喬燕珍

（呼倫貝爾學(xué)院 礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

內(nèi)蒙古東部呼倫貝爾草原是世界三大草原之一，被譽(yù)為“中國最美草原”。該地區(qū)煤炭資源豐富，具有儲(chǔ)量大、煤層厚、煤質(zhì)好的特點(diǎn)，20世紀(jì)八九十年代該區(qū)域小煤窯數(shù)量眾多，大量的私挖盜采導(dǎo)致草原區(qū)域存在大量的采空區(qū)域[1-2]。此類采空區(qū)頂板多為軟巖，埋藏深，難以采用爆破法治理，目前主要通過注漿填充的方式進(jìn)行治理[3]，注漿材料各有差壓，常用水泥-粉煤灰、黏土、膨潤土、尾砂等材料，主要研究填充時(shí)材料的析水率、結(jié)實(shí)率、抗壓強(qiáng)度、漿液結(jié)石率、觸變性等特性[4-10]。張恒[11]、韓曉雷[12]等設(shè)計(jì)了專門的投沙設(shè)備，采用天然風(fēng)積沙、水泥、粉煤灰、速凝劑等對高速公路下伏采空區(qū)進(jìn)行了充填治理。

寶日希勒露天煤礦位于呼倫貝爾市陳巴爾虎旗，其東側(cè)賦存有大量上覆軟巖大埋深小窯采空區(qū)，導(dǎo)致采用大型設(shè)備和人工的方式進(jìn)行治理時(shí)，面臨小窯坍塌的安全隱患[13-16]。寶日希勒礦區(qū)自2010年以來已開展了5次治理工程，形成了1套以人工投料為主的砂巖填充治理方法。但是以往注砂法不僅填充速度緩慢，而且填充技術(shù)成本較高，若采用水泥、速凝劑等固化材料，將造成后續(xù)采空區(qū)域露天開采時(shí)土方剝離困難。因此，本研究以寶日希勒露天煤礦為典型，旨在形成1套安全高效且不影響后續(xù)采剝的上覆軟巖大埋深小窯采空區(qū)填充治理技術(shù)。

1 采空區(qū)概況與地質(zhì)條件

通過專項(xiàng)勘察，查清了小窯采空區(qū)的開采方式、分布、形態(tài)特征及以往治理方式。研究區(qū)域位于寶日希勒露天煤礦東側(cè)計(jì)劃開采區(qū)，此處私人開窯方式為：人為劃定開采區(qū)域，區(qū)域內(nèi)施工豎井，人工開挖巷道后逐層推進(jìn)，到達(dá)采煤點(diǎn)進(jìn)行開挖，放炮，采煤，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定采煤量，最終以“樹枝式”后退進(jìn)行分支開采。研究區(qū)域采用鉆探方式探測到空腔200多處，空腔最大垂高為13.5 m，埋深在40～60 m之間。研究區(qū)域地層第四系埋深約36 m，自上而下依次為腐殖土（黑灰色，松軟，富含現(xiàn)代植物根須，含少量細(xì)砂）、砂質(zhì)黏土（褐黃色，松軟，具塑性，可搓條，搓條直徑約3 mm，含少量細(xì)砂）、砂礫層（灰褐色，分選性差，礫石次圓狀，礫徑1～3 cm）。煤層的頂板為碎屑巖組，由砂礫巖、中粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖組成。因此采空區(qū)上覆巖層主要為軟巖。寶日希勒礦區(qū)以往填充治理方法示意圖如圖1。

圖1 寶日希勒礦區(qū)以往填充治理方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of previous filling treatment methods in Baorixile Mining Area

寶日希勒礦區(qū)自2010年以來已開展5次采空區(qū)治理工程，采空區(qū)治理以往采取的方法為：裝載機(jī)推料至注砂漏斗四周，人工將砂土通過漏斗送料至注砂孔中，而后通過自流水將砂土帶入采空區(qū)中，利用水流的壓力使砂土在小窯腔體內(nèi)擴(kuò)散開。

2 半自動(dòng)填充治理技術(shù)

改進(jìn)原則為：①有效提升注砂填充治理方法機(jī)械化程度，大大提升填充注砂治理速度；②降低治理成本，提高治理作業(yè)安全性。

2.1 成孔工藝

1）技術(shù)要求。①采用車載鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，鉆孔位置要與測量所定孔位一致，偏差不應(yīng)超過0.5 m；②為了保證注砂速度，注砂孔的孔徑不得小于230 mm；③為防止長時(shí)間成孔不注砂、局部孔腔彎曲及注砂過程中孔壁第四系松散層（埋深一般為0～36 m）坍塌及泥巖層（埋深一般為30～36 m）縮孔，對掉鉆2 m及以上的勘查孔設(shè)置注砂鋼管，注砂鋼管管徑168 mm，管長36 m，以確保第四系松散層的孔壁完整；④注砂孔應(yīng)保證孔道通達(dá)至小窯，且孔的傾斜度不得超過3°。

