上覆软岩大埋深小窑采空区注浆填充治理方法

乔燕珍

（呼伦贝尔学院 矿业学院，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

内蒙古东部呼伦贝尔草原是世界三大草原之一，被誉为“中国最美草原”。该地区煤炭资源丰富，具有储量大、煤层厚、煤质好的特点，20世纪八九十年代该区域小煤窑数量众多，大量的私挖盗采导致草原区域存在大量的采空区域[1-2]。此类采空区顶板多为软岩，埋藏深，难以采用爆破法治理，目前主要通过注浆填充的方式进行治理[3]，注浆材料各有差压，常用水泥-粉煤灰、黏土、膨润土、尾砂等材料，主要研究填充时材料的析水率、结实率、抗压强度、浆液结石率、触变性等特性[4-10]。张恒[11]、韩晓雷[12]等设计了专门的投沙设备，采用天然风积沙、水泥、粉煤灰、速凝剂等对高速公路下伏采空区进行了充填治理。

宝日希勒露天煤矿位于呼伦贝尔市陈巴尔虎旗，其东侧赋存有大量上覆软岩大埋深小窑采空区，导致采用大型设备和人工的方式进行治理时，面临小窑坍塌的安全隐患[13-16]。宝日希勒矿区自2010年以来已开展了5次治理工程，形成了1套以人工投料为主的砂岩填充治理方法。但是以往注砂法不仅填充速度缓慢，而且填充技术成本较高，若采用水泥、速凝剂等固化材料，将造成后续采空区域露天开采时土方剥离困难。因此，本研究以宝日希勒露天煤矿为典型，旨在形成1套安全高效且不影响后续采剥的上覆软岩大埋深小窑采空区填充治理技术。

1 采空区概况与地质条件

通过专项勘察，查清了小窑采空区的开采方式、分布、形态特征及以往治理方式。研究区域位于宝日希勒露天煤矿东侧计划开采区，此处私人开窑方式为：人为划定开采区域，区域内施工竖井，人工开挖巷道后逐层推进，到达采煤点进行开挖，放炮，采煤，根据经验决定采煤量，最终以“树枝式”后退进行分支开采。研究区域采用钻探方式探测到空腔200多处，空腔最大垂高为13.5 m，埋深在40～60 m之间。研究区域地层第四系埋深约36 m，自上而下依次为腐殖土（黑灰色，松软，富含现代植物根须，含少量细砂）、砂质黏土（褐黄色，松软，具塑性，可搓条，搓条直径约3 mm，含少量细砂）、砂砾层（灰褐色，分选性差，砾石次圆状，砾径1～3 cm）。煤层的顶板为碎屑岩组，由砂砾岩、中粗砂岩、细砂岩、粉砂岩和泥岩组成。因此采空区上覆岩层主要为软岩。宝日希勒矿区以往填充治理方法示意图如图1。

图1 宝日希勒矿区以往填充治理方法示意图Fig.1 Schematic diagram of previous filling treatment methods in Baorixile Mining Area

宝日希勒矿区自2010年以来已开展5次采空区治理工程，采空区治理以往采取的方法为：装载机推料至注砂漏斗四周，人工将砂土通过漏斗送料至注砂孔中，而后通过自流水将砂土带入采空区中，利用水流的压力使砂土在小窑腔体内扩散开。

2 半自动填充治理技术

改进原则为：①有效提升注砂填充治理方法机械化程度，大大提升填充注砂治理速度；②降低治理成本，提高治理作业安全性。

2.1 成孔工艺

1）技术要求。①采用车载钻机进行钻孔，钻孔位置要与测量所定孔位一致，偏差不应超过0.5 m；②为了保证注砂速度，注砂孔的孔径不得小于230 mm；③为防止长时间成孔不注砂、局部孔腔弯曲及注砂过程中孔壁第四系松散层（埋深一般为0～36 m）坍塌及泥岩层（埋深一般为30～36 m）缩孔，对掉钻2 m及以上的勘查孔设置注砂钢管，注砂钢管管径168 mm，管长36 m，以确保第四系松散层的孔壁完整；④注砂孔应保证孔道通达至小窑，且孔的倾斜度不得超过3°。

2）浇铸孔口管。①每根注砂钢管对接口不可直接合缝点焊，钢管对接后至少采用3根钢筋外环对接焊。另外，钢管内壁平齐对口，错变量不应超过壁厚10%，且不应大于1 mm；②顶端钢管口标高基本与地表保持一致，不得高于地表20 cm以上或低于地表5 cm以下；③为防止钢管坠落，地表钢管口应绑定1根厚度不小于70 cm木板。

2.2 注浆设备研制

2.2.1 设计原理

1）砂岩以一定速度铲入注砂器后，形成倒椎体。当漏斗板的水平倾斜角大于砂岩的静态安息角时，砂岩会从下方滑出出料口。

2）在漏斗板2侧各设置1个高压注水口，注水口成扁喇叭状。水流冲刷漏斗板形成滑动面并与填充物料混合，以加速砂岩的注入速度。

2.2.2 常见填充物料静态安息角

本次填充物料按照因地制宜，就地取材的原则，采用露天采矿剥离土方的中砂岩、细砂岩、粉砂岩。松散条件下的安息角见表1。

表1 砂岩所含物料安息角Table 1 Repose angles of materials in sandstone

2.2.3 注砂设备设计参数

1）筛分器。筛分器设置为倾斜安置的筛分板，主要用于剔除大粒径块状岩石和减缓下料速度，防止造成孔内堵塞。当筛上大块较多时，由装载机使用铲斗进行扫除。筛板长度和宽度设计时稍大于转载机铲斗尺寸。本次主要设计参数见表2。注砂方法如图2。

