超高井工礦采空區(qū)充填治理地質(zhì)災(zāi)害核心技術(shù)研究與應(yīng)用

文┃胡建新（湖南省煤田地質(zhì)局物探測量隊）

關(guān)鍵字：采空區(qū)；注漿；鉆孔技術(shù)；治理

0 前言

由于城市的擴展，會有原礦山用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的情況。礦山遺留下的地面巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害危及居民人身財產(chǎn)安全，急需治理。筆者搜索相關(guān)文獻資料，發(fā)現(xiàn)業(yè)內(nèi)大都采用水泥漿加水玻璃充填治理，這樣工程造價較高。根據(jù)地下水均衡原理，我們可以就地取材，將城市建設(shè)產(chǎn)生大量無處堆放的渣土，制作泥漿，用于充填超高采空區(qū)，可達到治理效果。同時在制作泥漿時，可回收砂或礫石，作為再生資源利用，變廢為寶。

1 工程概況

1.1 地理位置及范圍

長沙市再生資源科技有限公司位于長沙市西南方向，距長沙市猴子石大橋約10km，行政區(qū)劃屬長沙市岳麓區(qū)坪塘鎮(zhèn)管轄，地理坐標：東經(jīng) 112°52′16″～ 112°52′31″；北緯28°04′03″～28°04′16″。范圍是采礦證圈定的五個拐點坐標，面積0.1109km2。

1.2 采空區(qū)現(xiàn)狀

該公司原為長沙市岳麓區(qū)石灰石礦，1986年開始零星開采，采用露天凹陷開采，所采礦石主要用于建筑用石，部分用于燒制水泥。現(xiàn)已形成一個1900多平方米的露天采坑。

2004年-2017年，該礦山改用地下開采，采用斜坡道開拓，開拓斜坡道長124m，方位82°，坡度15%，斷面約18m2。因為采用房柱法開采，巷道寬一般在12-28m，高一般在15-20m，房柱寬一般在17-34m，后進入水平分層開采，分二個水平，第一水平標高為+48m水平，第二水平標高為+20m水平，采空區(qū)走向長約560m，寬約220m。該礦采空區(qū)面積約5.5萬m2（含礦柱），開采礦石280萬噸，體積約105萬立方米，采空區(qū)主要分布在礦界范圍內(nèi)的南部。因礦山已停產(chǎn)，第二水平有少量積水，采空區(qū)現(xiàn)狀采取自然通風，第一水平開始鉆探施工時，要采用機械通風。

2 工程地質(zhì)條件

2.1巖土體工程地質(zhì)類型及特征

按巖石性質(zhì)，堅硬強度，巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造類型分為巖石綜合體。區(qū)內(nèi)巖土體可分為土體和巖體兩大類。其工程地質(zhì)特征如下：

2.1.1土體

粘土：主要由殘坡積物、沖積物組成，前者系基巖風化而成，以粘土為主，中液限、中壓縮性、稍濕、硬塑。后者分布于溝谷，以粉砂質(zhì)粘土為主，中液限、中壓縮性、濕～稍濕、可塑。

2.1.2巖體

礦體為石灰?guī)r質(zhì)，為灰?guī)r夾生物碎屑灰?guī)r，呈巨厚層狀，巖性致密堅硬，僅巖石表面有微弱風化外，巖石表面以下原巖較堅硬，強度高，抗風化及抗變形能力均較好。抗壓強度一般為70～128Mpa，軟化系數(shù)大于0.8。礦體RQD值為80～100，因此巖石質(zhì)量等級為II等，巖石質(zhì)量較好，巖體較完整。

礦區(qū)為覆蓋型巖溶地區(qū)，礦山巖溶率約為5.6%，巖溶作用局部較強，原采坑內(nèi)有一小溶洞發(fā)育，直徑達5m。地面巖溶塌陷發(fā)育3個，直徑最大達40m。

3 采空區(qū)治理的必要性

3.1 采空區(qū)是誘發(fā)重特大事故的災(zāi)害因素

采空區(qū)引發(fā)的透水、崩塌、滑坡、地面塌陷等多種形式的地質(zhì)災(zāi)害，往往造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，治理采空區(qū)是治理礦山地質(zhì)災(zāi)害隱患，改善人居環(huán)境的需要。

3.2采空區(qū)安全隱患得不到及時有效治理

由于部分經(jīng)營行為和經(jīng)濟利益的驅(qū)使，基本不重視采空區(qū)處理問題，甚至未按開發(fā)方案開采，增大了采空區(qū)的事故隱患。部分礦山業(yè)主更替，新的企業(yè)主不愿承擔老采空區(qū)治理責任，造成歷史和當前的采空區(qū)治理問題相互制約，采空區(qū)治理工作落不到實處。因此，治理采空區(qū)安全隱患，是解決歷史遺留問題的需要。