2）澆鑄孔口管。①每根注砂鋼管對接口不可直接合縫點(diǎn)焊，鋼管對接后至少采用3根鋼筋外環(huán)對接焊。另外，鋼管內(nèi)壁平齊對口，錯(cuò)變量不應(yīng)超過壁厚10%，且不應(yīng)大于1 mm；②頂端鋼管口標(biāo)高基本與地表保持一致，不得高于地表20 cm以上或低于地表5 cm以下；③為防止鋼管墜落，地表鋼管口應(yīng)綁定1根厚度不小于70 cm木板。

2.2 注漿設(shè)備研制

2.2.1 設(shè)計(jì)原理

1）砂巖以一定速度鏟入注砂器后，形成倒椎體。當(dāng)漏斗板的水平傾斜角大于砂巖的靜態(tài)安息角時(shí)，砂巖會(huì)從下方滑出出料口。

2）在漏斗板2側(cè)各設(shè)置1個(gè)高壓注水口，注水口成扁喇叭狀。水流沖刷漏斗板形成滑動(dòng)面并與填充物料混合，以加速砂巖的注入速度。

2.2.2 常見填充物料靜態(tài)安息角

本次填充物料按照因地制宜，就地取材的原則，采用露天采礦剝離土方的中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖。松散條件下的安息角見表1。

表1 砂巖所含物料安息角Table 1 Repose angles of materials in sandstone

2.2.3 注砂設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)

1）篩分器。篩分器設(shè)置為傾斜安置的篩分板，主要用于剔除大粒徑塊狀巖石和減緩下料速度，防止造成孔內(nèi)堵塞。當(dāng)篩上大塊較多時(shí)，由裝載機(jī)使用鏟斗進(jìn)行掃除。篩板長度和寬度設(shè)計(jì)時(shí)稍大于轉(zhuǎn)載機(jī)鏟斗尺寸。本次主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。注砂方法如圖2。

圖2 本次注砂方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of sand-fillingmethod

表2 篩分器主要設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表Table 2 Main design parameters of siever

2）下料口。注砂孔成孔孔徑為230 mm，因此設(shè)計(jì)下料口為邊長250 mm的正方形。

3）篩分板。表面粗糙度Ra設(shè)計(jì)為3.2～6.3μm，傾斜度為48°。

4）注漿壓力。注漿壓力是給予漿液擴(kuò)散、充填、壓實(shí)的能量，在保證注漿效果的前提下，注漿壓力大，則有利于漿液的擴(kuò)散，減少注漿孔數(shù)量，同時(shí)提高可灌性，經(jīng)過計(jì)算，注漿壓力理論值為0.79～1.68 MPa。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，本次研究選用：注漿壓力0.8～1.0 MPa，注漿結(jié)束階段大于1.0 MPa。各孔具體參數(shù)在實(shí)際施工中略微調(diào)整。其注漿壓力從理論上應(yīng)為：

式中：p為注漿壓力，MPa；rn為受注巖層的容量，治理采空區(qū)主要為褐煤層，取1.05～1.2；h0為注漿管的嵌入深度，空腔埋深為30～70 m；m為漿液通過裂隙或孔隙流動(dòng)時(shí)的阻力，取0.4～0.5。

5）注漿周期T。考慮到作業(yè)場地狹窄，并為了降低安全風(fēng)險(xiǎn)，因此每個(gè)注砂器配備1臺(tái)2.0轉(zhuǎn)載機(jī)。2.0裝載機(jī)注漿1個(gè)完整流程為：鏟料、運(yùn)料、投料、注漿、洗孔。鏟斗滿載方量為0.6 m3，當(dāng)物料堆存在近處時(shí)，鏟料、運(yùn)料最少耗時(shí)50 s。投料時(shí)物料需通過篩分器，投料順利過篩耗時(shí)至少13 s，過篩量約為0.5 m3。當(dāng)注漿、洗孔在鏟料、運(yùn)料的間隔內(nèi)完成時(shí)，此為理想注砂周期T（T＝63 s）。

2.3 注漿試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料采用砂巖（粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖）、亞砂土和亞黏土等采剝固廢為試驗(yàn)材料。

