煤层采空区治理方法分析评价——以晋城市某项目采空区治理施工图设计为例

——以晋城市某项目采空区治理施工图设计为例

杨欣荣

（山西省第一水文地质工程地质队，山西 太原 030024）

摘要：结合工程实例，对灌注充填法治理煤层采空区工序及效果进行详细分析论述，对实际施工时存在的问题进行分析研究并提出有效建议。研究结果可为其他同类治理工程提供技术参考，并为相关单位和部门优化、合理、安全利用采空区场地提供技术支撑。关键词：煤层采空区；灌注充填法；建议中图分类号：U455 文 献标识码：A文章编号：1672-7487（2018）03-111-31 引言

随着我国基础建设规模的扩大与建筑用地减少矛盾日趋激烈，对煤矿采空区场地的处理使用成为缓和上述矛盾的一个积极有效的措施。目前，国内外采用的采空区地基处理方法有灌注充填法、穿越/跨越法、砌筑法、剥挖回填法、强夯法、堆载预压法等。

灌注充填法是目前我国广泛采用的采空区治理方法，适用于所有类型煤层采空区的地基处理。对采空区地基发育的垮落带空洞、断裂带裂隙及弯曲带离层裂缝均需加固处理的，可采用全灌注充填法。灌注材料一般以水泥、粉煤灰等材料为主。当采空区空洞、裂隙发育或存在采空区积水时，可配合灌注砂、石屑、砾石、矿渣等粗骨料。

本文通过对灌注充填法治理煤层采空区工序及效果进行详细分析论述，对实际施工时存在的问题进行分析研究并提出有效建议，以期为相关单位和部门进行工程建设时提供技术指导。

体裂隙等的危害，确保拟建场地的稳定性以及满足上部结构的承载力及变形要求。3.2 设计依据

1）《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》（GB51180-2016）；

2）《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB51044-2014）；

3）《晋城市某项目下伏煤层采空区勘察报告》。

3.3 设计方案细则

本项目拟采用全充填式注浆法对于场地内3#煤层采空区进行治理。

注浆施工顺序采用先施工外层的帷幕孔，后施工内层注浆孔的次序施工顺序，注浆顺序应按照煤层底板从低到高的顺序施工。

4 注浆工程设计

4.1 注浆处理范围确定

本次注浆范围、注浆工程量设计均依据《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》（GB51180-2016）第4节相关公式进行计算。

采空区处置范围包括确定采空区处治长度（沿场地东西方向）和采空区处治宽度（沿场地南北方向）和深度。依据规范3.0.1确定维护带宽度d取20m。

其中，场地内采空区治理范围的长度及宽度按下式计算：B＝D＋2d＋2(hcotφ+Hcotδ)

式中：B—空洞区治理范围的长度及宽度（m）； D—建（构）筑物轮廓宽度（m）；

2 工程实例

晋城市某项目场地位于城区书院街北部，泽州北路西部，隶属晋城市城区北街办事处。根据采空区勘察报告中的结论，拟建场地下伏存在3#煤层采空区，埋深约55m，厚度约4.6m。为保证该项目的安全建设和运营，拟采用全充填式注浆法对于3#煤层采空区进行治理。

3 设计方案

3.1 设计目的

注浆方案设计的目的是选择安全可靠、经济合理的方案，治理加固影响本工程安全的地下采空区以及上部岩土

作者简介：杨欣荣（1964—），女，山西运城人，水工环高级工程师，本科，毕业于山西矿业学院，现从事水工环技术工作。 （邮箱）1299725780@qq.comd—维护带宽度，取20m；h—上覆松散层厚度，取值0；

H—采空区上覆岩层厚度，其中3#煤取55.0m；φ—松散层移动角，取45o；δ—基岩移动影响角，取68o。

估算覆岩影响宽度3#为40m，确定3#煤治理面积约为55551m2。

4.2 采空区空洞及注浆量设计

根据《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》（GB51180-2016），注浆量按下式计算：

Qg＝τ󰋹S󰋹M󰋹N󰋹n󰋹ŋ /c󰋹cosα式中：Qg—灌注量（m3）；τ—灌浆量损耗系数；取1.2；S—采空区地基处理区面积（m2）；ŋ—充填系数；取0.85；

M—采出煤层法向厚度（m）；3#煤厚度取4.6m；N—煤层回采率（%）；根据地区经验取0.50；n—采空区剩余孔隙率（%）；根据地区经验宜取0.5；c—注浆结石率（%）；取0.85；

