賀宏偉

(北京中煤礦山工程有限公司)

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同煤集團(tuán)四老溝煤礦選煤廠下采空區(qū)治理

賀宏偉

(北京中煤礦山工程有限公司)

摘要由于四老溝煤礦原煤性質(zhì)發(fā)生了改變，為達(dá)到優(yōu)質(zhì)煤要求，需對(duì)原煤進(jìn)行洗選加工。選擇的選煤廠地下是采空區(qū)，為保證選煤廠安全運(yùn)營(yíng)，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了注漿充填。注漿充填后，采空區(qū)充填程度較高，達(dá)到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞采空區(qū)注漿選煤廠

四老溝礦原有生產(chǎn)系統(tǒng)未設(shè)洗選車間，現(xiàn)延深開采的石炭二疊系原煤煤質(zhì)與上部相比發(fā)生了較大變化，原煤煤灰分超過(guò)35%，發(fā)熱量下降到 3 800 kCal/kg水平，必須經(jīng)過(guò)洗選后才能滿足優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤的需要。因此，需新建選煤廠進(jìn)行煤炭洗選加工。根據(jù)已有的地質(zhì)、采煤等資料，結(jié)合礦區(qū)調(diào)研情況，確定洗選煤場(chǎng)為地下伏侏羅系11#～14-3#煤，該煤層已受到不同程度的開采，并形成大面積采空區(qū)，為此，須對(duì)采空區(qū)危害性進(jìn)行評(píng)估，以確保選煤廠運(yùn)營(yíng)安全。

1　采空區(qū)注漿充填

采用地面注漿充填法，漿液注入采空區(qū)空間或采空區(qū)的垮落、裂隙范圍，注漿材料凝固后對(duì)采空區(qū)形成充填支撐作用，確保地面及地面上的建(構(gòu)筑)物不受到破壞。

考慮新建建筑物分類等級(jí)，先施工一類治理區(qū)，再施工二類治理區(qū)，并根據(jù)建筑物的施工順序進(jìn)行施工調(diào)整，在施工過(guò)程中采用“跳孔”的方法進(jìn)行治理。

1.1鉆孔布設(shè)

根據(jù)采空區(qū)治理經(jīng)驗(yàn)，參照采空區(qū)治理范圍的分類調(diào)整采空區(qū)注漿孔的排間距、孔間距，并結(jié)合治理目的推算出各個(gè)區(qū)域的鉆孔數(shù)量及造孔工程量。

新建建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)下孔間距取10 m，其他區(qū)域取20 m，根據(jù)現(xiàn)有場(chǎng)地條件進(jìn)行布孔優(yōu)化[1]，考慮對(duì)現(xiàn)有建筑物的影響等因素，共設(shè)計(jì)鉆孔228個(gè)，其中采空區(qū)勘查過(guò)程中布設(shè)的40個(gè)勘查孔可兼做注漿孔，即新增注漿鉆孔188個(gè)。鉆孔孔位可根據(jù)施工場(chǎng)地已有建筑物的位置、擬建(構(gòu))筑物位置進(jìn)行局部調(diào)整。采空區(qū)注漿鉆孔參數(shù)見表1。

表1　采空區(qū)注漿造孔工程量

鉆孔要“分區(qū)域、分序次”，注漿采用“少量和多次”施工，一序鉆孔漿液擴(kuò)散范圍較大，二序鉆孔使前序鉆孔未充填的空洞得到再次充填，從而提高充填率。

1.2注漿工程量計(jì)算

注入量按照采空區(qū)體積預(yù)估。漿液按5%～10%損失估算，注漿量為

(1)

