煤矿采空区治理工程设计与施工技术探析

煤矿采空区治理工程设计与施工技术探析目前，在大量的煤矿采空区为工程建设带来了巨大的困难，为了不让建筑物在建设和使用过程中受到煤矿采空区所引发的地质灾害的影响，必须对项目选址区内的煤矿采空区进行治理。

引用晋城市联通综合楼煤矿采空区治理的实例，对煤矿采空区的情况进行了介绍，分析和评价了煤矿采空区的变形和稳定性，研究设计和确定了采空区治理工程施工方案。

标签：煤矿采空区;治理设计;注浆法;施工方案1 工程概况晋城联通综合楼位于晋城市金村镇侯匠村西南，距晋城市区东约7km。

晋城市联通综合楼由营业楼、生产楼和办公楼组成，拟建建筑物分别为二层和四层。

用地面积13393m2（约20.09亩），总建筑面积9219.85m2。

经过调查在拟建建筑物地下存在采空区，为解放前个人开采小煤窑所致，规模小、采空范围不大但较分散，所采煤层为9#煤层。

通过对晋城联通综合楼规划范围内进行工程物探勘查工作，基本查明了工作区内地下煤层采空异常区的分布情况。

2 场地地质条件2.1 石炭系中统本溪组（C2b）揭露最大厚度9.5m，岩性为灰白色铝土质泥岩、砂质泥岩。

2.2 石炭系上统太原组（C3t）（1）下段。

本溪组顶～K2灰岩底，平均厚度16.0m。

主要由深灰色泥质砂岩、煤层和灰岩组成，岩石断面多见黄铁矿结核。

15#煤层为该段主要煤层，也是区域稳定的连续可采煤层，纯煤厚度3.0m。

（2）中段。

K2灰岩底～K4灰岩顶，平均厚度33m，岩性主要为灰、深灰、灰黑色泥岩、砂质泥岩、中细粒砂岩、煤层和数层石灰岩组成。

泥岩、砂岩中含丰富的植物化石和黄铁矿结核。

9#煤层为本段可采煤层，项目区内结构较复杂，厚度不稳定，局部地段尖灭为煤线，无开采意义，纯煤平均厚度1.5m。

9#煤层顶板为1～2m 的石灰岩，伪顶为0～0.15m的碳质泥岩，底板为灰质泥岩。

（3）上段。

K4灰岩顶～北岔沟砂岩底，揭露厚度平均35.0m。

岩性主要为灰、深灰色泥岩、薄煤层、石灰岩、砂岩等组成，富含植物化石。

2.3 第四系中上更新统（Q2+3）岩性为浅棕～棕红色粉质粘土，局部相变为粘土，富含钙质结核，稍湿，坚硬，较致密，表层为耕植土，较疏松，植物根系发育。

区域地下水属黄河流域丹河水系，丹河发源于北部丹珠岭，向南流经高平市、晋城市，汇聚白水河等河流，于河南沁阳一带流入黄河，井田附近表现为季节性河流。

3 煤矿采空区分布特征和稳定性分析3.1 采空区分布特征经外业实地调查，借助地质钻探、物探等多种手段，基本查明了场地范围内9#煤层采空区的分布范围、冒落带高度、形状、埋深及采煤高度等特征。

本区9#煤层采空区主要为小窑开采，采空区分布无规律。

3.2 煤矿采空区变形及稳定性分析由钻孔资料表明，9#煤采掘巷道及影响区，覆岩结构基本完好或仅受到轻微破坏；9#煤采空区覆岩结构破坏较为严重，地基稳定性较差。

场地内9#煤层采空区采深采厚比介于23～65（按钻孔实际揭露厚度计算，由于煤层厚度较小，实际生产过程采厚可能大于煤层厚度，深厚比应比计算结果偏小），大多数小于30。

对于9#煤层采空区而言，由于9#煤层的采煤活动，改变了岩体的应力状态，整体上看场地内的岩体均受到煤层采动的影响，岩体的稳定性变差，尤其回采区域地层，垮落带内充填物碎块较为松散，空隙大小不一，当存在有上覆荷载时，将会产生压密过程，导致地面位移和变形，是工程建设的不稳定区域，要求对建筑物下方的采空区块段进行治理。

此外，上部9#煤层的开采使得岩体裂隙增多，整体性降低，岩体自拱能力降低。

由于小窑开采资料匮乏，特别是缺乏精准的测绘资料，野外地质调查对巷道、采仓的规模形态和准确位置难以确定，这种情况下要求对建筑物下方的采空区进行治理。

经综合评价后，要求对建筑物下方的采空区块段进行治理。

4 煤矿采空区治理设计与施工技术分析4.1 设计原理与方案选取依据《矿山开采沉陷学》理论及煤矿“三下”采煤经验，结合国内多个采空区治理工程实践，通常采用条带式注浆法和全胶结注浆法。

条带式注浆法是在采空区影响范围内，在采空区形成类似煤炭系统的“保安煤柱”，起着支撑采空区及上覆岩层的作用，该方法材料用量较小，但施工相对复杂。

全胶结注浆法是在采空区影响范围内，按一定孔距和排列方式，布设足量的注浆孔，用钻机成孔，通过注浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰浆注入采空区及上覆岩体裂隙中，浆液经过固化，胶结岩层裂隙带，同时采空区的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用，阻止上覆岩层的进一步冒落塌陷。

全胶结注浆法已在国内多个采空区治理工程中取得了成功的经验，该方法施工相对简单，安全性高，施工工艺成熟，施工易于管理，但缺点是材料用量较大。

两种方法比较，本次注浆采用全胶结法。

对于9#煤层采空区，由于其顶板灰岩较薄，煤层采出后顶板岩层变形严重，采空区大多呈冒落状态，故在注浆过程中可依据岩体的连通程度选用不同配合比的浆液进行灌注，以求完全充填岩体裂隙，提高岩体的整体强度。