图2 本次注砂方法示意图Fig.2 Schematic diagram of sand-fillingmethod

表2 筛分器主要设计参数一览表Table 2 Main design parameters of siever

2）下料口。注砂孔成孔孔径为230 mm，因此设计下料口为边长250 mm的正方形。

3）筛分板。表面粗糙度Ra设计为3.2～6.3μm，倾斜度为48°。

4）注浆压力。注浆压力是给予浆液扩散、充填、压实的能量，在保证注浆效果的前提下，注浆压力大，则有利于浆液的扩散，减少注浆孔数量，同时提高可灌性，经过计算，注浆压力理论值为0.79～1.68 MPa。根据理论计算结果结合以往施工经验，本次研究选用：注浆压力0.8～1.0 MPa，注浆结束阶段大于1.0 MPa。各孔具体参数在实际施工中略微调整。其注浆压力从理论上应为：

式中：p为注浆压力，MPa；rn为受注岩层的容量，治理采空区主要为褐煤层，取1.05～1.2；h0为注浆管的嵌入深度，空腔埋深为30～70 m；m为浆液通过裂隙或孔隙流动时的阻力，取0.4～0.5。

5）注浆周期T。考虑到作业场地狭窄，并为了降低安全风险，因此每个注砂器配备1台2.0转载机。2.0装载机注浆1个完整流程为：铲料、运料、投料、注浆、洗孔。铲斗满载方量为0.6 m3，当物料堆存在近处时，铲料、运料最少耗时50 s。投料时物料需通过筛分器，投料顺利过筛耗时至少13 s，过筛量约为0.5 m3。当注浆、洗孔在铲料、运料的间隔内完成时，此为理想注砂周期T（T＝63 s）。

2.3 注浆试验

2.3.1 试验材料和试验方法

试验材料采用砂岩（粉砂岩、细砂岩、中砂岩）、亚砂土和亚黏土等采剥固废为试验材料。

试验1以材料（粉砂岩（粒径0.004～0.06 mm）、细砂岩（粒径2～8 mm）、中砂岩（粒径8～32 mm）[17]、亚砂土、黏土）、配水量（按照水固比1∶5、1∶2、1∶1.4、1∶1.2、1∶1、1∶0.6、1∶0.5）为变量因素，进行正交试验。以周期T内的注砂量Q为考察指标，确定最佳填充材料、最佳配水量。

试验2在同一治理区块安排3组采用以往注砂方法、2组采用本次注砂方法进行治理作业，连续8 d记录以往注砂法和本次注砂法的每组日平均注砂量和治理成本，以检验治理方法的可靠性。

2.3.2 不同材料注入量Q分析

根据试验数据绘制了不同填充材料配水量与注入量Q试验结果关系图如图3。

图3 不同材料在周期T内注砂量与配水量试验结果图Fig.3 Experimental results of sand filling and water content of different materials in cycle T

由图3可知，周期T内完成相同的注入量Q，配水量由大到小依次为：黏土＞亚砂土＞细砂岩；相同配水量的条件下，注入速度由大到小依次为：细砂岩＞亚砂土＞黏土。因此，优先选择细砂岩作为宝日希勒露天煤矿采空区填充治理材料。

同时由曲线A可知，当配水量增加，注砂量先缓慢增加，当配水量达到0.25 m3（固液配合比0.5∶1），注砂量开始随着配水量增加显著提升，当固液配合比达到1∶1时，注砂量增加幅再次变缓，当配水量达到0.42 m3（固液配合比1∶1.2）时，注砂量达到顶峰，之后增加配水量，注砂量不再增加。因此，设计配水量范围应按照1∶1～1∶1.2考虑。

2.3.3 砂岩类注砂性能分析

不同配水量条件下，粉砂岩、细砂岩、中砂岩周期T内注砂量试验数据如图4。

图4 不同砂岩在周期T内注砂量与配水量试验结果图Fig.4 Experimental results of sand filling and water content of different sandstone materials in cycle T

由图4可知，3种不同粒径的砂岩均能达到最大注砂速度，相对材料优先选择顺序为：细砂岩＞中砂岩＞粉砂岩。粉砂岩性能较差主要原因是粉砂砾岩配水后，胶黏性比其它砂砾岩大，容易导致注砂器下料口淤堵。同时，现场施工发现灰黄色细砂岩注砂性能最强。

2.3.4 治理成本对照分析

以往与本次治理方法效果试验结果如图5，图中成本比指以往注砂法与本次注砂法的每方注砂量成本之比。由图5可知，本次每组平均注砂量为245.25 m3/d，以往注砂法平均注砂量为85.5 m3/d。因此，本次注砂法注砂速度相比以往注砂法提升了2.9倍，而成本下降了77%。

图5 传统注砂法与本次注砂法效果对照图Fig.5 Comparison of traditional sand-filing method and sand-filling methodusedinthispaper

3 结语

1）通过设计研发1套上覆软岩大埋深小窑采空区注浆填充治理方法，实现半自动化注浆，从而提高注砂效率并保障现场作业安全。

2）通过理论计算，按照注浆压力0.8～1.0 MPa、结束阶段注浆压力大于1.0 MPa实施注砂，现场使用效果良好。

3）通过注砂试验，砂砾岩相比黏土和亚砂土具有良好注浆效果，通过砂砾岩类注砂试验对比，细砂岩相比粉砂岩和中砂岩具有良好注砂效果，可优先选择细砂岩作为采空区填充治理材料；砂土材料液固配比在1∶1～1∶1.2区间内，注砂效率最高。

4）与宝日希勒露天煤矿以往填充治理方法相比，改进后注浆填充方法，注砂速度提升2.9倍，成本下降77%。

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