陽新縣礦山地質環境現狀及治理方法

韓朝

摘要：陽新煤礦經幾十年的開采，近幾年地表塌陷時有發生，說明該區地面塌陷地質災害有進一步發展趨勢，該區北部大量矸石堆放破壞土地資源、破壞自然景觀，沿矸石堆坡面有小的土溜、水土流失現象。通過對采空區地面填充壓漿治理，消除或減輕采空地面塌陷對居民生命財產的威脅。

關鍵詞：采空區；地面塌陷；治理方法

1、工程概況和地質環境現狀及特征

湖北省黃石市礦山地質環境治理工程項目（第一標段）七約山治理區位于陽新縣金海煤炭開發管理區。治理區中心地地理位置：東徑115°11′22.5″，北緯30°05′20″。行政區劃屬陽新縣管轄，區內有簡易公路，東距長江邊15公里，南行30公里與漢（武漢）九（九江）公路相接，距黃石市24公里，沿湖向西航行20公里至大冶市。水陸交通尚屬方便。

圖1 陽新縣七約山煤炭礦務局紅家咀-瓦咀井田礦區交通位置圖

1.1. 地形地貌

七約山礦區地形起伏大，大體上地勢是南高北低，東高西低，從東南向西北傾斜，然后慢慢向湖區過渡，高程在50～282米之間，最高點為干魚山。標高282.8米，東部、北部和西部大部份高程為10～20米，屬湖底平坦低地區）。礦區內除西、南和東部有部份基巖出露外，絕大部分為第四系松散層所覆蓋，屬剝蝕—堆積丘陵地貌。

1.3. 水文地質條件

東湖群砂礫巖與大冶灰巖第四段以上，其間無隔水層。大冶群灰巖段和茅口灰巖含水層之間有比較厚而穩定的大冶灰巖第三段和第一段隔水層相隔，而斷層導水性差，水位相差懸殊，故水力聯系不大，長興灰巖與茅口灰巖之間有龍潭煤組隔水層相隔，二者無水力聯系。暴雨期間位于大冶湖地表水位以下，故有可能湖水補給地下水，但這些年來，原七約山礦務局和現在金海煤炭開發管理區，在下塞湖進行了圍堤造田，使出露地層不被水淹。總之，區內水文地質條件較復雜。

1.4. 工程地質條件

區內下覆基巖為三疊系下統大冶群第一～第四巖性段薄層灰巖、茅口組灰巖、龍潭組灰巖，屬軟弱～較堅硬弱巖溶化碳酸鹽巖類工程地質巖組。

第四系殘坡積粘土、粉質粘土、粘土夾碎石廣泛分布，屬松散巖類工程地質巖組。

2、施工方法

2.1 采空區治理設計

2.1.1 采空區治理方案選擇的原則

采空區的治理設計是在采空區勘查基礎上，經過對采空區覆巖穩定性的分析和評價后，針對采空區的特征、水文地質及工程地質條件、工程類型及其重要程度等，對采空區的治理方法進行篩選，選用最佳治理方案。在選擇采空區治理方法時，一般應遵守的原則：

（1）根據“輕重緩急”的原則，在資金有限的前提下，對威脅村莊居民生命財產安全的采空區進行先期治理，確保或減輕采空地面塌陷對居民生命財產的威脅。

（2）在技術上可行、經濟上合理，又能滿足進度的要求。

（3）根據采空區的地基條件、村莊條件及施工條件等進行選擇。

2.1.2 采空區治理方案

本項目區的采空區分布地段地形相對較平緩，交通條件較好；分布的采空區主要為二疊系龍潭組煤一層采空區，根據穩定性分析，-50m以上采空區處于不穩定狀態，煤層平均傾角為20°左右，局部為10～15°，產狀相對較平緩，不適宜于非注漿法，采用全充填壓力注漿法治理技術上可行，經濟上也比較合理。因此本次采空區治理設計方案為地面充填注漿。保護對象是瓦咀灣、新屋灣、小塔時等三個自然村居民集中地的人民生命財產。

