四老溝礦工業(yè)廣場(chǎng)下覆采空區(qū)充填治理技術(shù)應(yīng)用研究

程錦鋒

0 引言

同煤集團(tuán)四老溝礦井田面積29.83 km2，主要開(kāi)采侏羅紀(jì)煤層。經(jīng)過(guò)50多年的開(kāi)采，侏羅紀(jì)資源儲(chǔ)量已接近枯竭，考慮到礦井的可持續(xù)發(fā)展，需要向下延深開(kāi)采石炭二疊紀(jì)煤層。為能夠順利進(jìn)行延伸開(kāi)采，礦井計(jì)劃在南羊路工業(yè)廣場(chǎng)場(chǎng)地內(nèi)新建副立井、回風(fēng)立井和副井井架、絞車房、通風(fēng)機(jī)房、變電所、制氮車間、龍門吊等新建配套建（構(gòu)）筑物。根據(jù)收集的該區(qū)域地質(zhì)資料及調(diào)查周邊礦井情況，并采用物探手段和鉆探驗(yàn)證的方法對(duì)采空區(qū)分布情況進(jìn)行了勘查，結(jié)果表明新建建（構(gòu)）筑物下覆保護(hù)煤柱外圍存在被盜采的情況，需要對(duì)新工業(yè)廣場(chǎng)下覆采空區(qū)地基穩(wěn)定性和危險(xiǎn)性進(jìn)行科學(xué)分析，確定治理區(qū)域和治理方案，從而消除采空區(qū)的安全隱患[1-4]。

1 工業(yè)廣場(chǎng)下煤層賦存概況

工業(yè)廣場(chǎng)賦存有侏羅系和石炭二疊系兩套含煤建造。侏羅系大同組為上部含煤建造，二疊系山西組和石炭系太原組為下部含煤建造。侏羅系大同組共含16 煤層，主要煤層依次為2、3、4、7、8、9、11、12、14-2、14-3號(hào)煤層，侏羅系大同組煤層特征見(jiàn)表1。根據(jù)工業(yè)廣場(chǎng)和煤層井上下對(duì)照?qǐng)D，2#煤層開(kāi)采于1978年-1983年，3#煤層開(kāi)采于1981年～1988年，4#煤層開(kāi)采于1984年～1993年，開(kāi)采方式為綜采和刀柱式回煤。

表1 侏羅系大同組煤層特征表

2 采空區(qū)地基危險(xiǎn)性評(píng)估

2.1 煤柱穩(wěn)定性分析

威爾遜（Wilson）認(rèn)為上覆巖層的重量并非完全由煤柱承擔(dān)，冒落在采空區(qū)的巖石同樣也承擔(dān)一部分上覆巖層的重量。采空區(qū)承擔(dān)的荷載量與采空區(qū)內(nèi)各點(diǎn)頂板閉合量有關(guān)，即采空區(qū)垂直應(yīng)力與距煤壁的距離成正比。通過(guò)Wilson導(dǎo)出的煤柱安全系數(shù)K如果大于1，則認(rèn)為場(chǎng)區(qū)內(nèi)遺留的煤柱是穩(wěn)定的，如果K小于1，則認(rèn)為遺留煤柱是不穩(wěn)定的，以2#煤層8205 面（1979年）為例，根據(jù)采掘平面布置圖得出留設(shè)煤柱寬度a取13 m，采寬b為110 m，計(jì)算安全系數(shù)K=0.3<1，可知2#層遺留的煤柱是不穩(wěn)定的，不足以支撐上覆巖層重量。

2.2 建筑物荷載影響深度

工業(yè)廣場(chǎng)上有些建（構(gòu)）筑物的荷載一般都很大，這些建（構(gòu)）筑物在地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力的擾動(dòng)深度可達(dá)數(shù)十米深度，對(duì)采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，引起采空區(qū)周圍巖體產(chǎn)生新的移動(dòng)變形，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致建（構(gòu)）筑物的破壞，影響到建（構(gòu)）筑物的安全。