3.3是落實人民至上、生命至上的安全生產(chǎn)發(fā)展理念的需要

3.4采空區(qū)問題已經(jīng)成為制約一些地方經(jīng)濟發(fā)展和影響社會和諧的重要因素

采空區(qū)因透發(fā)礦區(qū)地表變形、塌陷，帶來了一系列的礦山生態(tài)環(huán)境破壞問題，造成礦區(qū)植被，地表破壞嚴重，引發(fā)水土流失及地質(zhì)災(zāi)害，由于采空區(qū)誘發(fā)的地表開裂，變形，影響礦區(qū)居民生活和正常生產(chǎn)活動，造成礦、農(nóng)矛盾問題突出，甚至引發(fā)群體性事件，影響了當?shù)厣鐣椭C。因此，治理采空區(qū)是改善區(qū)域群眾生產(chǎn)生活基本條件的需要，同時也符合長沙市岳麓區(qū)整體發(fā)展規(guī)劃。

4 注漿孔設(shè)計

長沙市岳麓區(qū)石灰石礦采空區(qū)治理工程，采空區(qū)采用鉆孔注漿，充填采空區(qū)，目的是讓采空區(qū)裂縫、溶洞的充填物不流失，恢復(fù)地下水水位，確保礦區(qū)不發(fā)生地面巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。采空區(qū)處理長度約560m，寬220m。設(shè)計灌漿孔5個（其中地面設(shè)計三個鉆孔為ZK01、ZK02、ZK03，采空區(qū)一水平設(shè)計兩個鉆孔為ZK04、ZK05，地面鉆孔設(shè)計數(shù)量根據(jù)注漿效果可進行適當調(diào)整），利用一個露天采坑。因采空區(qū)相互連通，及泥漿水的流動性，地面鉆孔采用均勻布置，根據(jù)地形條件及露天采坑位置，及注漿實驗漿液流動的范圍，確定孔距100m～130m，設(shè)計灌漿孔總長度約195.1m。注漿范圍為整個采空區(qū)。

5 施工程序及治理順序

施工順序按采空區(qū)的傾斜方向，先施工采空區(qū)底板標高較低位置的注漿孔，再沿傾斜方向由低向高、由邊部向中心展開施工。由于露采場北面約25m處有一處采空區(qū)塌陷，破壞了生態(tài)環(huán)境，是急需治理的區(qū)域，所以當企業(yè)開始實施治理時，先將露天采坑處下方的采空區(qū)，利用第一水平設(shè)計的ZK04鉆孔灌滿塌陷區(qū)附近采空區(qū)，確保采空區(qū)頂部充實，保持水土不流失，使塌陷區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)。然后將露天采坑口上部10m作為泥漿池把泥漿抽至左右兩側(cè)注漿孔（ZK01、ZK03），最后注入中間注漿孔（ZK02）。其次開始對第二水平注漿，均采用地面鉆孔注漿，利用第一水平設(shè)計的ZK05鉆孔及第二水平的斜坡道，通過漿液的流動性，自然充填到第二水平采空區(qū)，最后充填第一水平采空區(qū)，進行依次充填治理。

6 成孔工藝及技術(shù)要求

6.1 成孔工藝

6.1.1采用φ600mm鉆徑開孔（根據(jù)灌漿情況開孔孔經(jīng)可作細微調(diào)整），鉆至完整基巖2m后，下套管護壁，然后變徑為φ500mm。在第四系卵、礫石層的鉆探過程中采用跟管鉆進。

6.1.2第一水平開孔采用φ600mm鉆徑，鉆至采空區(qū)頂板終孔。

6.2 技術(shù)要求

1）鉆機須在技術(shù)人員的指導下進入場地，并在技術(shù)人員指定的位置安裝設(shè)備，要求天車、立軸、孔口三點一線，防止孔斜。

2）對不要求取芯的鉆孔，嚴格按照預(yù)想鉆孔柱狀圖施工，最后編制成孔鉆孔柱狀圖。

3）在鉆孔施工過程中，如發(fā)現(xiàn)漏水、掉鉆、埋鉆、機上見軟、見硬等現(xiàn)象，要詳細記錄其深度、層位和耗水量，并應(yīng)立即報工程師采取相應(yīng)措施。

4）每個注漿孔鉆孔中測斜至少一次，終孔孔斜不得超過2°/100m。

6.3澆鑄孔口管工藝

1）準備Φ50～Φ60mm鋼管（注漿管）。

2）加工圓形法蘭托盤。

3）在管子前端200～300mm處焊接法蘭托盤。同時在灌漿管托盤以上3～10m處采用反絲接頭，灌漿結(jié)束后反轉(zhuǎn)撥上部灌漿管，以備其它孔再次使用。