式中,A為漿液損耗系數(shù)，取1.1；V為采空區(qū)剩余空洞體積,m3；η為注漿充填率，綜合取值0.8；c為漿液結(jié)石率，取0.85。

將各參數(shù)代入式(1),計(jì)算總注漿量Q=30 877 m3。

1.3漿液配比設(shè)計(jì)及材料用量

水∶固相配合比1∶1.1，水泥、粉煤灰固相比為4∶6和3∶7。見表2。

按照水固比為1∶1.1計(jì)算材料用量，固相比 4∶6 和3∶7漿液按各50%進(jìn)行取值，主要材料用量見表3。

表3　主要材料用量

1.4注漿施工1.4.1注漿鉆孔施工1.4.1.1孔位布置

采用經(jīng)緯儀、全站儀或RTK等測(cè)量?jī)x器，按照施工圖設(shè)計(jì)逐點(diǎn)放樣，鉆孔偏差不大于0.5 m。若因地形、管線等因素，鉆孔可少許偏移。如果偏移過(guò)大，則應(yīng)適當(dāng)調(diào)整周邊相鄰鉆孔位置，或增加鉆孔，以確保施工質(zhì)量。

1．4.1.2鉆孔施工

(1)安裝鉆機(jī)。鉆機(jī)安裝前需平整場(chǎng)地，防止鉆塔在施工過(guò)程中歪斜。因地物、管線影響時(shí)，位置可適當(dāng)移動(dòng)。

(2)鉆孔工藝流程。開孔流程：定點(diǎn)→鉆機(jī)安裝→鉆進(jìn)→固管段鉆進(jìn)→下放套管→鉆到設(shè)計(jì)深度層位→注漿

(3)鉆孔結(jié)構(gòu)。鉆孔超過(guò)14#-3煤層底板2 m終孔，開孔用直徑133 mm的牙輪鉆頭或直徑146 mm的巖芯管，入巖后用φ127 mm套管，然后改用小鉆頭繼續(xù)鉆至設(shè)計(jì)孔深，鉆孔結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　鉆孔結(jié)構(gòu)

(4)鉆孔防斜。鉆孔施工過(guò)程中配備合理鉆具，對(duì)變徑處等關(guān)鍵部位要防止鉆孔偏斜，100 m孔深偏斜不應(yīng)大于1°。

(5)鉆進(jìn)方法。鉆進(jìn)施工過(guò)程中，要根據(jù)地層條件、泥漿漏失等情況，及時(shí)調(diào)整鉆井泥漿，維護(hù)孔壁，保證鉆進(jìn)效果，防止鉆孔事故的發(fā)生。

(6)注漿孔套管固定。泵入水灰比為0.6∶1的水泥漿至套管外壁返出濃漿，水泥漿中添加早強(qiáng)劑，凝固24 h后再繼續(xù)鉆進(jìn)施工。

(7)封孔。注漿結(jié)束后，用單液水泥漿封孔，防止雨水滲入采空區(qū)。

1.4.1.3止?jié){方式

大同地區(qū)侏羅系煤層的上覆巖層多為砂巖或砂質(zhì)泥巖，巖性比較完整。本次設(shè)計(jì)針對(duì)多個(gè)煤層采空區(qū)，止?jié){方式采用統(tǒng)一套管口壓蓋止?jié){方式(見圖2)，必要時(shí)也可孔內(nèi)下止?jié){塞。

圖2　套管口壓蓋止?jié){方式

1.4.2注漿施工

在注漿過(guò)程中，一次無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可多次掃孔，重復(fù)注漿，有利于保證注漿效果。

注漿系統(tǒng)主要有：供料系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、注漿設(shè)備、供漿管路、鉆孔逆止裝置等組成。

1.4.2.1制漿

制漿工藝流程見圖3。

圖3　制漿工藝流程

1．4．2．2注漿工藝流程

注漿工藝流程見圖4。

圖4　注漿工藝流程

1.4.2.3骨料施工工藝

施工中，在孔口安裝投料裝置，人工投放骨料與漿液混合進(jìn)入采空區(qū)。骨料溢出孔口掃孔，測(cè)量吊鉆高度，若仍大于0.5 m，需繼續(xù)充填骨料，若小于0.5 m，可進(jìn)行漿液注入，施工工藝如圖5所示。