α—煤层倾角（°）；根据钻探资料，取6°。经计算，3#煤采空区注浆量预计约为：Q=107908m3。4.3 注浆孔设计

1）煤层注浆孔采用梅花形布置的原则，帷幕孔间距取10m。在建筑物内注浆孔间距和排距均为10m，网状形布置。

2）采空区钻孔深度及要求：为了有效保障采空区充填，采空区钻孔深度应按照治理设计图中的坐标范围控制。钻至采空区底板以下1.0m处，终孔时现场钻探技术人员依据钻孔情况确定；钻孔开孔孔径不小于130mm，终孔孔径不小于89mm；在采空区的注浆钻孔施工顺序上采用先施工外围帷幕孔，后施工内层注浆孔的施工顺序。应等间距布置适量的取芯钻孔，施工时取芯孔数量不少于总孔数（注浆孔数）的3%-5%，采空区部位岩芯采取率不小于30%，其他部位岩芯采取率不小于70%。以充分掌握场地范围内具体的煤层走向以及顶板塌陷情况。

3）根据上述原则，预计布置采空区帷幕孔170个，两排布置，钻孔间距10m，排距15m，梅花形布置。煤层采空区注浆孔共计287个，在建筑物内注浆孔间距和排距均为10m；网状形布置。3#煤采空区设计孔深55m，本工程设计钻探进尺合计为26235m。4.4 浆液配合比

根据以往工程经验和当地的材料供应情况，确定注浆浆液为水泥粉煤灰浆液，其水固比为1：1.0-1:1.3。水泥占固

相的30%，粉煤灰占固相的70%。

5 采空区治理施工工艺流程

采空区治理工艺流程是治理工程的核心内容，是关系到采空区治理工程质量和效益的关键环节，其包括成孔工艺、注浆工艺等一系列前后连续、配合紧密的工艺流程。

采空区治理工艺流程内各环节的相互关系如下图1所示：

观察注浆情况，抽样试验定点下套管下注浆管、及成孔浇注孔口管 注浆终止注浆 备料拌制浆液图1 采空区治理工艺流程图

5.1 成孔工艺

5.1.1 定点

注浆孔应用GPS或全站仪、钢尺等进行实地测量放样，钻孔实际位置原则上不应偏离设计位置0.5m。

5.1.2 成孔工艺及技术要求1）成孔工艺

①用Ф130mm钻头开孔，钻孔孔径宜控制在130-150mm之间，钻至稳定基岩下6.0m左右，然后变径为Ф91mm。在以填杂土等为主的第四系松散覆盖层的钻探过程中可采用跟管钻进。

②用Ф89mm钻头，钻至采空区底板下1.0m处时可以终孔。2)钻孔技术要求

①钻孔要求采用清水正循环钻探工艺施工。

②做好钻探原始记录和岩芯编录工作，对具有代表性的岩芯进行详细编录，装箱保存备查。

③钻孔施工过程中，如发现漏水、吊钻、埋钻等现象要详细记录其深度、层位和耗水量。

④全取芯钻孔应保证使采空区上部覆岩部位，岩芯采取率>60%，采空区部位岩芯采取率>30%。

⑤注浆孔应保持垂直，中心线垂直度偏差不得超过1%。⑥注浆管采用内径为Ф50mm的普通铁管作为注浆管，注浆管采用管箍连接或焊接。

5.1.3 浇铸孔口管

将一端带有法兰托盘或其他封堵措施的Ф50mm注浆管下入孔内变径处，孔内投入20cm厚砾石，以堵塞大的缝隙，之后投入30cm厚粘土，以防止浆液大量渗漏。然后灌入水灰比为1:1.5-1:2的稠水泥浆，浇铸长度不小于8.0m。5.2 注浆工艺

5.2.1 注浆系统构成

注浆系统由料场、一级搅拌池（机）、二级搅拌（机）、供水系统、注浆泵、注浆管道、封孔装置等组成。（如图2）

一级搅拌池（水泥粉煤灰浆池）粉煤灰料场槽钢

二级搅拌池搅拌齿（水泥粉煤灰浆池）电机管减速机放浆沉淀池输浆通道吸浆池散装水泥罐吸浆口注浆泵 振动机一级搅拌池（水泥粉煤灰浆池）流向注浆孔图2 注浆系统示意图

5.2.2 单孔注浆结束标准

1）单孔设计注浆压力应通过现场灌注试验确定，以不引起地表隆起为标准，初步施工时宜控制在2.0MPa左右。

2）在单孔注浆末期，泵压逐渐升高，在设计规定的结束压力下，当单位注浆量小于50L/min时，孔口压力在2.0MPa左右，稳定时间不小于15分钟，可结束该孔的注浆施工。