4）下入帶法蘭托盤的注漿管。

7 漿液配合比設(shè)計

注漿采用經(jīng)濟適用的水、土漿液，漿液設(shè)計土水比為1:1.1～1:1.5，前期一般采用1:1.5，后期漿液配合比可提高到1:1.1，加入適量的粉煤灰。漿液膠結(jié)后的強度能阻止孔隙水及溶洞充填物滲入采空區(qū)。因采空區(qū)圍巖為灰?guī)r地層，抗壓強度高，無須用膠結(jié)物支撐。漿液充滿后，其孔隙水壓力基本能保持與地壓平衡，恢復(fù)原始水位。

8 漿液材料及其質(zhì)量要求

注漿材料主要由水、土、粉煤灰等組成。

1）水：水應(yīng)潔凈，不含有害物質(zhì)，SO42-含量應(yīng)小于1.0%。本次施工用水采用工地附近池塘及采石場礦井水，可循環(huán)利用。

2）渣土：渣土質(zhì)量應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定，確保無污染物。

9 灌漿系統(tǒng)設(shè)計

灌漿系統(tǒng)由料場、一級攪拌池、供水系統(tǒng)、注漿泵、注漿管道、封孔裝置等組成。

1）料場：堆放材料的場地要平整，運料車輛能正常通行，且緊鄰攪拌池，使材料便于運輸、搬運。

2）攪拌挖斗：要求一次攪拌量應(yīng)不小于400kg以滿足正常施工要求,攪拌均勻。

3）攪拌池：本工程各采空區(qū)治理段至少要求設(shè)置3個攪拌池，一個攪拌池長14m、寬3m、深4m，另二個攪拌池長10m、寬3.5m、深3m，中間設(shè)置攪拌系統(tǒng)，使得攪拌后的漿液均勻，符合設(shè)計要求，一次攪拌量應(yīng)不小于10m3。攪拌后的沉渣為砂或礫，可作建筑材料，變廢為寶。

4）蓄水池：攪拌池應(yīng)根據(jù)各采空區(qū)治理段施工注漿總量及工地具體情況，需建立一個蓄水池。

5）注漿泵：宜采用變量泵，注漿泵壓力應(yīng)大于最大設(shè)計壓力的1.5倍。

6）壓力表：注漿用壓力表最大指數(shù)應(yīng)不大于10MPa。

7）封孔裝置：注漿完畢后下入木塞至孔內(nèi)變徑處，用525#水泥漿封閉；水泥漿配合比例：水泥:水=1:0.6，孔口用水泥塊作永久封閉標志。

10 注漿工藝及技術(shù)要求

1）對注漿孔的鉆探資料進行查閱分析，測定孔深、水位，作出注漿情況的初步判斷，并作好記錄。

2）連接孔口管，進行簡易壓水試驗，持續(xù)時間約20min，檢查泵與管路系統(tǒng)的完好狀態(tài)，并記錄孔口壓力變化值，漿液到達孔口后，在重力作用下自流。判斷孔內(nèi)地層裂隙、空隙的發(fā)育程度及可灌程度。

3）根據(jù)鉆探資料（巖石破碎程度、耗水量、采空區(qū)特征、是否有掉鉆、埋鉆等）、孔深測量結(jié)果進行單孔注漿量設(shè)計，選擇初始漿液濃度、確定注漿方法。

4）注漿采用漿液濃度先稀后稠的方法，泥漿越稀，流動范圍廣，充填的范圍越大，有利于采空區(qū)的充填。注漿開始后，要定時觀測泵的吸漿量和泵壓，并記錄注漿過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，收集原始資料，并根據(jù)實際情況及時調(diào)整注漿量和漿液濃度。

5）灌漿開始后，要求定時觀測并記錄泵的吸漿量、泵壓及孔口表壓，間隔時間為20分鐘。記錄灌漿過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，并根據(jù)實際情況及有關(guān)規(guī)定隨時調(diào)整漿液濃度和灌漿量。

6）注漿過程的工藝程序及要求，應(yīng)嚴格遵照工藝流程圖進行操作和施工。

7）在注漿孔的注漿末期，注入的泥漿經(jīng)露天采坑口或鉆孔向外涌出或跑漿時，證明采空區(qū)該注漿孔已充填實。

11結(jié)論

1）利用地下水均衡原理，將廢棄的渣土制成泥漿充填超高井工礦采空區(qū)，即經(jīng)濟又適用，能有效治理采空區(qū)巖溶地面塌陷。利用這個核心技術(shù)可運用于類似井工礦產(chǎn)生的巖溶地面塌陷。

2）利用泥漿充填采空區(qū)原理，可對煤礦起火采區(qū)進行灌漿滅火。□