采空区治理与治理技术研究

采空区治理与治理技术研究

1灾害影响社会发展山西省是中国煤炭分布区最多的地区。由于采空区出现地面塌陷、建(构)筑物变形、水源枯竭等灾害，从而影响了社会发展。由于采空区塌陷面积大，对采空区的生活、生产安全带来了隐患，急需治理。2工程实例2.1采空区管理治理晋城市经济适用住房工程项目位于晋城市区西南部，总用地面积约70亩。拟建建筑为6幢地下2层地上18层的高层住宅楼，建设场地范围内9号煤层存在采空区，9号煤层底埋深平均为32.6m;层厚0.8m～1.8m，平均1.2m。采空区为小煤窑开采形成，为确保建筑物的安全，对采空区进行了治理。本工程由晋城市建设局筹建，山西省第四地质工程勘察院勘察，河北建设勘察研究院有限公司设计、施工。2.2采空区治理设计要先建立隧道检查采空区治理首先得进行采空区勘察工作，即查明采空区面积及开采深度、厚度、煤层底板标高等，为采空区治理设计提供准确的设计依据。目前普遍采用比较经济、实用的物探结合钻探的方法，即先用物探初步查明异常区(地下空洞)，再用钻孔在异常区进一步查明采空区深度及厚度。除此之外，还需走访煤矿管理部门及当地居民，调查采空区开采时间、开采方式、开采量等。2.3一般治理和质量检查2.3.1采空区注浆注浆本工程采用“全充填压力注浆法”对影响拟建规划用地范围内的采空区进行治理。具体做法是在地表打孔，通过注浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰浆液注入采空区及其上覆地层裂隙中，浆液经过固化，胶结岩层裂隙带，同时采空区内的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用，从而保证建(构)筑物的安全。2.3.2注浆管施工质量控制钻孔分注浆孔和检查孔。1)注浆孔作用为灌注浆液，钻孔间距为10m～12m，呈梅花形布置，注浆孔的注浆深度为采空区最上部岩层顶面以下5.0m至采空区底板以下0.5m。钻孔选用ue788127mm钻头开孔，钻至基岩5m后，下入ue788127mm管护壁，后变径为89mm继续钻进至采空区煤层底板以下0.5m终孔。注浆管选用ue78850mm钢管，以丝扣连接，在钢管前端200mm～300mm焊接一圆形法兰装置(托盘直径120mm～130mm)，下入孔内变径处，在钻孔壁与注浆管之间灌入水灰比为1∶1.5～1∶20的水泥浆，浆液在孔内的高度为4m～6m，水泥浆液中应加入水泥重量的2%速凝剂。注浆孔浇筑孔口管结构示意图见图1。2)检查孔作用为检查施工质量，按注浆孔的3%～5%设置检查孔数量，检查孔应布设在注浆量较大或在注浆过程中出现问题的部位，检查孔深度为原地面至采空区底板的深度。用来检查浆液结石体的强度及受注浆层段的剪切波速值。2.3.3注浆量计算及注浆量计算1)采空区注浆量设计。a．采空区剩余空隙体积计算。采空区剩余空隙体积为治理范围内的矿层体积乘以采出率，并扣除采空区因顶板垮落而形成的变形。本项目采空区为9号煤层采空区，9号煤层为个体小煤窑开采，采煤方式为人工房柱式开采。根据《晋城市经济适用住房采空区勘察报告》，巷道宽度约1.5m～6.0m，顶板自由垮落。9号煤层上覆砂岩岩芯采取率在60%～80%之间，石灰岩岩芯采取率在85%～90%之间。剩余空隙率根据9号煤层的顶板管理方式、开采闭矿时间、地表变形等有关资料综合分析选取为60%;根据调查，房柱式小煤窑开采一般回采率为40%，因此，计算采空区剩余空隙体积为:其中，V为采空区剩余空隙体积，m3;s为采空区治理面积，m2;m为采空区煤层厚度，m;k为煤层回采率;ΔV为采空区剩余空隙率。经计算，剩余空隙体积为5699.26m3。b．采空区注浆量计算。注浆浆液的结石率按95%计算;浆液对采空区及上覆岩层中的裂隙、裂缝的充填系数按85%计算;注浆过程中的浆液损失取1.3，则采空区注浆量计算为:其中，Q总为采空区总浆液量，m3;N为浆液损失系数;η为注浆充填系数;C为浆液结石率。经计算，采空区总浆液量6629.14m3。c．帷幕孔单孔平均注浆量计算。其中，Q单为帷幕孔单孔平均注浆量，m3;A为单孔注浆量浆液损耗系数，取1.2;R为浆液有效扩散半径，按孔距的一半计算，m;m，ΔV，η，C符号意义同上式。经计算，帷幕孔单孔平均注浆量66.40m3。d．全区注浆孔单孔平均注浆量计算。2)设计注浆的主要工程量见表1。由于本工程小煤窑的井下巷道的分布情况不明，本次设计注浆量未包括井下巷道的注浆工程量和浅部岩溶发育区的空洞注浆工程量，实际注浆量预计比设计注浆量偏大。3)浆液要求标准。施工前按照设计规定的材料及配合比，在试验室作粉煤灰化学成分、比表面积、烧失量试验和浆液配合比试验。经岩土工程方面有关专家论证确定，本工程浆液结石率不小于95%、试块无侧限抗压强度不小于1.8MPa。4)帷幕孔注浆。灌注帷幕孔浆液中，应掺加水泥重量的1%～3%速凝剂，使灌入采空区内的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。5)一般注浆孔注浆。一般注浆孔注浆时，应避免在短时间内注入大量的水泥粉煤灰浆，当灌注量较大时，当某一浓度浆液的注浆量已达到设计浆量的20%～30%以上或灌注时间已经达到2h，而灌注压力和泵量均无改变或改变不显著时，浆液浓度应加浓。在注浆孔注浆的末期，泵压逐渐升高，当泵量小于70L/min，孔口管压力在1.0MPa～1.5MPa之间时，稳定10min～15min，可结束该孔的注浆施工。2.4质量分析2.4.1液结石体岩芯充填本工程共布置14个检查孔，其中9个为煤柱孔(未采空部位)，5个采取了浆液结石体。结石体完整性较好，呈柱状，岩芯总长基本与治理段空洞高度一致，表明浆液充填率较好。所取的结石体试样由山西省太原城通工程检测有限公司试验测定，所测试12块试件无侧限抗压强度均大于1.8MPa，满足设计要求。2.4.2注浆设计要求钻孔中9号煤层或采空注浆段(水泥、粉煤灰浆液结石体)的剪切波速在765m/s～980m/s之间，均满足注浆设计要求且大于16