瓦斯抽放系统下伏多层采空区充填注浆治理技术

贺 文 周禹良 孙晓宇 袁东锋

(1. 天地科技股份有限公司，北京市朝阳区，100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013)

瓦斯抽放系统下伏多层采空区充填注浆治理技术

贺 文1,2周禹良1,2孙晓宇1,2袁东锋1,2

(1. 天地科技股份有限公司，北京市朝阳区，100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013)

为了保证地面瓦斯抽采系统建(构)筑物基础的长期稳定性，通过验证孔钻探和钻孔电视技术对场地下伏采空区物探成果进行检验，综合确定了采空区治理范围。采用地面充填注浆技术对下伏3层采空区进行治理，共布置注浆钻孔34个；地面充填注浆采用下行式分层治理方式，并共用注浆孔；注浆材料主要为水泥粉煤灰浆液，外围孔采取投骨料、添加速凝剂等方式控制浆液扩散距离。注浆结束后，检查孔取芯及压浆试验结果表明，采空区及覆岩裂隙充填效果良好，为采空区建筑物基础稳定性评价及治理提供参考。

瓦斯抽放系统 采空区治理范围 充填注浆 水泥-粉煤灰浆

煤矿整合及改扩建过程中，地面新建建(构)筑物时常受到采空区的威胁。新形成的采空区，其顶板垮落不充分，覆岩存在长期的下沉变形阶段；老空区覆岩在新建建构筑物荷载作用下可能活化产生继续下沉变形。采空区覆岩存在较大的地面残余变形是威胁地表建筑物稳定性的根本原因。威胁建(构)筑物基础稳定性的采空区必须进行处理，探明采空区分布范围是采空区治理的前提条件，物探是探明采空区分布情况的重要手段，对采空区场地稳定性进行评价是采空区治理的基础。目前建筑场地下伏采空区处理的主流方法是地面注浆技术。地面注浆技术处理采空区的优点包括安全性高，设备及人员均在地面，不需下井进入采空区；效果可靠，采空区空洞充填密实，接顶率高；廉价环保，充填材料除水泥外，可选择粉煤灰、黄砂等，就地取材，变废为宝。本文基于同忻煤矿地面瓦斯抽采系统场地下伏采空区物探调查结果，采用验证孔钻探施工及钻孔电视技术验证了采空区物探成果，综合确定场地下伏采空区治理范围，通过优化注浆孔布置、合理的注浆控制技术对瓦斯抽采系统场地下伏采空区进行综合治理，为类似工程处理提供参考。

1 工程概况

同忻煤矿位于大同煤田东北部，为解决二盘区瓦斯问题，需在二盘区建设一套地面瓦斯抽采系统。瓦斯抽采系统设计在二风井的地面工业广场内，采用地面固定式瓦斯抽采泵站。地面瓦斯抽采系统主要建(构)筑物包括两个直径1.25 m瓦斯抽放孔、一个真空泵站、一个副泵房及消防水池等。场地面积约为7125 m2。根据现有资料，地面瓦斯抽采系统场地下伏侏罗系煤层均有开采历史。表1 给出了浅部煤层的开采情况，从表1可以看出，浅部共有3层煤回采完毕，采深120～179 m，累计采厚11.8 m。为了消除地面瓦斯抽采系统场地下煤层采空区的安全隐患，确保瓦斯抽放系统建设及使用安全，以及避免建(构)筑物建成后发生较大的下沉、变形以及陷落性破坏，在瓦斯抽放系统建设之前须对下伏采空区进行综合治理。

表1 地面瓦斯抽采系统场地下伏煤层开采情况统计简表

2 采空区范围及覆岩状态

2.1 采空区范围

深入了解采空区的赋存情况是后续采取合理治理措施的关键。目前，常用于采空区探测的地球物理勘探技术主要包括地震勘探法、瞬变电磁法、高密度电法、地质雷达法等。为消除单一物探技术采空区勘探效果不佳和反演结果存在多解性等不足，煤矿采用瞬变电磁法和大地电场岩性探测相结合的综合物探技术对地面瓦斯抽采系统场地下伏采空区进行勘察。地面瓦斯抽采系统场地下伏采空区物探范围及验证孔布置如图1所示。

图1 地面瓦斯抽采系统场地下伏采空区物探范围及验证孔布置

为了验证物探结果的准确性， 在地面瓦斯抽采系统场地共布置了4个验证孔，验证孔钻探情况详见表2，T2钻孔揭煤3层，存在进尺过快，漏失严重现象，推测揭露采动裂隙区；其余3个钻孔均发生掉钻，全孔漏失，直接揭露采空区。由于T1孔揭露采空区，采空区边界应向北移，总体而言，钻探揭露情况与物探成果吻合程度较好。

