同煤集团四老沟煤矿选煤厂下采空区治理

贺宏伟

(北京中煤矿山工程有限公司)



同煤集团四老沟煤矿选煤厂下采空区治理

贺宏伟

(北京中煤矿山工程有限公司)

摘要由于四老沟煤矿原煤性质发生了改变，为达到优质煤要求，需对原煤进行洗选加工。选择的选煤厂地下是采空区，为保证选煤厂安全运营，对采空区进行了注浆充填。注浆充填后，采空区充填程度较高，达到了预期效果。

关键词采空区注浆选煤厂

四老沟矿原有生产系统未设洗选车间，现延深开采的石炭二叠系原煤煤质与上部相比发生了较大变化，原煤煤灰分超过35%，发热量下降到 3 800 kCal/kg水平，必须经过洗选后才能满足优质动力煤的需要。因此，需新建选煤厂进行煤炭洗选加工。根据已有的地质、采煤等资料，结合矿区调研情况，确定洗选煤场为地下伏侏罗系11#～14-3#煤，该煤层已受到不同程度的开采，并形成大面积采空区，为此，须对采空区危害性进行评估，以确保选煤厂运营安全。

1　采空区注浆充填

采用地面注浆充填法，浆液注入采空区空间或采空区的垮落、裂隙范围，注浆材料凝固后对采空区形成充填支撑作用，确保地面及地面上的建(构筑)物不受到破坏。

考虑新建建筑物分类等级，先施工一类治理区，再施工二类治理区，并根据建筑物的施工顺序进行施工调整，在施工过程中采用“跳孔”的方法进行治理。

1.1钻孔布设

根据采空区治理经验，参照采空区治理范围的分类调整采空区注浆孔的排间距、孔间距，并结合治理目的推算出各个区域的钻孔数量及造孔工程量。

新建建(构)筑物基础下孔间距取10 m，其他区域取20 m，根据现有场地条件进行布孔优化[1]，考虑对现有建筑物的影响等因素，共设计钻孔228个，其中采空区勘查过程中布设的40个勘查孔可兼做注浆孔，即新增注浆钻孔188个。钻孔孔位可根据施工场地已有建筑物的位置、拟建(构)筑物位置进行局部调整。采空区注浆钻孔参数见表1。

表1　采空区注浆造孔工程量

钻孔要“分区域、分序次”，注浆采用“少量和多次”施工，一序钻孔浆液扩散范围较大，二序钻孔使前序钻孔未充填的空洞得到再次充填，从而提高充填率。

1.2注浆工程量计算

注入量按照采空区体积预估。浆液按5%～10%损失估算，注浆量为

(1)

式中,A为浆液损耗系数，取1.1；V为采空区剩余空洞体积,m3；η为注浆充填率，综合取值0.8；c为浆液结石率，取0.85。

将各参数代入式(1),计算总注浆量Q=30 877 m3。

1.3浆液配比设计及材料用量

水∶固相配合比1∶1.1，水泥、粉煤灰固相比为4∶6和3∶7。见表2。

按照水固比为1∶1.1计算材料用量，固相比 4∶6 和3∶7浆液按各50%进行取值，主要材料用量见表3。

表3　主要材料用量

1.4注浆施工1.4.1注浆钻孔施工1.4.1.1孔位布置

采用经纬仪、全站仪或RTK等测量仪器，按照施工图设计逐点放样，钻孔偏差不大于0.5 m。若因地形、管线等因素，钻孔可少许偏移。如果偏移过大，则应适当调整周边相邻钻孔位置，或增加钻孔，以确保施工质量。

1．4.1.2钻孔施工

(1)安装钻机。钻机安装前需平整场地，防止钻塔在施工过程中歪斜。因地物、管线影响时，位置可适当移动。

(2)钻孔工艺流程。开孔流程：定点→钻机安装→钻进→固管段钻进→下放套管→钻到设计深度层位→注浆

(3)钻孔结构。钻孔超过14#-3煤层底板2 m终孔，开孔用直径133 mm的牙轮钻头或直径146 mm的岩芯管，入岩后用φ127 mm套管，然后改用小钻头继续钻至设计孔深，钻孔结构见图1。

