注浆加固技术在小煤窑破坏区的实践应用

王哲豪

(西山煤电集团有限责任公司, 山西 太原 030053)

1 工程概况

西山煤电集团西曲矿随着矿井的开拓延伸,南五、南六、南七、南八盘区的开发,通风路线的延长,依靠现有的设施很难满足上述盘区下组煤开采时的通风需要。因此,拟新建风井解决通风问题。根据相关勘察及地质灾害危险性评估报告可知,拟建风井场地下存在小煤窑破坏区。结合回风立井先导孔的钻进,在地表以下50～80 m存在不同程度的空洞,据现场了解有掉钻情况,综合判断为(2+3)号煤层和4号煤层小窑采空区,为保障地表建筑物和新建进、回风立井井筒的安全使用,必须对该矿麻子塔风井场地小煤窑破坏区进行治理。

2 小煤窑破坏区治理方案设计

2.1 治理思路

影响麻子塔风井场地稳定性的主要因素是房柱式采空区场地受多源活化因素的影响,可能出现“抽冒性”地面塌陷情况,影响场地拟建建筑物的安全。针对该问题,设计对建设场地进行全灌注充填法地基处理,即在地面按一定间距施工钻孔并钻至采空底板,将具有特定性质的材料(一般为水泥、砂、石子等)配制成浆液,通过地面钻孔设置注浆管,以一定压力注入采空区及地基岩土体内裂隙使其渗透、充填,经胶凝、固化后充填,实现对采空区加固治理的目的[1].

2.2 治理方案

针对拟建回风立井场地及采空区特征情况提出采空区治理方案:

治理场地采空区属于小窑采空区,分布具有随机性、无序性,为了防止部分未治理采空区对拟建场地稳定性造成影响,治理范围为以回风立井为中心40.0 m直径范围内。

治理深度内共两层采空区,需治理采空区为(2+3)号煤采空区与4号煤层采空区,采空区间距约20 m,勘察过程在两层采空区中均局部出现掉钻情况,推测顶板完整性较好,采空区空洞较多,并且部分区域二者未冒落贯通,需分别治理。

采空区注浆设计采用全灌注充填法,具体治理工法根据注浆钻孔的揭露情况进行调整:1) 采空区注浆钻孔钻进至(2+3)号煤层底板,若揭露为(2+3)号煤层采空区时,应先对(2+3)号煤层采空区进行注浆充填治理,待浆液初凝后,开展4号煤层采空区注浆钻孔的施工,先在原钻孔的基础上扫孔至(2+3)号煤层底板,继续钻进直至4号煤层底板,进行4号煤层采空区的治理。2) 采空区注浆钻孔钻进至(2+3)号煤层底板,若揭露为(2+3)号煤层实体煤时,应继续钻进至4号煤层底板,进行4号煤层采空区的治理。

根据小窑采空区治理工程经验,一般情况下小窑采空区形成空洞体积较小,开采长度3～5 m,煤柱留设5～8 m. 若地下采空区连通性较差,注浆孔间距过大易导致部分注浆孔跨越采空区,遗漏重要建设区域采空区的治理。若未治理采空区在活化因素的影响下出现活化,导致风井井筒在掘进过程中,因采空区垮塌造成对井筒侧壁的侧向压力引发安全事故,会对拟建风井场地的建设及运营造成影响[1-2]. 因此,应对井筒周围及采空区影响范围内适当加密采空区注浆钻孔的布设,提高采空区的探查率,使得地下空洞得到较好的充填效果。

3 小煤窑破坏区治理方案的实施

3.1 采空区注浆钻孔施工方案

3.1.1 注浆钻孔工程量及施工组织

钻孔总数设计为30个,总进尺2 400 m,取芯孔2个,非取芯孔28个,成孔控制工期10天。

注浆孔平面布置近似三角形,注浆孔深度:地面至采空区底板以下1.0 m;注浆长度:采空区最上部完整岩层顶面以下5 m至采空区底板;孔口管长度:地表以上0.50 m至采空区最上部完整岩层顶面以下5 m.

钻孔基本结构设计为150 mm孔径钻头开孔,穿透30 m覆盖层入岩6 m或钻入中等风化基岩的深度不小于2.5 m,下φ133 mm套管护壁后变径,终孔孔径为108 mm,钻进至80 m采空区煤层底板1.0 m后终孔。套管露出地面高度为700 mm,与地面固定装置焊接固定。注浆孔的施工顺序需与注浆施工顺序相适应,应先施工帷幕孔,再中间孔。

注浆顺序从井筒开始:先完成回风井15 m半径钻孔注浆(6个);施工回风井7.5 m半径钻孔注浆(3个);完成回风井11 m半径钻孔注浆(6个);施工进风井15 m半径钻孔注浆(6个);施工进风井7.5 m半径钻孔注浆(3个);施工进风井11 m半径钻孔注浆(6个)。

3.1.2 注浆孔施工方法

1) 标定钻孔孔位。场地平整后、钻机就位前,用GPS全球定位系统准确确定钻孔具体孔位,如地形复杂,调整个别钻孔孔位时应准确核实。

2) 成孔。采用分序施工。先施工帷幕孔,依次施工一般注浆孔、回转钻进施工工艺,并在成孔完成后及时做好成品保护。注浆孔施工工艺见图1.