表2 物探验证孔钻探情况

2.2 采空区覆岩状态

为了解采空区覆岩垮落压实状态，对4个验证钻进行钻孔电视研究。11#煤层采空区钻孔电视照片如图2所示。

图2 11#煤层采空区钻孔电视照片

由图2可以看出11#煤层采空区覆岩垮落不充分，残余空洞发育。12-1#煤层及14-2#煤层采空区钻孔电视照片如图3所示，可以看出12-1#煤层、14-2#煤层采空区垮塌严重，冒落带裂隙发育，较为破碎。分析认为，在地面建筑物附加荷载影响下，若采空区覆岩变形活化，将存在加大的地面不均匀沉降，危及上部建(构)筑物基础稳定性。

图3 12-1#煤层及14-2#煤层采空区钻孔电视照片

2.3 采空区治理范围

采空区治理范围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，地面受护面积应包括受护对象加围护带。根据上述规程规定，地面抽采瓦斯系统相关建(构)筑物为Ⅰ级保护等级建筑物，其围护带宽度取20 m，采空区治理范围纵向包括三层采空区，横向面积约为15000 m2

3 地面注浆设计

3.1 注浆钻孔布设

为了不影响主泵房、副泵房土建，采空区治理注浆钻孔沿土建场地边界外延3 m布置，采空区治理注浆钻孔平面布置如图4所示。主泵房南侧布置两排钻孔，排间距为5 m，孔间距为15 m，北侧考虑与副泵房交叉布孔，布孔一排，左右两侧根据场地实际情况布置了相应数量的钻孔，共计20个钻孔；副泵房南侧布孔一排，北侧布置两排，合计14个钻孔。表土层注浆孔直径均为133 mm，套管直径127 mm，钻孔在稳定基岩位置变径为91 mm，继续钻至采空区或进入煤层底板1.0～2.0 m终孔，钻孔偏斜率控制在1°/100 m内。

图4 采空区治理注浆钻孔平面布置图

3.2 注浆浆液及配比

注浆材料一般要求浆液粘度小、稳定性好、凝结时间可控。采空区注浆材料为保证良好的接顶率要求浆液析水率低、结石率高。同时浆液结石体必须具有足够的强度，才能形成有效的支撑体系，以确保覆岩的稳定性。目前，采空区注浆工程常用的浆液有水泥砂浆、水泥粉煤灰浆、膏体充填材料、高水充填材料等等。考虑附近电厂粉煤灰廉价易得，本工程主要采用水泥粉煤灰浆液。必要时采用投砂、采用速凝浆液等方法避免浆液浪费。浆液配比详见表3，水泥粉煤灰浆液水固比控制在1∶1～1∶1.2，其中水泥占固相的20%～40%，粉煤灰占固相的60%～80%。

表3 采空区充填水泥粉煤灰浆液配比表

3.3 注浆量预计

采空区注浆量预计应在采空区剩余空洞体积的基础上，考虑浆液向采空区上覆地层、裂隙的渗透的损失，采空区剩余空洞体积参考煤层采厚、回采率、剩余变形系数、治理面积等因素综合计算。由于同忻矿北二盘区地面瓦斯抽采系统场地下伏3层采空区，其注浆量Q的计算参照式(1)分层计算。

(1)

式中：Q——采空区预计注浆量，m3；

A——浆液损耗系数，一般取1.05～1.1；

V——采空区剩余空洞体积，m3；

η——浆液充填率，%；

c——浆液结石率，%。

经计算，三层采空区预计注浆量合计35800 m3。

3.4 注浆控制技术

(1)治理次序及止浆方式。为保证采空区充填效果、节约浆材，场地下伏采空区治理采用相同的治理钻孔，注浆次序为由外至内、自上而下分层治理的原则。对于同一层采空区，先进行外排帷幕孔注浆，然后进行中间孔注浆。考虑采空区覆岩裂隙发育，注浆过程中可能存在塌孔现象，故同一注浆段需采取重复扫孔，多次注浆进行。止浆方式主要采用孔口压盖止浆方式，必要时配合止浆塞止浆。