根據(jù)建筑物設(shè)計(jì)以及礦井建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，利用均布荷載作用下地基附加應(yīng)力的計(jì)算方法，南羊路副立井井架、井口房和空氣加熱室的最大影響深度為47 m；南羊路副立井絞車房的最大影響深度為30 m；水泵房的最大影響深度為20 m；35 kV 變電站的最大影響深度為27 m，露天龍門吊的最大影響深度為42 m；膠輪倉(cāng)庫(kù)的最大影響深度為28 m；機(jī)修車間的最大影響深度為27 m，制氮車間的最大影響深度為25 m、通風(fēng)機(jī)房的最大影響深度為27 m。

綜上分析，南羊路工業(yè)廣場(chǎng)擬建建（構(gòu)）筑物對(duì)地基的最小影響深度為20 m，最大影響深度為47 m。

2.3 采空區(qū)上覆巖層破壞高度

在煤層開(kāi)采前，地下巖體處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，但當(dāng)煤層被開(kāi)采后，上覆巖層的原始狀態(tài)遭到破壞，開(kāi)采后圍巖產(chǎn)生垮落，，此時(shí)上覆巖層發(fā)生破碎后會(huì)發(fā)生碎漲，體積會(huì)增大而占據(jù)部分煤層開(kāi)采空間，在上覆荷載作用下垮落巖石被壓密，從而產(chǎn)生了地表下沉，以2#煤層為例計(jì)算了三帶的分布。

表2 2#煤層采空區(qū)垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算

由上表可以看出，2#煤層采空區(qū)垮落帶高度低值為8.9 m，高值為13.9 m，導(dǎo)水裂隙帶高度低值為40.3 m，高值為58.1 m，并且根據(jù)鉆探勘查結(jié)果，結(jié)合四老溝礦相鄰煤礦采空區(qū)注漿治理類似工程，鉆孔在地表以下20 m～40 m 時(shí)泥漿大量漏失等情況，說(shuō)明在該巖層條件下采空區(qū)裂隙帶實(shí)際發(fā)育高度大于計(jì)算高度，取裂隙帶高度為110 m。

3 采空區(qū)治理方法及治理范圍

3.1 采空區(qū)方法的選擇

四老溝采空區(qū)已進(jìn)入過(guò)渡性劇烈沉降期或突發(fā)沉降期或者采空區(qū)已經(jīng)冒落，并且開(kāi)采煤層后，其上覆巖層即遭受破壞，采空區(qū)洞內(nèi)無(wú)安全保障，不具備人工作業(yè)條件，所以采空區(qū)深度和縱向空間都決定了地面注漿充填法的方案。在山西大同地區(qū)，注漿充填多采用水泥粉煤灰漿液，必要時(shí)配合骨料。故治理方法采用地面注漿充填法。

3.2 采空區(qū)充填范圍的確定

工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)煤柱的范圍就是擬建場(chǎng)地采空區(qū)治理的范圍，保護(hù)煤柱用移動(dòng)角法設(shè)計(jì)。根據(jù)工業(yè)廣場(chǎng)上的建（構(gòu)）筑物的位置、類別，治理范圍的計(jì)算大致分為兩類，由于部分治理范圍位于南羊路工業(yè)廣場(chǎng)保安煤柱內(nèi)，對(duì)該范圍內(nèi)采空區(qū)沒(méi)有進(jìn)行勘查，未知采空區(qū)具體范圍，該區(qū)域暫按無(wú)采空區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)，治理范圍與采空區(qū)重合部分即為治理區(qū)域，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 采空區(qū)治理范圍分類

4 注漿方案

地面注漿充填法是通過(guò)地面打孔，利用注漿泵、注漿管路，將具有充填、膠結(jié)性能的漿液材料注入采空區(qū)空間或采空區(qū)的垮落帶、裂隙帶，漿液膠結(jié)固化后形成的漿液結(jié)石體對(duì)上覆巖層形成支撐作用或降低其滲透性，確保地面及地面上的建（構(gòu)筑）物不受到破壞。

由于地面其它工程施工工程中發(fā)現(xiàn)，地表存在不連續(xù)裂縫，深度有深有淺，但不超過(guò)地表以下50 m，該層位位于建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)荷載影響深度范圍內(nèi)，為基礎(chǔ)持力層，也需考慮進(jìn)行注漿充填，可根據(jù)鉆孔施工過(guò)程中鉆井液是否漏失判斷裂縫是否存在。如鉆井液漏失，則鉆孔施工至50 m時(shí)進(jìn)行注漿充填。