1.4.2.4注漿壓力

本采空區(qū)埋深較淺，壓力過(guò)大會(huì)造成漿液浪費(fèi)，因此本次設(shè)計(jì)采空區(qū)治理注漿壓力取0.5～1.0 MPa，最終可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和具體要求進(jìn)行調(diào)整[2]。

1.4.2.5單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

在注漿末期，泵壓逐漸升高，當(dāng)注漿達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，泵量小于60 L/min超過(guò)15 min時(shí)，該孔注漿結(jié)束。

圖5　骨料投放施工工藝

2　施工質(zhì)量

2.1注漿材料及注漿漿液的質(zhì)量要求

(1)注漿材料要求。①采用PO32.5的普通硅酸鹽水泥，符合國(guó)家《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)；②水應(yīng)符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》要求；③施工用粉煤灰質(zhì)量應(yīng)符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；④外加劑(速凝劑)選用模數(shù)為2.4～3.4的水玻璃溶液，濃度大于38～42 °Be′，摻量占水泥量的2.0%[3]。

水玻璃性能指標(biāo)見表4。

表4　水玻璃性能指標(biāo)

符合國(guó)標(biāo)GB/T4209—2008液-2優(yōu)等品指標(biāo)要求。

(2)注漿漿液。注漿漿液需滿足流動(dòng)性、穩(wěn)定性、結(jié)石抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間等多種性能要求。因此，制漿完成后需進(jìn)行各種試驗(yàn)測(cè)定，以確保工程質(zhì)量。漿液性能指標(biāo)測(cè)試方法如下：①采用泥漿密度計(jì)測(cè)定漿液密度；②使用專門的泥漿黏度測(cè)量?jī)x器測(cè)量黏度；③結(jié)石率，將新配置的漿液放入量筒中靜置，記錄2 h漿液結(jié)石體積與漿液總體積的百分比;④結(jié)石體抗壓強(qiáng)度,用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的成型試模，在(20±5) ℃水中養(yǎng)護(hù)或標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，測(cè)定28 d齡期結(jié)石抗壓強(qiáng)度，每組取3塊測(cè)其平均值。

2.2施工過(guò)程質(zhì)量檢驗(yàn)

注漿工程是隱蔽工程，為保證本采空區(qū)注漿工程質(zhì)量，施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制工藝，加強(qiáng)對(duì)工序質(zhì)量的檢驗(yàn)。在注漿過(guò)程中，對(duì)鉆孔取芯、注漿材料、漿液配比、技術(shù)資料、封孔質(zhì)量等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量控制。

3　注漿充填效果質(zhì)量評(píng)估

由于采空區(qū)的隱蔽性、特殊復(fù)雜性，須對(duì)治理工程質(zhì)量的最終效果進(jìn)行檢驗(yàn)。檢測(cè)方法主要包括檢測(cè)孔鉆探取芯、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

檢測(cè)孔總數(shù)設(shè)計(jì)為注漿孔總數(shù)的3%～6%，布置在注漿孔附近。鉆探取芯采取率較好，可判斷漿液結(jié)實(shí)體與采空區(qū)的膠結(jié)充填程度較高，前期鉆孔內(nèi)的垮落、掉鉆現(xiàn)象消失。取芯結(jié)石體進(jìn)行的室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)符合規(guī)范要求，采空區(qū)注漿施工質(zhì)量效果明顯。

參考文獻(xiàn)

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[2]張宵，李術(shù)才,張慶松，等.關(guān)鍵孔注漿方法在高壓裂隙水封堵中的應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(7)：1414-1421.

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(收稿日期2016-05-12)

賀宏偉(1982—)，男，工程師100013 北京市朝陽(yáng)區(qū)青年溝東路5號(hào)。