(2)注浆压力控制及结束标准。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。由于瓦斯抽采系统正在进行土建施工，注浆压力应控制在防止地面抬升情况下尽量提高注浆压力，以保证注浆充填效果。经现场压浆试验，注浆压力控制在3.0 MPa以内，当注浆压力达到2.5 MPa以上并持续稳定10 min以上，终量35 L/min，即可结束该段注浆。

(3)外侧帷幕孔注浆控制。为避免高压浆液冲散相邻钻孔注浆固结体，外侧帷幕孔采用跳孔施工。同时，针对帷幕孔升压缓慢、浆液扩散至治理范围之外造成浆液严重超量等问题，采用孔内投放细料和粗骨料，同时在浆液中掺入适量水玻璃等速凝剂，以实现浆液扩散距离控制。

4 注浆成果及检测

4.1 注浆成果

采空区充填注浆成果详见表4，11#煤层采空区共有21个钻孔掉钻，掉钻率61.7%，注浆16930 m3； 12-1#煤层采空区共有8个钻孔掉钻，掉钻率23.5%，注浆7400 m3；14-2#煤层采空区共有19个钻孔掉钻，掉钻率55.9%，注浆12170 m3。注浆压力控制良好，终压介于2.5～3.0 MPa，未发生地面抬升超限及严重跑浆情况。注浆结束后，治理范围内采空区地下空洞及覆岩空隙被充填密实，有利于瓦斯抽放系统地基基础的长期稳定性。

4.2 注浆效果检验

注浆效果检测于注浆结束后一个月进行，共布置检查孔3个。检查孔钻进过程中漏失不明显，并成功取出浆液结石体岩芯。压浆试验中，所有检查孔均迅速升压，检查孔与注浆孔注浆压力曲线对比情况如图5所示。由图5可以看出，检查孔注浆压力几乎呈直线上升，浆液难以注入，表明前期充填注浆已将采空区地下空洞及覆岩裂隙充填密实，注浆效果良好。

图5 检查孔与注浆钻孔注浆压力

5 结论

(1)验证孔钻探资料配合钻孔电视技术能够对采空区物探成果进行有效检验，同时可对采空区压实情况、覆岩垮落程度、裂隙发育程度等进行进一步了解，为采空区处理提供较大参考。

(2)合理确定治理范围、优化注浆钻孔布置、浆液配比动态调整、注浆控制技术是采空区注浆处理的关键。使用速凝浆液或投骨料能有效控制帷幕孔浆液扩散距离，避免浆液沿采空区超量流失至治理范围之外，提高充填注浆效率。

(3)采用下行式分层充填注浆技术，瓦斯抽采系统场地下伏3层采空区总注浆量为36500 m3。经检查孔取芯及压浆试验检验，治理范围内采空区残余空洞及覆岩裂隙已充填密实，治理效果较好。

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Surfacebackfillgroutingtechnologyformultilayergobbeneaththemethanedrainagesystem

He Wen1,2, Zhou Yuliang1,2, Sun Xiaoyu1,2, Yuan Dongfeng1,2

(1. Tiandi Science and Technology Company Limited, Chaoyang, Beijing 100013, China; 2. Beijing China Coal Mine Engineering Company Limited, Chaoyang, Beijing 100013, China)

For the purpose of ensuring the stability of the foundation for ground methane drainage system, borehole drilling and borehole cameras were used to verify the outcome of geophysical exploration for gob area and the treatment scope was confirmed. Then, combined with 34 grouting borehole, surface backfill grouting technique was utilized to treat the 3 layers gobs beneath methane drainage system. The grouting mode was downward grouting and filled the gob layer by layer. Cement-fly ash grout was the main grouting materials, aggregate and cement accelerator were also used in the curtain borehole to control the diffusion distance of grouting. After the backfill grouting, the outcome of coring and grout-pressure tests indicated a good result for gob backfill grouting, which can be referenced by buildings stability analysis and its treatment in gob area.

methane drainge system, gob treatment area, backfill grouting, cement-fly ash slurry

TD712.623

A

中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金(2013QN009)，天地科技股份有限公司技术创新基金(KJ-2014-BJZM-03)

贺文，周禹良，孙晓宇等.瓦斯抽放系统下伏多层采空区充填注浆治理技术[J].中国煤炭，2017,43(11)：101-105.

He Wen, Zhou Yuliang, Sun Xiaoyu, et al. Surface backfill grouting technology for multilayer gob beneath the methane drainage system [J]. China Coal, 2017，43(11):101-105.

贺文(1985-)，男，湖南怀化人，助理研究员，硕士，主要从事矿山水害防治、采动地灾治理的研究。

(责任编辑 张艳华)