試驗(yàn)1以材料（粉砂巖（粒徑0.004～0.06 mm）、細(xì)砂巖（粒徑2～8 mm）、中砂巖（粒徑8～32 mm）[17]、亞砂土、黏土）、配水量（按照水固比1∶5、1∶2、1∶1.4、1∶1.2、1∶1、1∶0.6、1∶0.5）為變量因素，進(jìn)行正交試驗(yàn)。以周期T內(nèi)的注砂量Q為考察指標(biāo)，確定最佳填充材料、最佳配水量。

試驗(yàn)2在同一治理區(qū)塊安排3組采用以往注砂方法、2組采用本次注砂方法進(jìn)行治理作業(yè)，連續(xù)8 d記錄以往注砂法和本次注砂法的每組日平均注砂量和治理成本，以檢驗(yàn)治理方法的可靠性。

2.3.2 不同材料注入量Q分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了不同填充材料配水量與注入量Q試驗(yàn)結(jié)果關(guān)系圖如圖3。

圖3 不同材料在周期T內(nèi)注砂量與配水量試驗(yàn)結(jié)果圖Fig.3 Experimental results of sand filling and water content of different materials in cycle T

由圖3可知，周期T內(nèi)完成相同的注入量Q，配水量由大到小依次為：黏土＞亞砂土＞細(xì)砂巖；相同配水量的條件下，注入速度由大到小依次為：細(xì)砂巖＞亞砂土＞黏土。因此，優(yōu)先選擇細(xì)砂巖作為寶日希勒露天煤礦采空區(qū)填充治理材料。

同時(shí)由曲線A可知，當(dāng)配水量增加，注砂量先緩慢增加，當(dāng)配水量達(dá)到0.25 m3（固液配合比0.5∶1），注砂量開始隨著配水量增加顯著提升，當(dāng)固液配合比達(dá)到1∶1時(shí)，注砂量增加幅再次變緩，當(dāng)配水量達(dá)到0.42 m3（固液配合比1∶1.2）時(shí)，注砂量達(dá)到頂峰，之后增加配水量，注砂量不再增加。因此，設(shè)計(jì)配水量范圍應(yīng)按照1∶1～1∶1.2考慮。

2.3.3 砂巖類注砂性能分析

不同配水量條件下，粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖周期T內(nèi)注砂量試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 不同砂巖在周期T內(nèi)注砂量與配水量試驗(yàn)結(jié)果圖Fig.4 Experimental results of sand filling and water content of different sandstone materials in cycle T

由圖4可知，3種不同粒徑的砂巖均能達(dá)到最大注砂速度，相對材料優(yōu)先選擇順序?yàn)椋杭?xì)砂巖＞中砂巖＞粉砂巖。粉砂巖性能較差主要原因是粉砂礫巖配水后，膠黏性比其它砂礫巖大，容易導(dǎo)致注砂器下料口淤堵。同時(shí)，現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)灰黃色細(xì)砂巖注砂性能最強(qiáng)。

2.3.4 治理成本對照分析

以往與本次治理方法效果試驗(yàn)結(jié)果如圖5，圖中成本比指以往注砂法與本次注砂法的每方注砂量成本之比。由圖5可知，本次每組平均注砂量為245.25 m3/d，以往注砂法平均注砂量為85.5 m3/d。因此，本次注砂法注砂速度相比以往注砂法提升了2.9倍，而成本下降了77%。

圖5 傳統(tǒng)注砂法與本次注砂法效果對照圖Fig.5 Comparison of traditional sand-filing method and sand-filling methodusedinthispaper

3 結(jié)語

1）通過設(shè)計(jì)研發(fā)1套上覆軟巖大埋深小窯采空區(qū)注漿填充治理方法，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化注漿，從而提高注砂效率并保障現(xiàn)場作業(yè)安全。

2）通過理論計(jì)算，按照注漿壓力0.8～1.0 MPa、結(jié)束階段注漿壓力大于1.0 MPa實(shí)施注砂，現(xiàn)場使用效果良好。

3）通過注砂試驗(yàn)，砂礫巖相比黏土和亞砂土具有良好注漿效果，通過砂礫巖類注砂試驗(yàn)對比，細(xì)砂巖相比粉砂巖和中砂巖具有良好注砂效果，可優(yōu)先選擇細(xì)砂巖作為采空區(qū)填充治理材料；砂土材料液固配比在1∶1～1∶1.2區(qū)間內(nèi)，注砂效率最高。

4）與寶日希勒露天煤礦以往填充治理方法相比，改進(jìn)后注漿填充方法，注砂速度提升2.9倍，成本下降77%。

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