吳瑞珉

（山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西榆次030620）

1 項(xiàng)目的來源及任務(wù)

山西省某煤礦擬對(duì)辦公區(qū)進(jìn)行改（擴(kuò)）建改造，由于擴(kuò)建用地范圍處于煤礦井田內(nèi)，存在較大的12#、15#煤采空區(qū)，同時(shí)進(jìn)行改（擴(kuò)）建東部存在煤矸石回填（局部存在自燃現(xiàn)象）區(qū)域，為確保改（擴(kuò)）建后建筑場(chǎng)地的穩(wěn)定性，需對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行煤矸石及下伏采空區(qū)綜合治理。

場(chǎng)地內(nèi)埋深大于2m的煤矸石，總面積約45412m2，回填深度約7～38m，場(chǎng)地內(nèi)部分地段還存在煤矸石自燃現(xiàn)象。本次治理的目的保證煤矸石場(chǎng)地及其上部建筑物的穩(wěn)定及安全。并消除場(chǎng)地部分地段煤矸石的自燃現(xiàn)象。

場(chǎng)地范圍內(nèi)存在12#、15#煤兩層采空區(qū)，12#煤采空區(qū)埋深約85m，煤層厚度約1.7m，回采率約40%，采空面積約49025㎡。15#煤采空區(qū)埋深約125m，煤層厚度約7m，回采率約30%。采空區(qū)面積約44916m2。本次采空區(qū)治理的范圍為12#、15#煤兩層采空區(qū)。

2 治理區(qū)地質(zhì)條件

治理區(qū)地層由新至老如下：

（1）人工填土（Q4）：以煤矸石為主，上部含磚屑、生活垃圾、建筑垃圾等，可見植物根系，大部分為黑色（局部地段及深度煤矸石因自燃為磚紅色），結(jié)構(gòu)松散；下部摻夾大量強(qiáng)風(fēng)化基巖碎塊。該層最厚的位置在場(chǎng)地中部，厚度達(dá)32.1m，平均厚度約20m。

（2）砂巖、泥巖互層（C3t）：以粉砂巖、中砂巖為主，強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化，一般厚為10m左右；泥巖為砂質(zhì)泥巖，可見植物化石，其厚度也因高程不同而不等，一般厚為6m左右。

（3）煤（C3t）：黑色，微風(fēng)化，碎塊—短柱狀，較軟，染手，鉆進(jìn)速度快，為8#煤下段。層厚0.5～1.1m，平均0.73m。

（4）泥巖、砂巖互層（C3t）：以泥巖為主，中部夾灰白色中砂巖，灰黑、灰白、黑色，微風(fēng)化，長柱狀，可見植物化石，砂巖含石英，其砂巖厚度一般為3.1m左右。層厚5.3～8.4m，平均7.117m。

（5）煤（C3t）：黑色，微風(fēng)化，長柱狀，硬，發(fā)亮，染手，鉆進(jìn)速度快，為9#煤上段。層厚0.4～1.0m，平均0.6m。

（6）煤（C3t）：黑色，微風(fēng)化，長柱狀，硬，染手，鉆進(jìn)速度快，為9#煤下段。層厚0.5～1.0m，平均0.7m。

（7）砂巖、泥巖互層（C3t）：以細(xì)砂巖及中砂巖為主，其厚度一般為19m左右，灰黑、灰白色，微風(fēng)化，長柱狀含石英，長石；夾灰黑色、黑色含植物化石及云母的砂質(zhì)泥巖；夾兩層薄層深灰色含方解石脈的石灰?guī)r。層厚31.7～33.6m，平均32.4m。

（8）煤（C3t）：黑色，微風(fēng)化，長柱狀，亮，染手，鉆進(jìn)速度快，為12#煤，是本區(qū)可主要可采煤層之一。層厚1.2～1.7m，平均1.38m。

（9）砂巖、泥巖互層（C3t）：以中砂巖為主，其厚度一般為2m左右，最大揭露厚度7.2m。

3 治理區(qū)煤矸石和采空區(qū)分布

3.1 煤矸石分布特征

3.1.1 煤矸石填埋場(chǎng)地原地形地貌及現(xiàn)地形地貌概況

煤矸石填埋場(chǎng)地主要位于辦公區(qū)東部，填埋區(qū)在20世紀(jì)70年代為一近東西向溝谷，標(biāo)高913.70～950.80m，現(xiàn)場(chǎng)地已被煤矸石填平，標(biāo)高950.56～959.60m。