2. 2 充填注漿方法

由于七約山礦區早上八九年代亂采亂挖現象十分嚴重，區內采空區中空洞的充填情況難以確定，因此采空區充填注漿時，應將采空區待充填空洞分為全充填、半充填和未充填三種情況區別對待。在鉆孔鉆進過程中，應盡可能查明采空區空洞的充填狀況，做到充填注漿時有的放矢。

2.2.3 充填注漿配比與終壓標準

（1）注漿材料的選擇

注漿材料的選擇應因地制宜，盡可能節約成本。采空區充填注漿材料采用普硅32.5MPa級水泥、尾砂（或粘土），尾砂（或粘土）的顆粒級配應與水泥的顆粒級配相類似且最大顆粒粒徑<2.5mm；裂隙充填注漿材料采用單液水泥漿；為控制漿液的擴散范圍及防止注漿時邊坡一側或地表冒漿，可加入一定比例的水玻璃作為速凝劑，水玻璃模數2.4～3.0，濃度30～45波美度。

（2）漿液配比

水泥與粉煤灰（尾砂）的重量比為1：3～1：5，水泥粉煤灰漿液應用于采空區充填注漿。

單液水泥漿的水灰比分為為1：1、0.8：1、0.6：1三級，單液水泥漿應用于水泥尾砂充填采空區后對采空區裂隙充填注漿、以及注漿結束前注漿。

水玻璃的用量為水泥重量的3～5%，水玻璃加入漿液中，目的是防止冒漿或在采空區鉆孔底部充填注漿時控制漿液的擴散范圍。

（3）注漿終壓標準

采空區充填注漿，在注漿末期，泵壓逐漸升高，當注漿壓力大于1.0MPa，泵量小于1L/min，且穩定15～30min，作為最終注漿結束標準。

灰巖裂隙中充填注漿，當注漿壓力達到3～5MPa，泵量小于1L/min，且穩定30min以上，作為最終注漿結束標準。

第四系覆蓋層壓密、劈裂注漿，當壓力達到0.2～0.5MPa，泵量小于1L/min，或地表出現大面積冒漿時，可作為最終注漿結束標準。

3. 重點（關鍵）和難點工程的施工方案、方法及其措施

3.1.成孔工藝

鉆進初始階段，各采空區治理區域內分別布設1～2個取芯鉆孔，對地層情況進行勘測和驗證，確定和指示周邊鉆孔的鉆進層位，其余鉆孔可參照取芯鉆孔的鉆進情況實施不取芯鉆進。

成孔工藝簡述如下：

①用Φ130mm鉆頭開孔，鉆進至強風化基巖面下5m后，然后變徑Φ89mm。

②用Φ89mm鉆頭，鉆進至采空區中的塌陷冒落或煤層底板0.3～0.5m終孔。

③鉆孔經鉆探技術員及現場監理驗收同意后，澆鑄注漿管。

3.2. 制漿工藝

漿液材料及配合比：

注漿材料

本設計文件中所規定的注漿材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝劑組成，參照《混凝土拌合用水標準》（JTJ-89），其SO4-2含量<1.0%，PH>5；水泥采用質量符合國家標準的標號為P·O 32.5的普通硅酸鹽水泥；粉煤灰質量等級為二級～三級，SIO2、AL2O3和Fe2O3的總含量大于70%，SO3含量不大于3%，其它方面應符合注漿工程的要求；速凝劑可選用水玻璃，水玻璃模數2.4～3.0，濃度30?Be～40?Be；砂、碎石就近取材。

漿液配合比

參照以往采空區治理工程的經驗和當地材料供應情況，通過配比試驗，漿液為水泥粉煤灰漿，水固比一般取為1：1.0～1：1.4，本次以1：1.0為主，漿液稠稀隨注漿情況進行調整。水泥占固相30%，粉煤灰占固相70%。帷幕孔的漿液中摻加水泥重量2～5%速凝劑，使灌入采空區內的漿液盡快凝固，以形成帷幕，防止漿液流失。

