注漿法在煤礦采空區治理工程中的應用

施發劍 劉廷 陳海軍

（中煤科工集團南京設計研究院有限公司 南京 210031）

0 引言

山西某煤礦煤田賦存于晚古生代石炭紀含煤地層，經過多年煤礦開采，場地大部分位于采空區范圍。采空區的存在易引發多種地質災害問題，場地采空區曾出現過地面塌陷，均采用充填方式簡單處理，未能采取有效措施根治采空塌陷問題，以致少數地方出現過二次塌陷。擬建聯合建筑場地采空區主要變形為地表塌陷，屬于不穩定場地，需進行加固治理。

1 場地采空區地質概況

擬建聯合建筑下伏石炭紀5#煤層采空區，該煤層為單斜構造。一般采掘工藝落后，頂板管理難度較大，因此回采率約25%左右，房柱留設不規則，隨意性較大。煤層頂板覆巖主要為極軟巖，地表易形成漏斗狀塌陷坑。根據勘察資料，擬建建筑物局部（西側）位于采空區范圍，采空區治理應結合建筑物地基處理綜合考慮。由于采空區為全充填或半充填狀態，這種地質條件下樁基架越等方式難以達到處理效果，因而建議采用注漿法進行采空區治理。

2 采空區治理設計

2.1 采空區注漿治理方法

治理包括對采空區空洞充填及臨界深度內冒落帶巖層裂隙的充填。針對采空區現狀特點，治理的重點應有所不同。采空區若大部分塌落，即用水泥、粉煤灰漿液充填加固；若大部分尚未塌落，則以充填為主，加固為輔，即采用石屑或粗砂充填、粉煤灰與水泥漿液充填加固。

2.2 鉆孔布設

根據前期地質勘察結果，進行注漿鉆孔布設，本次治理鉆孔布置主要位于建筑物西側及其周圍，總共設計注漿鉆孔63個，如圖1所示。

2.3 注漿設計

采空區鉆孔注漿所用材料主要為水泥粉煤灰漿液，注漿總量計算如下：

注漿總量 Q總=A·S·m·K·Δv·η/Ccosα

其中：A——注漿總量消耗系數；

S——采空區治理面積；

m——開采煤層法向厚度（m）；

K——煤層回采率取；

Δv——采空區剩余空隙率；

η——注漿充填系數；

C——漿液結石率；

α——煤層傾角。

本次漿液水固比為1：1，水泥與粉煤灰固相比3：7，帷幕孔中添加水泥質量3%的速凝劑。

3 采空區施工方法

3.1 鉆孔

注漿鉆孔開孔直徑通常為130～150mm，終孔直徑不小于89mm。聯合建筑為單層采空區采用全孔一次性灌注，通常灌注采用似法蘭盤法進行止漿，注漿澆筑后凝固時間大于48h。灌注孔之間應控制好間距防止串漿。本次取芯孔數量為3個（鉆孔18、33、52）。

3.2 施工順序

該場地根據采空區分布情況和前期勘察資料，本次注漿先進行帷幕鉆孔施工，再進行注漿孔施工。在聯合建筑西側共布置兩排帷幕孔，先對內側帷幕孔進行施工，見圖1，再施工內側帷幕所包圍的注漿孔（由28、29等鉆孔組成），最后對外側帷幕孔和注漿孔施工。同類別的注漿孔按聯合建筑采空區的傾斜方向，按照采空區底板標高由低向高展開施工。本場地5#煤層底板標高由東1534m向西逐漸降低為1523m，注漿鉆孔應按次序間隔灌注，對即將施工的鉆孔位置、距離、數量及孔深進行適當調整。

圖1 注漿鉆孔布設

3.3 注漿

采空區注漿時漿液濃度通常先稀后稠，現場施工中視灌注情況及時進行注漿量及濃度調整。聯合建筑在注漿過程中地表若出現漿液從裂隙中滲出情況，可減小注漿量或間歇式注漿等方法達到有效阻止漿液流出現象。

鉆孔注漿結束可依據終孔壓力等條件進行判斷，一般終孔時注漿壓力在1～1.5MPa之間。當達到注漿壓力后，單位注漿量通常小于50L/min且穩定在15min以上可作為注漿結束依據。

4 注漿治理檢測

4.1 鉆探檢測

采空區治理工程結束3個月后，進行工程質量檢驗工作。檢查鉆孔采取率不小于90%，充填結石體應著重觀察其完整性、堅硬程度等。同時檢查鉆孔施工中是否出現循環液漏失、掉鉆等異常現象。結石體抗壓強度不小于2MPa。本次檢查孔數為3個，主要為鉆孔19、37、45。

4.2 物探檢測

采空區治理后在檢查孔內采用波速檢測的方法檢測注漿孔質量。主要以場地采空區注漿層的平均剪切波速來衡量采空區注漿質量指標，橫波波速不小于300m/s。

5 采空區治理效果

通過注漿法對擬建聯合建筑采空區進行治理，取得了很好的治理效果。采空區治理材料主要為水泥粉煤灰漿液，注漿法具有簡便、安全、經濟合理等優點，并且可以達到較好的治理效果，可以在煤礦采空區治理工程中推廣應用。