紫金山虎中煤礦地下采空區(qū)治理技術實踐

楊運林 賴樹欽 孫麗軍 李鵬程

（1.福建省地質工程勘察院；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室）

20世紀90年代，我國礦產資源濫采現象普遍，采空區(qū)治理意識不強，給環(huán)境帶來不利影響的同時，也容易誘發(fā)地表塌陷等地質災害，且對地表工程活動構成安全隱患［1-2］。因此，安全、有效地治理地下采空區(qū)是當前行業(yè)關注的熱點問題［3-5］。現有的采空區(qū)的治理方法大致可分為崩、充、撐、封等4類及簡單的聯(lián)合法［6］。其中，充填注漿法治理采空區(qū)是在地表打孔，向地下采空區(qū)輸送水泥漿（或水泥砂漿等），依靠膠結后的結石體強度來支撐上覆巖層，起到控制地表塌陷和沉降的作用，因具有施工簡單、安全性高、施工易于管理等優(yōu)勢被廣泛應用。以龍巖市紫金山虎中煤礦地下采空區(qū)為工程背景，提出將勘探孔兼做注漿孔的“邊探邊治”空區(qū)治理方式，以確保治理后對地表的擾動程度最小，將存在的安全隱患降到最小，同時滿足經濟、合理、安全的綜合目標。

1 工程概況

治理對象位于龍巖市新羅區(qū)紅坊鎮(zhèn)下洋村紫金山，該區(qū)地下遺留了巷道密布、錯綜復雜的采空區(qū)，其中虎中煤礦占地1.49 km2，此外眾多小煤窯也存在無序開采情況，分布范圍極廣。經不完全統(tǒng)計，直至2008年初，開采煤炭總量約300萬t，開挖巷道及采空區(qū)標高主要位于-200～465 m。紫金山虎中煤礦總規(guī)劃建設用地位于采空區(qū)地表，規(guī)劃總面積約2.34 km2。為順利完成建設目標，對該場地地下采空區(qū)進行治理。

2 采空區(qū)鉆孔布置方案

2.1 鉆探范圍劃分

根據地表劃分用地對采空區(qū)進行探測：①對于非建筑區(qū)域，根據勘察情況對地表以下50 m 范圍內的采空區(qū)及巷道進行鉆探及治理；②對于建筑區(qū)域，根據建設單位提供的設計范圍，考慮房建高度、荷載以及基礎選型，對地表以下82 m 范圍內的采空區(qū)及巷道進行鉆探及治理。

2.2 鉆孔布置

采用地質鉆機成孔，成孔直徑100 mm（巷道成孔直徑500 mm），鉆孔垂直度誤差小于1%。孔深根據擬處理空洞深度確定，并探明空洞深度，鉆過洞底不小于1m 后終孔。根據鉆孔巖芯復核勘察報告所提供的采空區(qū)與空洞的層位及深度，劃分采空區(qū)特征，依據不同特征開展不同的布孔方案。對于采空區(qū)及空洞，鉆孔在平面上采用梅花型布置，以存在揭露采空區(qū)的勘察鉆孔為基準，以2.5 m為孔間距，等角度環(huán)形向外輻射布置6 個鉆孔，布置方案如圖1 所示。若新孔仍揭露出采空區(qū)，則重新以此孔再次輻射，直至所有鉆孔均無揭露空洞或已達到治理邊界則停止外擴。結合“邊探邊治”的治理思路，注漿孔兼做勘探孔用，以節(jié)省造價，具體布置方案如圖2所示。

對于巷道區(qū)域，以已揭露采空區(qū)的勘察鉆孔為基準，孔距5 m，沿巷道走向，雙向輻射2孔（孔間補充引孔進行高壓旋噴補強），重復充填治理，直至治理邊界，布置方案如圖3所示。