3.1.2 煤矸石排棄情況

該區(qū)煤矸石主要來源于煤層夾石以及偽頂和頂板巖石。

3.1.3 煤矸石范圍及面積

根據(jù)原地形地貌及現(xiàn)地形地貌對(duì)比，圈定了改（擴(kuò)）建場(chǎng)地煤矸石填埋厚度大于2m的范圍，總面積45412m2。

3.2 采空區(qū)的分布特征及其穩(wěn)定性

3.2.1 采空區(qū)的分布特征

根據(jù)《勘查報(bào)告》，治理區(qū)12#煤埋深在73.7～85.6m之間，平均79.8m，煤層較穩(wěn)定,層底標(biāo)高871.1～880.5m，平均876.1m，層厚1.2～1.7m，平均1.383m，鉆孔施工時(shí)大部分巖芯為破碎泥巖、砂巖及煤，無明顯掉鉆現(xiàn)象，判定為12#煤采空區(qū)，煤層采空區(qū)主要為小窯開采，采空區(qū)分布無規(guī)律。影響建設(shè)場(chǎng)地穩(wěn)定性的12#煤采空區(qū)采空區(qū)面積49025m2。

根據(jù)資料所提供的15#煤井上下對(duì)照?qǐng)D，改（擴(kuò)）建區(qū)東南部存在大面積15#煤采空區(qū)。影響建設(shè)場(chǎng)地穩(wěn)定性的15#煤采空區(qū)采空區(qū)面積44916m2。

3.2.2 煤礦采空區(qū)變形及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

（1）采空區(qū)地表變形。治理區(qū)東南部煤礦1礦區(qū)，12#煤及15#煤均已采空；勘察區(qū)西南部為煤礦2礦區(qū)，12#煤及15#煤均部分采空。其埋深分別為85m左右與125m左右，煤層厚度分別為1.6m左右和7.0m左右。

區(qū)內(nèi)范圍內(nèi)東南部由于采空影響，地表曾產(chǎn)生裂縫及小范圍塌陷，但歷年來區(qū)內(nèi)堆放了大量雜煤矸石、生活垃圾及建筑垃圾，裂縫及塌陷已無明顯痕跡。

（2）采空區(qū)的地基穩(wěn)定性分析。對(duì)煤層采空區(qū)而言，由于煤層的采煤活動(dòng)，改變了巖體的應(yīng)力狀態(tài)，整體上看場(chǎng)地內(nèi)的巖體均受到煤層采動(dòng)的影響，巖體的穩(wěn)定性變差，垮落帶內(nèi)充填物碎塊較為松散，空隙大小不一，當(dāng)存在有上覆荷載時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生壓密過程，導(dǎo)致地面位移和變形，是工程建設(shè)的不穩(wěn)定區(qū)域，要求對(duì)建筑物下方的采空區(qū)塊段進(jìn)行治理。

4 完成主要工程量

4.1 測(cè)量放樣及復(fù)測(cè)

共完成鉆孔測(cè)量放樣1348個(gè)，其中測(cè)量放樣煤矸石鉆孔962個(gè)，測(cè)量放樣采空區(qū)鉆孔386個(gè)，所有放樣鉆孔全部進(jìn)行了復(fù)測(cè)工作。

4.2 鉆探

施工鉆孔1348個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺59274m。其中施工煤矸石鉆孔962個(gè)，鉆探18160m；采空區(qū)鉆孔386個(gè)，鉆探41113m。

4.3 注漿

總注漿量124372m3，其中煤矸石注漿量38128m3，采空區(qū)注漿量86244m3。

4.4 澆鑄孔口管及注漿管制作

共完成澆鑄孔口管1348個(gè)，其中煤矸石澆鑄孔口管962個(gè)，采空區(qū)澆鑄孔口管386個(gè)，共制作注漿管24110m。

5 施工設(shè)備配備

5.1 鉆探及其配套設(shè)備（見表1）

表1 鉆探及其配套設(shè)備

5.2 注漿及其配套設(shè)備

注漿及其配套設(shè)備為：BW-250型注漿泵9套、BW-250型水泵6套、QY-15裝載機(jī)3臺(tái)、漿液攪拌機(jī)6套、上料車12輛、配電柜12個(gè)、電焊機(jī)4臺(tái)、壓力表20臺(tái)、磅秤1臺(tái)。

5.3 工程主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為了保證采空區(qū)治理工程質(zhì)量，工地配備了試驗(yàn)專業(yè)設(shè)備（見表2）。