图1　钻孔结构

(4)钻孔防斜。钻孔施工过程中配备合理钻具，对变径处等关键部位要防止钻孔偏斜，100 m孔深偏斜不应大于1°。

(5)钻进方法。钻进施工过程中，要根据地层条件、泥浆漏失等情况，及时调整钻井泥浆，维护孔壁，保证钻进效果，防止钻孔事故的发生。

(6)注浆孔套管固定。泵入水灰比为0.6∶1的水泥浆至套管外壁返出浓浆，水泥浆中添加早强剂，凝固24 h后再继续钻进施工。

(7)封孔。注浆结束后，用单液水泥浆封孔，防止雨水渗入采空区。

1.4.1.3止浆方式

大同地区侏罗系煤层的上覆岩层多为砂岩或砂质泥岩，岩性比较完整。本次设计针对多个煤层采空区，止浆方式采用统一套管口压盖止浆方式(见图2)，必要时也可孔内下止浆塞。

图2　套管口压盖止浆方式

1.4.2注浆施工

在注浆过程中，一次无法达到设计标准时可多次扫孔，重复注浆，有利于保证注浆效果。

注浆系统主要有：供料系统、搅拌系统、供水系统、注浆设备、供浆管路、钻孔逆止装置等组成。

1.4.2.1制浆

制浆工艺流程见图3。

图3　制浆工艺流程

1．4．2．2注浆工艺流程

注浆工艺流程见图4。

图4　注浆工艺流程

1.4.2.3骨料施工工艺

施工中，在孔口安装投料装置，人工投放骨料与浆液混合进入采空区。骨料溢出孔口扫孔，测量吊钻高度，若仍大于0.5 m，需继续充填骨料，若小于0.5 m，可进行浆液注入，施工工艺如图5所示。

1.4.2.4注浆压力

本采空区埋深较浅，压力过大会造成浆液浪费，因此本次设计采空区治理注浆压力取0.5～1.0 MPa，最终可根据现场情况和具体要求进行调整[2]。

1.4.2.5单孔注浆结束标准

在注浆末期，泵压逐渐升高，当注浆达到设计压力，泵量小于60 L/min超过15 min时，该孔注浆结束。

图5　骨料投放施工工艺

2　施工质量

2.1注浆材料及注浆浆液的质量要求

(1)注浆材料要求。①采用PO32.5的普通硅酸盐水泥，符合国家《通用硅酸盐水泥》标准；②水应符合《混凝土用水标准》要求；③施工用粉煤灰质量应符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》Ⅱ级标准；④外加剂(速凝剂)选用模数为2.4～3.4的水玻璃溶液，浓度大于38～42 °Be′，掺量占水泥量的2.0%[3]。

水玻璃性能指标见表4。

表4　水玻璃性能指标

符合国标GB/T4209—2008液-2优等品指标要求。

(2)注浆浆液。注浆浆液需满足流动性、稳定性、结石抗压强度、凝结时间等多种性能要求。因此，制浆完成后需进行各种试验测定，以确保工程质量。浆液性能指标测试方法如下：①采用泥浆密度计测定浆液密度；②使用专门的泥浆黏度测量仪器测量黏度；③结石率，将新配置的浆液放入量筒中静置，记录2 h浆液结石体积与浆液总体积的百分比;④结石体抗压强度,用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的成型试模，在(20±5) ℃水中养护或标准养护箱中养护，测定28 d龄期结石抗压强度，每组取3块测其平均值。

2.2施工过程质量检验

注浆工程是隐蔽工程，为保证本采空区注浆工程质量，施工过程中要严格控制工艺，加强对工序质量的检验。在注浆过程中，对钻孔取芯、注浆材料、浆液配比、技术资料、封孔质量等各个环节进行质量控制。

3　注浆充填效果质量评估

由于采空区的隐蔽性、特殊复杂性，须对治理工程质量的最终效果进行检验。检测方法主要包括检测孔钻探取芯、抗压强度试验。

检测孔总数设计为注浆孔总数的3%～6%，布置在注浆孔附近。钻探取芯采取率较好，可判断浆液结实体与采空区的胶结充填程度较高，前期钻孔内的垮落、掉钻现象消失。取芯结石体进行的室内抗压强度试验符合规范要求，采空区注浆施工质量效果明显。

参考文献

[1]王晓峰.高速公路下采空区充填注浆治理技术研究[J].科技情报开发与经济,2012，22(24)：138-139.

[2]张宵，李术才,张庆松，等.关键孔注浆方法在高压裂隙水封堵中的应用研究[J].岩石力学与工程学报,2011,30(7)：1414-1421.

[3]何军芳，王平，杨鹏.采空区治理水玻璃掺量试验研究与应用[J].山西建筑,2015,41(8)：133-134.

(收稿日期2016-05-12)

贺宏伟(1982—)，男，工程师100013 北京市朝阳区青年沟东路5号。