图1 注浆钻孔施工工艺框图

3.1.3 注浆孔施工质量指标

孔位偏差小于1.5 m;孔深在采空区煤层底板下1.0 m;钻孔偏斜率小于2°/100 m.

3.2 采空区注浆施工方案

3.2.1 注浆工程量及施工组织

该工程设计注浆孔30个,注浆总体积6 884 m3. 注浆浆液为水泥粉煤灰浆,其水固比为1∶1.25,固相比水泥∶粉煤灰为3∶7. 浆液中掺加水泥重量5%的速凝剂(水玻璃)。

注浆液用水泥为符合国家标准的32.5普通硅酸盐水泥,粉煤灰指标应符合国家III级标准,速凝剂为水玻璃,水应符合《混凝土拌合用水标准》。依设计要求采用先施工帷幕孔、后施工一般注浆孔,控制工期20天。

3.2.2 注浆施工方法

1) 注浆材料的制备。

现场提供水源,要求水的pH值不小于4.0. 采用32.5 MPa的普通硅酸盐水泥,其质量符合国标要求。粉煤灰主要指标应满足三级粉煤灰标准。原材料检验合格方可进场。

2) 制浆工艺及检测。

注浆施工工艺见图2,图3.

图2 注浆站水泥粉煤灰制浆池平面示意图

图3 水泥粉煤灰制浆池剖面示意图

3) 注浆施工。

a) 注浆前应向孔内压水5 min.

b) 施工顺序为先边缘注浆孔,后中间注浆孔。边缘注浆孔和中间注浆孔均采用隔空二序次法施工。由于采空地层近水平,施工时应先外后内施工。

c) 边缘注浆孔采用间歇式定量注浆方式,第一序次注浆孔其单孔注浆量为设计单孔注浆量的1.3～1.5倍,第二序次注浆孔其单孔注浆量为设计单孔注浆量的0.7～1.0倍。

d) 中间注浆孔的第一序次注浆孔采用间歇式定量注浆方式,其单孔注浆量为设计单孔注浆量的1.3倍,并在注浆过程中按设计单孔注浆量的0.5、0.75倍进行间歇,当完成注浆量后结束注浆。第二序次注浆孔,采用定压注浆方式,满足停注标准后方可停止注浆。

e) 采用间歇注浆,间歇时间不小于12 h,每次注浆后及间歇前,应进行适当压水,以保证注浆管的畅通。

4 注浆加固效果分析

4.1 钻探检测结果及分析

注浆加固工程结束3个月后,布置施工4个钻探检测孔,检测结果如下:

1) 采用回转钻进、全孔取芯钻探工艺,每回次岩心采取率对于完整、较完整岩石在80.0%～93.5%,岩石质量指标RQD在35%～65%. 场地强-中等风化页岩总体上较破碎-较完整,风化程度为强-中等风化。

2) 施工的4个钻探检测孔注浆段均可见短柱状、碎块状注浆结石体充填,采空区冒落段浆液结石体明显,孔壁完整,无明显裂隙,浆液对孔隙和裂缝的充填胶结效果理想。

3) 施工的4个钻探检测钻孔,钻进过程进尺平稳,正常返浆,无掉钻、循环液漏失、孔口吹吸风等钻探异常现象。

钻探结果:所取浆液结石体呈短柱状、碎块状,这显示(2+3)号煤层和4号煤层采空区、冒落裂隙带、空洞已被注浆浆液实体充填,不存在未被充填的空洞及较大的空隙,注浆加固效果理想。

4.2 波速测试结果及分析

对4个检测钻进行波速测试,检测段为检测孔注浆段范围,测试点距 0.5～1.0 m. 根据波速测试数据统计分析,采空区注浆段波速值在582.5～675.8 m/s,横波波速均大于300 m/s. 采空区未被充填情况下横波波速一般小于300 m/s,注浆充填后横波速度变大,横波速度愈大,说明充填物的强度愈高。从采空区注浆段波速值数值可推测,采空区、冒落裂隙带、空洞已被注浆浆液凝固成的水泥结石体充填密实,充填效果较好。

4.3 钻孔成像结果及分析

采用钻孔成像技术,对基岩全段连续钻孔成像,直接观察孔壁岩性、结石体和岩体完整程度、裂隙分布、空洞比率等。结果表明:孔壁无明显的未充填大裂隙、空洞,裂隙充填率大于95%.

4.4 压浆验证结果及分析

对钻探取芯孔进行压浆试验。通过单孔的验证压浆量判断其注浆效果,确定检测孔中有无未被充填的空洞,间接检测注浆的充填率。验证注浆量小于该区平均注浆量的 5%～10%. 压浆浆液配比、终孔条件等工艺参数与注浆施工相同。结果表明:压浆试验的灌注量与平均单孔注浆量之比小于 0.1,其充填率达到90%以上。

5 结 论

对西曲矿麻子塔风井场地下存在小煤窑破坏区进行了注浆加固处理。治理结果表明:采空区、冒落裂隙带、空洞已被注浆浆液凝固成的水泥结石体充填密实,充填效果较好,注浆治理质量也达到了采空区治理要求。