4.2 采空区治理范围与深度（1）采空区治理范围。

根据勘察资料，结合场地内建筑规划布置情况，依据建筑物保护煤柱留设的计算原理，对场地内采空区的治理块段进行圈划。

对于9#煤层采空区，其采空区的治理范围分别在拟建的营业楼的基础上外延35.1，拟建的生产楼和办公楼的基础上外延36.2m，治理面积为23013.07m2。

（2）采空区治理深度。

对于9#煤层采空区的治理，要求治理深度深达9#煤层底板。

根据地层资料与采空区验证孔验证得知，9#煤层各采空区治理块段的平均治理深度为47.9米，煤层厚度平均为1.6米厚。

4.3 采空区空隙体积与注浆量采空区空隙体积为拟处理采空区范围内的矿层体积乘以回采率，并扣除采空区因顶板冒落已经产生的变形。

全胶结注浆治理的实质就是以水泥粉煤灰浆液对采空区空隙体积进行充填和固结。

总注浆量可按下式估算：Q=A·S·m·K·ΔV·ηC式中：Q——采空区总注浆量（m3）；S——采空区治理面积（m2）；m——采空区煤层厚度（m）；ΔV——采空区剩余空隙体积率，即煤层被采出后，原空间经塌陷冒落岩块充填后剩余的空隙率，其取值在0.2～1之间；K——煤层采出率；A——浆液损耗系数；η——注浆充填率；C——浆液结石率。

4.4 钻孔布设场地采空区治理所设注浆孔和帷幕孔布置于采空区治理范围内，结合由岩体裂隙程度设定的浆液扩散半径，工程设计帷幕孔孔距10m，注浆孔孔距15~20m，排距15~20m。

注浆孔设计的深度为地面至采空区煤层底板，注浆孔的灌注长度为采空区最上部岩层顶面以下5m至采空区底板，孔口管长度为地面上0.5m至基岩下5m变径处的深度。

鉴于小煤窑开采的无规律性和勘察工作难以精确查明煤柱位置，有一部分的设计孔在施工过程中会钻至煤柱上，应在施工中进行调整。

为检查施工质量，通常按灌浆孔的2～5％设置检查孔数量。

4.5 注浆材料注浆材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝剂等组成，水的SO4-2含量5；水泥标号为P·O32.5的普通硅酸盐水泥；粉煤灰质量等级为二级～三级，SIO2、AL2O3和Fe2O3的总含量大于70%，SO3含量不大于3%；速凝剂可选用模数为2.4～3.0的水玻璃，浓度30°Be～40°Be；砂、碎石可就近取材。

4.6 浆液配合比参照以往采空区治理工程的经验和当地材料供应情况，通过配比试验，浆液为水泥粉煤灰浆，水固比一般取为11.0～1 1.4，本次以1 1.0为主，浆液稠稀随注浆情况进行调整。

水泥占固相30％，粉煤灰占固相70％。

帷幕孔的浆液中掺加水泥重量2～5％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。

4.7 注浆工艺及相关参数（1）施工顺序：先施工帷幕孔，再施工注浆孔，注浆分二序次进行。

（2）注浆:在注浆施工的开始阶段，注意搜集整理各地段各种配比浆液的灌注充填情况，获取更为合理的注浆施工参数。

注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法，注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。

注浆设备宜采用灰浆泵。

当地下采空区空隙较小时，可采用水灰比1 1.0～1 1.2的水泥粉煤灰浆，水泥为固体总重的30%，粉煤灰为固体总重的70%。

制浆材料中增添水泥重量2～5%的速凝剂。

当地下采空区空洞体积较大或向场区外侧渗漏浆液时，可于孔口处增设一漏斗状的投砂器，用浆液将砂或石粉带入孔内。

防止浆液向场区外侧渗漏是实现本期采空区治理工程经济性的个关键环节，需密切观测场区边缘帷幕孔及接近边缘注浆孔的灌注情况，必要时及时增加浆液中砂或石粉的投送数量。

（3）单孔注浆孔结束标准:在注浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当泵量小于70L/min时，孔口管压力在1.0MPa以上稳定10～15分钟后，或注浆孔周围有冒浆等现象出现时，可报监理工程师同意后结束该孔的注浆施工。

5 注浆质量检测（1）钻探：注浆施工结束6个月后，进行钻孔检验。

通过孔内取芯直接观察采空区的浆液充填情况，岩芯无侧限抗压强度＞0.3MPa，并结合钻探过程中循环液的漏失情况及孔壁的稳定性等评价注浆质量。

（2）波速测井：在检查孔内进行波速测试，采空塌陷冒落带经治理后，横波波速应大于160m/s。

（3）结合钻探和物探资料，做出综合评价。

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。

6 结语到目前为止，国内针对采空区问题的研究甚少，且往往是经验介绍，尚未形成成熟的理论及工程设计体系，无规范、规程可循，目前，国内对于采空区治理设计采用的理论依据是矿山开采沉陷学和三下采煤技术，另外再结合工程经验。

在今后的工作中我们应加强对采空区治理的基础理论和应用研究，建立起我国在该领域的科研体系。

参考文献［1］何国清.矿山开采沉陷学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1991.［2］晋城联通综合楼工程物探勘查报告［J］.山西省第四地质工程勘察院，2006，（3）.［3］水工建筑物水泥灌浆施工技术规范（DL/T5148-2001），电力部，2001，（12）.［4］公路采空区勘察、设计与施工规范［J］.山西省交通厅，2001.［5］原煤炭工业部.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京：煤炭工业出版社，1985.。