3 鉆孔注漿治理技術現場應用

3.1 鉆孔治理過程

鉆孔治理的工藝過程分為鉆機成孔→下注漿管→灌水泥漿（或水泥砂漿/粗骨料）→旋噴固結。針對不同采空區(qū)特征區(qū)別治理，具體方案如下。

（1）已充填的采空區(qū)。采用鉆孔注入水泥凈漿方式治理，選用P.C32.5復合硅酸鹽水泥凈漿，水灰比的范圍取0.4∶1～0.5∶1；漿體的傳輸管道選用單向袖閥管，管體采用內徑48 mm、節(jié)長50 cm 的塑料管（每節(jié)塑料管之間用橡皮套連接），插入鉆孔時管端封閉管內充滿清水以避免堵孔。重復對揭露孔進行注漿治理，直至治理邊界。

（2）未充填的采空區(qū)。采用注入水泥砂漿的方式治理，砂漿材料選用M5 水泥砂漿，P.C32.5 復合硅酸鹽水泥，配比為水泥∶中砂=1∶2～1∶5，水灰比為1∶1左右。砂漿的傳輸管道選用直徑90 mm的鍍鋅管，壁厚3.5 mm，單節(jié)長2 m，每節(jié)間采用可拆卸式的鋼制扣件進行連接。對于采空區(qū)空洞尺寸小于50 cm 的孔，采用水泥凈漿泵送入采空區(qū)，即埋設一根直徑22 mm 的鍍鋅鋼管和直徑20 mm 的PVC 管以及止?jié){板。將孔口注漿壓力設為1～2 MPa，注漿至孔口返漿，30 min后進行補漿，補漿壓力為1～2 MPa，至漿液溢出停止。經30 min 后再次補漿。重復以上補漿步驟直至漿液無法再次注入。根據空洞大小，還可以在上述注漿完成12 h 后選擇性地進行高壓二次注漿，孔口注漿壓力控制在5 MPa，直至注漿完畢。

（3）巷道。采用大口徑鉆孔注入粗骨料的方式治理，粗骨料配比為粗砂∶粉煤灰∶重鈣=4∶3∶3，并采用高壓旋噴固化。首先插入旋噴管，由孔口填入骨料至巷道頂，旋噴提管至巷道頂標高。旋噴時采用P.C32.5 復合硅酸鹽水泥凈漿（水灰比為1∶1）。鉆孔由揭露本區(qū)域的勘察孔為基點，沿巷道走向線性外擴，重復對揭露孔進行治理，具體注漿方法如圖4所示。

3.2 治理效果檢測

采空區(qū)治理結束后，依據《建筑基樁檢測技術規(guī)范》（JGJ 106-2014）對治理區(qū)域進行鉆孔取芯檢驗，驗證治理方案的有效性。檢驗工作包括采空區(qū)充填完整性調查及充填體強度等級測試2 個方面。按照相關設計要求，水泥砂漿充填孔的漿體終凝后強度要大于5 MPa，水泥漿充填孔里的漿體終凝后強度要大于2 MPa。

采用XY-100型鉆機，芯樣直徑為86 mm，區(qū)域內共布置檢驗孔15個，取芯后測量充填物芯樣長度，并取樣做單軸抗壓強度試驗。當充填率達到75%以上，芯樣平均抗壓強度值大于設計值時，表明治理有效。測試結果表明，15個檢驗孔均滿足設計要求，見表1。

4 結 論

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結合現場實際提出了將勘探孔兼做注漿孔的“邊探邊治”空區(qū)治理方式和等角度環(huán)形向外輻射6孔的梅花式外擴布孔方案。根據采空區(qū)特征對已充填采空區(qū)、未充填采空區(qū)及巷道分別采取凈漿、水泥砂漿、粗骨料區(qū)別治理。待治理工作結束后選取了15 個檢驗孔，經過取芯測量充填物芯樣長度，并做單軸抗壓強度試驗，結果表明，芯樣的充填率均達到75%以上，芯樣強度均超過設計強度要求，由此說明紫金山虎中煤礦地下采空區(qū)治理方案安全、合理、有效。