充填注浆治理，分析了采空区注浆充填工艺的详细流程。实践结果表明：水泥粉煤灰浆液可满足同家梁煤矿注浆设计有关充填效果、抗压强度、结石率等方面的要求，可有效控制地表下沉、变形，隔绝外围采空区与井筒掘砌工作面的联系，防止有害、易燃易爆气体和积水进入，确保封闭井筒与采空区之间串风，保证井筒掘砌安全。

关键词采空区水泥粉煤灰浆液充填材料注浆充填工艺

煤矿采空区是指在煤矿作业过程中，将地下煤炭或煤矸石等开采完毕后留下的空洞或空腔，易形成地表塌陷。粉煤灰是一种燃煤发电厂排放的固体废料，在某些活化剂的作用下，可形成一种活性填料[1]。粉煤灰、水泥与水混合成为浆液时，水泥水化过程中分解出的氢氧化钙作为激发剂，生成稳定的化合物。利用水泥粉煤灰浆液作为煤矿采空区充填材料，不仅可降低工程施工成本，节约水泥，而且可有效隔绝外围采空区与井筒掘砌工作面的联系[2]。同家梁煤矿井筒掘砌过程中需穿越采空区，为确保井筒掘砌安全，本研究采用水泥粉煤灰浆液作为充填材料，对该矿采空区进行充填注浆治理。

1工程地质概况

同家梁煤矿位于大同市西南约20 km处，大同煤田东北部。矿区检查钻孔揭露的地层由新至老为第四系、侏罗系、二叠系、石炭系。本研究工程设计涉及到的第四系、侏罗系地层以紫红色泥岩、砂质泥岩，灰—灰白色中—粗砂岩、含砾粗粒砂岩为主，夹粉砂岩、细砂岩。上部为紫红色泥岩、砂质泥岩夹中—细砂岩，下部为一套灰白色中—粗粒砂岩，孔隙度极高，垂直裂隙发育；中—下部较密实，有白色钙质物充填，与下伏地层角度不整合接触。

根据同家梁煤矿煤层采空区分布图及副立井平面布置图，可知同家梁煤矿采空区煤层的开采情况，见表1。

由表1可知：8#、11#煤层开采时间集中于1953—1960年，开采时间较早，煤层采空区大部分已塌陷完整，井下可能已无法进入，故治理方法采用地面注浆充填法[3]。

表1　同家梁矿采空区煤层开采情况

2采空区注浆充填工艺

2.1钻孔施工设计

根据矿区采空区和巷道位置布设钻孔。位于绞车房治理范围内8#煤层采空区，孔间距取20 m，钻孔距采空区和治理范围边界5 m，共布置钻孔13个(图1)。钻孔孔深超过8#煤层底板埋深2 m，平均孔深75.8 m，造孔量985.4 m。井筒治理区是以井筒为中心、半径40 m的区域，采空区上方布置5个钻孔，地质钻孔在施工过程中将11#煤层塌空，说明该位置有采空区或巷道。另外，8#、11#煤层可能有巷道穿过副立井井筒，为降低施工过程中的相互影响，在井筒治理范围内，未标示采空区的区域内布置9个钻孔(可作为检查钻孔，探查是否存在未标示采空区)，另布置了26个钻孔用以探查11#煤层的巷道位置，井筒采空区治理范围内共布置了40个钻孔(图1)。钻孔孔深超过11#煤层底板2 m，平均孔深127.6 m，造孔量5 104.0 m。

2.2注浆工艺流程

注浆工艺流程为钻孔定位→钻机安装→开孔→固管段钻进→下套管→钻进至目的层位→注浆→扫孔→继续钻进至下一层位→注浆→…→终孔→封孔→钻机移位。制浆材料须按规定的浆液配比计量，水泥等固相材料应采用重量称量法计算，浆液须搅拌均匀，测定浆液密度等参数，并进行记录，具体工艺流程见图2。

图1　钻孔布置示意

图2　制浆工艺流程

注浆量计算公式为

式中，Q为采空区注浆量，m3；A为浆液损耗系数，取1.05；V为采空区剩余空洞体积，m3；η为注浆充填率，%；c为浆液结石率，%。

上式中，A取1.05，V取17 576 m3，η取95%，c取85%，经计算得Q=20 625 m3。

2.3浆液配比

注浆材料一般应具备的特征有：①浆液黏度小、可注性好、扩散半径大；②浆液的凝结时间可调整和可控制；③浆液材料来源广，价格低廉；④浆液稳定性好，沉淀析水率小，结石率高，结石体应有足够的强度，方可形成有效的支撑体系，确保岩层稳定[4]。本研究采用水泥粉煤灰浆液进行注浆充填采空区。该浆液水固比为1∶0.9～1∶1.4，其中水泥含量30%～40%，粉煤灰含量60%～70%，当很难达到终压、终量时，加入水玻璃作为速凝剂，一般加入量为掺加水泥质量的3%～5%。本研究浆液材料配比表见表2。

表2　浆液材料配比

2.4注浆结束标准

注浆压力的大小对于浆液的扩散距离以及充填、压密效果具有决定性影响。压力大，浆液扩散距离大，裂隙中浆液充填的效果也越佳。鉴于采空区埋深较深，故本研究设计建(构)筑物下采空区治理的注浆压力为1.5～2.5 MPa，井筒穿越的采空区治理注浆压力取2.0～3.0 MPa，一序孔施工过程中的注浆压力取低值，二序孔的注浆压力取高值[5]。最终注浆压力可根据现场情况和具体要求进行调整，当注浆达到设计压力并超过15 min时，可结束该孔注浆[6]。

3采空区注浆效果

同家梁煤矿采空区充填注浆工程于2013年8月10日开始，至2014年12月1日结束，注浆总量20 657 m3，钻孔总量6 113.6 m，其中副立井注浆量13 140 m3，钻孔量5 192.5 m；绞车房注浆量7 517 m3，钻孔量921.2 m。在井筒治理区域和绞车房治理区域分别布置了1个检测孔，将检测孔布置于2个注浆孔中间，以检测实际注浆效果。考虑到取芯要求和后续其他检测手段，设计检测孔开孔孔径为130 mm，终孔孔径为91 mm，变径深度应进入稳定基岩段5～10 m，深度为30 m，下入套管，钻孔偏斜率不大于10/100 m。钻孔深度与注浆钻孔孔深一致，分别为75.8、127.6 m。检测孔全孔取芯，记录岩芯采取率，进行力学特性试验的岩芯包括煤层上覆岩层和注浆结实体2个部分，进行室内单轴抗压试验均符合设计要求[7]。建(构)筑物下采空区治理的注浆压力为2.3 MPa，井筒穿越的采空区治理注浆压力取2.8 MPa。同家梁煤矿采空区充填注浆效果见图3。由图3可知：浆液与煤层紧密联接，效果显著，经试验，结石体的单轴抗压强度平均为 5 MPa，满足工程施工验收要求及相关规范。