3）当注入一定浆量，孔口压力不小于2.0MPa时，若出现地表裂隙大量跑浆时，也可结束该孔的注浆施工。

4）当出现注浆孔串浆的情况时，应及时封堵串浆的注浆孔，在有条件的情况下采用联动注浆的方式进行统一灌注至注浆孔结束注浆。5.3 注浆质量控制

1）在注浆工程施工过程中应对水泥按照批次每300t检测化验一次，粉煤灰按每500t检测化验一次。

2）注浆所用浆液按每400m3

制作试块检测一次。3）在注浆工程施工过程中，在现场应随时检测浆液的比重，初、终凝时间等参数。

4）注浆施工过程中，每孔所注入的浆液应做比重、粘度等参数测定。

5）搅拌系统、注浆设备等必须进行定期检测和维修，以保证注浆施工连续进行。

6 注浆质量检测

依据《煤炭采空区建（构）筑物地基处理技术规范》（GB51180—2016），在注浆施工结束3个月后进行治理效果检测，检测合格后，方可进行上部建筑施工。6.1 钻孔取芯直观检查

钻孔取芯检查在注浆施工结束3个月后进行，检查孔数量按注浆孔、帷幕孔总数的3%-5%设置。在采空区处治范围内全孔取芯，钻孔孔径不小于89mm，每回次岩芯采取率大于90%。通过孔内取芯直接观察采空区浆液充填情况（≥85%），并结合钻探过程中循环液的漏失情况、孔壁的稳定性等评价注浆质量。

6.2 注浆胶结物情况及结石体无侧限抗压试验

对于甲、乙类地基，注浆结石体强度不小于2.0MPa；对于丙类地基，注浆结石体强度不小于0.6MPa。

6.3 孔内波速检测

应采用跨孔波速测试，根据《煤炭采空区建（构）筑物地基处理技术规范》（GB51180—2016）表4.2.9，将采空区注浆后裂隙、空隙充填固结的受注层的平均剪切波速（横波）不小于300m/s作为评价标准。

在全面分析研究这些资料的基础上，最终确定注浆质量是否合格，是否需补充注浆。

7 施工存在的问题及对策

7.1 施工中存在的问题

事实上，当施工单位严格按照设计方案进行采空区治理施工，也会存在如下几种情况：

1）实际注浆量大于理论公式估算注浆量，多出理论注浆量10%-30%。

2）注浆施工虽然严格按照设计要求施工并达到了注浆结束标准，但事实上工后检测时存在取不出完整结石体或取出的结石体达不到强度要求的情况。7.2 原因分析及对策

帷幕孔施工间距过大、注浆材料配比不合理或未添加粗骨料、地下水流冲刷以及上部存在浅层裂隙导致浆液流失，从而造成注浆量偏大，浆液凝固不彻底或结石体强度较低，既影响施工工期，也会造成施工成本加大。

治理施工时宜采用动态设计、动态施工原则，当钻孔揭露地层和现场注浆与初步设计方案有较大出入或受场地条件限制不能就位时，应及时调整设计、施工方案，选择合理的施工工艺及施工参数，以达到良好的施工效果。

8 结语

结合工程实例，对灌注充填法治理煤层采空区工序进行详细分析论述，对实际施工时存在的问题进行分析研究并提出有效建议。研究结果可为其他同类治理工程提供技术参考，并为相关单位和部门优化、合理、安全利用采空区场地提供技术支撑。

参考文献:

[1] 中华人民共和国住建部,中华人民共和国国家质量监督检 验检疫局.《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规 范[S]（GB51180-2016）.北 京：中国计划出版社,2016.[2] 中华人民共和国交通部.采空区公路设计与施工技术 细 则[S]（JTG/TD31-03-2011）.北 京：人民交通出版社, 2 011.[3] 山西省交通厅.高速公路采空区(空洞)勘察设计与施 工治理手册[S].北 京：人民交通出版社,2005.[4] 中华人民共和国住建部,中华人民共和国国家质量监督 检验检疫局.建筑地基基础设计规范[S]（GB50007- 2011）.北京：中国建筑工业出版社.2011.[5] 国家安全生产监督总局.建筑物、水体、铁路及主要井 巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京：煤炭工业出版 社,2000.