6 綜合治理工藝

6.1 工藝流程概述

煤矸石及采空區(qū)綜合治理工藝流程是本次綜合治理工程的核心內(nèi)容，包括成孔工藝、制漿工藝、注漿工藝等一系列前后連續(xù)、配合緊密的工藝流程。工藝流程內(nèi)各環(huán)節(jié)的相互關(guān)系如圖1所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備、儀器、器具明細(xì)表

圖1 綜合治理工藝流程圖

6.2 成孔工藝

6.2.1 定點(diǎn)

注漿孔及帷幕孔用全站儀測(cè)量放樣，鉆孔實(shí)際位置原則上不應(yīng)超過設(shè)計(jì)位置0.5m。

6.2.2 成孔工藝

（1）煤矸石治理成孔工藝。

回轉(zhuǎn)：用?127mm鉆頭開孔，邊鉆進(jìn)邊下入套管護(hù)壁。

錘擊：①用?127mm開孔管開孔，邊錘擊邊下入套管護(hù)壁，錘擊成孔最大深度為15m。②采用花鉆桿（鉆桿上打眼?1～2cm）直接錘擊至設(shè)計(jì)深度直接注漿。

潛孔錘：用?89mm錘頭，跟管鉆進(jìn)。

（2）采空區(qū)治理成孔工藝。土層及強(qiáng)風(fēng)化基巖選用合金鉆頭鉆進(jìn)，泥漿或套管護(hù)壁；中等及微風(fēng)化基巖選用復(fù)合體鉆頭鉆進(jìn)。成孔工藝如下：

回轉(zhuǎn)：用?127mm合金鉆頭開孔，鉆進(jìn)至基巖面下5m后，下入套管護(hù)壁，然后變徑用?89mm鉆頭，鉆進(jìn)至采空區(qū)中的塌陷冒落或煤層底板0.5～1.0m終孔。

潛孔錘：用?89mm錘頭，跟管鉆進(jìn)至采空區(qū)中的塌陷冒落或煤層底板0.5～1.0m終孔。

6.2.3 成孔技術(shù)要求

（1）煤矸石治理技術(shù)要求：

①鉆孔位置要與測(cè)量所定孔位一致，偏差不應(yīng)超過0.5m，不得擅自改變孔位。

②鉆孔施工過程中，如發(fā)現(xiàn)卡鉆、塌孔等異?，F(xiàn)象要詳細(xì)記錄其深度。

③終孔后經(jīng)技術(shù)人員檢查鉆探原始記錄后，報(bào)監(jiān)理驗(yàn)收并簽發(fā)終孔通知書后，方可轉(zhuǎn)入下一道工序。

④鉆探過程中，如鉆桿斷裂等原因造成的事故孔，應(yīng)在其周圍0.5m范圍內(nèi)補(bǔ)打一孔。

（2）采空區(qū)治理技術(shù)要求：

①鉆孔位置要與測(cè)量所定孔位一致，偏差不應(yīng)超過0.5m，不得擅自改變孔位。

②回轉(zhuǎn)成孔時(shí)基巖面5m以下必須采取清水鉆進(jìn)，回水池巖粉要及時(shí)清理干凈。

③鉆孔施工過程中，如發(fā)現(xiàn)漏水、漏風(fēng)、掉鉆、埋鉆、卡鉆等異?，F(xiàn)象要詳細(xì)記錄其深度、層位，并通知技術(shù)部門。

④鉆孔施工過程中和終孔后，要觀察并記錄鉆孔耗水量，進(jìn)行水位觀測(cè)，并記錄。

6.3 澆鑄孔口管

鉆孔結(jié)束后，采用?50mm鋼管，在管子前端20～30cm處焊接一圓形法蘭托盤（托盤直徑110～130mm之間），下入孔內(nèi)變徑處，松動(dòng)原?127mm護(hù)壁管，再灌入水灰比為（1∶1.5）～（1∶1.2）的稠水泥漿，煤矸石治理澆鑄長度為2.0m，采空區(qū)治理澆鑄長度為4～6m，然后起拔護(hù)壁管。?50mm鋼管要高出地面0.5m，并在管口安裝堵頭。

6.4 制漿工藝

6.4.1 漿液材料及配合比

（1）注漿材料。注漿材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝劑等組成，速凝劑可選用水玻璃，砂、碎石可就近取材。

（2）漿液配合比。

①煤矸石治理漿液配合比：煤矸石治理場(chǎng)地在治理完畢后擬進(jìn)行建筑施工，其上部建筑最大為5層，預(yù)估基地壓力為150kPa，煤矸石場(chǎng)地的承載力特征值可以滿足上部荷載要求，但其穩(wěn)定性不能滿足上部荷載要求，本治理主要是提高煤矸石場(chǎng)地的穩(wěn)定性，通過配比試驗(yàn)，漿液為水泥、粉煤灰漿，水固比取1∶1（重量比），固相比1∶1（重量比），即水∶水泥∶粉煤灰為1∶0.5∶0.5。