3.3. 注漿材料的配制

漿液配制應按設計配合比進行，并隨機抽查漿液的各項指標。

原材料：

水用水表或定量容器計量；水泥按袋計量；粉煤灰用容器計量，并要求用磅稱抽查水泥、粉煤灰的數量；

漿液拌制過程如圖2所示：

清水→速凝劑→一級攪拌→二級攪拌→二級攪拌→注漿泵→ 鉆孔→注漿。

攪拌過程

配制漿液時，水泥與粉煤灰準確計量后混入一級攪拌池中攪拌，然后經過濾網注入二級攪拌池攪拌。每次攪拌時間不得低于10分鐘，待漿液攪拌均勻后，通過注漿泵注入灌漿孔。

3.4.注漿工藝

注漿系統配置

3.4.1.注漿系統構成

注漿系統由：料場、一級攪拌池（機）、二級攪拌池（機）、供水系統、注漿泵、注漿管道、封孔裝置等組成。

3.4.2.注漿系統技術要求

①料場：堆放材料的料場場地要平整，運料車輛能正常通行，且緊鄰攪拌機，使材料便于運輸、搬運；要求設有防潮、防雨措施。

②攪拌機：要求能滿足正常施工要求，攪拌后的漿液應均勻，符合設計要求，一次攪拌量應≥1.5m3。

③攪拌池：修建的攪拌池應滿足正常施工要求，池為圓柱體，中間設置攪拌系統，使得攪拌后的漿液均勻，符合要求，一次攪拌量應≥1.5m3。

④蓄水池：制漿站應根據施工注漿總量需要，建立數個蓄水池，以保證正常施工，蓄水池建筑規模及要求視工地具體情況而定。

⑤注漿泵：宜采用變量泵，其額定排漿量不小于200L/min，注漿泵壓力應大于注漿最大設計壓力的1.5倍。

⑥壓力表：注漿孔壓力表最大指數應大于1.0MPa。帷幕孔壓力表最大指數應大于2.0MPa。

⑦封孔裝置：注漿孔采用Φ50mm鋼管，在管前端20～30cm處焊接一圓形法蘭托盤（托盤直徑Φ120～125mm之間），下入孔內變徑處。封孔位置在基巖內5～10m處。

⑧注漿管：采用Φ50mm鋼管，絲扣連接。

3.4.3. 注漿工藝及其有關參數

施工順序：先施工帷幕孔，再施工注漿孔，注漿分二序次進行。

注漿

在注漿施工的開始階段，注意搜集整理各地段各種配比漿液的灌注充填情況，獲取更為合理的注漿施工參數。

注漿設備宜采用灰漿泵。當地下采空區空隙較小時，可采用水灰比1：0.8～1：1.0的水泥粉煤灰漿，水泥為固體總重的30%，粉煤灰為固體總重的70%。

單孔注漿孔結束標準

在注漿孔的注漿末期，泵壓逐漸升高，當泵量小于70L/min時，孔口管壓力在1.0MPa以上穩定10～15分鐘后，或注漿孔周圍有冒漿等現象出現時，可報監理工程師同意后結束該孔的注漿施工。

4. 結語：

通過采取上述一系列地面填充注漿、整形碾壓等治理措施，有效地遏制了地面塌陷涌水等地質災害，改善了礦區自然生態環境和旅游環境，有效地預防當地環境塌陷、泥石流等自然災害的發生，使地質環境達到穩定，生態得到恢復、景觀得到美化。項目實施完畢后，治理區內受損山體將重披“綠裝”，地質、生態環境將大大改善，礦區道路、房屋達到穩定狀態，使本地村民恢復了正常生產生活，造福一方人民。

參考文獻：

[1]萬繼濤，等，棗莊市礦山環境地質問題及恢復治理〔J〕，地質災害與環境保護，2004