4.1 鉆孔布設(shè)及工程量計(jì)算

采空區(qū)注漿孔的布置需參照采空區(qū)治理范圍的分類進(jìn)而調(diào)整排間距、孔間距，并且結(jié)合各類治理范圍的目的煤層推算出各個(gè)區(qū)域的鉆孔數(shù)量及鉆孔工程量。一類治理區(qū)域鉆孔排間距、孔間距取20 m；二類治理區(qū)域鉆孔排間據(jù)、孔間距取25 m，以二類治理區(qū)為例，布置原則見(jiàn)圖1，根據(jù)現(xiàn)有場(chǎng)地條件進(jìn)行布孔優(yōu)化，考慮現(xiàn)有建筑物的影響等因素，共設(shè)計(jì)鉆孔129個(gè)。

圖1 二類治理區(qū)鉆孔布置示意

鉆孔孔深按超過(guò)2#煤層底板2 m 考慮，根據(jù)各處采空區(qū)埋深分別計(jì)算。暫按平均埋深156.5 m計(jì)算，工程量為：156.5×129=20 188.5 m，其中單孔固管平均深度為20 m，合計(jì)固管深度為129×20=2 580 m，詳見(jiàn)表4所示。

表4 采空區(qū)充填鉆孔工程量

鉆孔要采用“分區(qū)域、分序次”的原則進(jìn)行施工，前序鉆孔對(duì)下部采空區(qū)可以起到補(bǔ)勘的作用，根據(jù)實(shí)際地層及采空區(qū)情況對(duì)后序鉆孔的孔位、孔距、孔數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以彌補(bǔ)均勻布孔的不足。

4.2 注漿工程量計(jì)算

本設(shè)計(jì)采空區(qū)治理的注漿量是按照采空區(qū)剩余空洞體積進(jìn)行預(yù)測(cè)估算。注漿過(guò)程中，漿液向采空區(qū)上覆地層、裂隙的滲透損失，在采空區(qū)剩余空洞體積的基礎(chǔ)上，考慮5%～10%漿液損失，本設(shè)計(jì)漿液損耗系數(shù)A取1.05。注漿量采用下述公式進(jìn)行計(jì)算。

式中:Q—采空區(qū)注漿量（m3）；

A—漿液損耗系數(shù)，取1.05；

V—采空區(qū)剩余空洞體積（m3）；

η—注漿充填率。根據(jù)采空區(qū)治理范圍分區(qū)及建（構(gòu)）物保護(hù)級(jí)別取值，一類治理區(qū)綜合取值0.8，二類治理區(qū)綜合取值0.7；

c—漿液結(jié)石率，0.85。

對(duì)于地表裂縫，考慮50%鉆孔需要充填，每個(gè)鉆孔注漿量為50 m3，則鉆孔注漿量為：

4.3 漿液配比設(shè)計(jì)及材料用量

注漿漿液主要為水泥粉煤灰漿，由水泥、粉煤灰、水等主要注漿材料組成，漿液配比取1:1.1。水泥、粉煤灰固相比為4:6和3:7。

表5 漿液配比

4.4 效果分析

經(jīng)過(guò)注漿治理后，采空區(qū)空洞和裂隙得到較好充填，超聲波傳播速度增加，在注漿后采用跨孔法對(duì)24個(gè)鉆孔波速進(jìn)行綜合測(cè)井，檢驗(yàn)深度均在180 m～256 m，符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求“鉆孔中注漿處理段的平均剪切波速（橫波）＞350 m/s”。

5 結(jié)論

四老溝礦對(duì)工業(yè)廣場(chǎng)地基危險(xiǎn)性的科學(xué)評(píng)估，施工129 個(gè)注漿鉆孔，配制水泥、粉煤灰、水混合漿液材料43 659 m3對(duì)工業(yè)廣場(chǎng)下覆采空區(qū)進(jìn)行充填治理，并利用超聲波對(duì)治理效果進(jìn)行檢驗(yàn)，治理效果符合設(shè)計(jì)規(guī)范。