②采空區(qū)治理漿液配合比：漿液為水泥粉煤灰漿，本次以1∶1.1為主[帷幕孔可取(1∶1.2)～(1∶1.3）]，漿液稠稀隨注漿情況進(jìn)行調(diào)整。水泥占固相30%，粉煤灰占固相70%。帷幕孔的漿液中摻加水泥重量2%～5%速凝劑。注漿結(jié)石體強(qiáng)度不低于0.8MPa，結(jié)石率不小于90%。

6.4.2 漿液的配制

（1）原材料：水用水表或定量容器計(jì)量；水泥按袋計(jì)量；粉煤灰用容器計(jì)量，并要求用磅稱抽查水泥、粉煤灰的數(shù)量。

（2）漿液拌制過程如圖2所示。

圖2 漿液拌制過程

6.5 注漿工藝

6.5.1 注漿系統(tǒng)配置

注漿系統(tǒng)：料場(chǎng)、一級(jí)攪拌池（機(jī)）、二級(jí)攪拌池（機(jī)）、供水系統(tǒng)、注漿泵、注漿管道、封孔裝置等組成。

6.5.2 注漿工藝及其有關(guān)參數(shù)

（1）煤矸石治理注漿工藝及其有關(guān)參數(shù)：①施工順序：從中間向外圍逐漸步注漿。

②注漿：注漿孔成孔后采用一次性注漿。若施工過程中發(fā)現(xiàn)特殊情況，可在駐地監(jiān)理同意的情況下進(jìn)行臨時(shí)調(diào)整。

③單孔注漿孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：在注漿孔的注漿末期，泵壓逐漸升高，當(dāng)泵量小于70L/m in時(shí)，孔口壓力為1.0～1.5MPa或注漿孔周圍有冒漿等現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，可結(jié)束該孔的注漿施工。注漿孔周圍有冒漿現(xiàn)象時(shí)，報(bào)技術(shù)部及監(jiān)理部批準(zhǔn)后可結(jié)束該孔的灌漿施工。

（2）采空區(qū)治理注漿工藝及其有關(guān)參數(shù)：

①施工順序：先施工帷幕孔，再施工注漿孔，注漿分二序次進(jìn)行。

②注漿：在注漿施工的開始階段，注意搜集整理各地段各種配比漿液的灌注充填情況，獲取更為合理的注漿施工參數(shù)。

注漿采用漿液濃度先稀后稠的方法，注漿開始后，要定時(shí)觀測(cè)泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，收集原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整注漿量和漿液濃度。

③單孔注漿孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：在注漿孔的注漿末期，泵壓逐漸升高，當(dāng)泵量小于70L/m in時(shí)，孔口壓力為1.0MP或注漿孔周圍有冒漿等現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，可結(jié)束該孔的注漿施工。

6.6 注漿質(zhì)量控制

（1）在注漿工程施工過程中應(yīng)對(duì)水泥按照批次（或袋裝水泥300t、散裝水泥500t）檢測(cè)化驗(yàn)一次，粉煤灰按每800t檢測(cè)化驗(yàn)一次。

（2）在注漿工程施工過程中，應(yīng)隨時(shí)檢測(cè)漿液的比重、初終凝時(shí)間等參數(shù)。

（3）攪拌系統(tǒng)、注漿設(shè)備等必須進(jìn)行定期檢測(cè)和維修，以保證注漿施工連續(xù)進(jìn)行。

7 質(zhì)量保證措施

（1）施工前組織技術(shù)人員和施工管理人員仔細(xì)閱讀文件，了解設(shè)計(jì)意圖，明確施工技術(shù)的重點(diǎn)、編制符合實(shí)際情況并切實(shí)可行的施工方案，并報(bào)請(qǐng)甲方、監(jiān)理批準(zhǔn)；開工前，首先組織施工人員進(jìn)行圖紙技術(shù)交底。

（2）生產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)施工準(zhǔn)備，合理安排工序和勞力配備，下任務(wù)單，對(duì)每道工序進(jìn)行驗(yàn)收計(jì)量。

（3）不合格產(chǎn)品要及時(shí)退換，不合格品決不允許用于工程。

（4）質(zhì)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)交代每道工序的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)進(jìn)入工地的原材料、半成品、成品都要進(jìn)行驗(yàn)收，不合格品不得用于工程，對(duì)每道工序都要進(jìn)行簽證認(rèn)可。