許剛剛，王曉東，王 海，邵紅旗，曹祖寶

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦空洞型采空區(qū)是地下煤炭資源開采完成后留下的巨型空洞，是一種不穩(wěn)定的人工地質(zhì)構(gòu)造，隨著形成時(shí)間的推移和賦存環(huán)境的變化，這種不穩(wěn)定構(gòu)造可能發(fā)生退化而衍生地面塌陷、礦山地震等礦山災(zāi)害。尤其小型煤礦，開采手段落后，頂板管理方式粗放，且缺乏必要地質(zhì)資料，遺留的采空區(qū)潛在災(zāi)害更加嚴(yán)重[1，2]。隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和礦業(yè)城市的不斷發(fā)展，大量的鐵路、高速公路不得不穿越煤礦采空區(qū)，某些建筑物、構(gòu)筑物不得不在采空區(qū)上建造，采空區(qū)災(zāi)害更成為影響我國民眾長(zhǎng)期生存和社會(huì)長(zhǎng)期發(fā)展的突出問題。

目前國內(nèi)外對(duì)采空區(qū)地基處理措施主要有全部充填注漿法、局部支撐覆巖或地面構(gòu)筑物法、覆巖離層注漿法、釋放老采空區(qū)的沉降潛力法[3-7]。注漿充填法在公路[8，9]、鐵路[10]、橋梁[11，12]、隧道[13]、建(構(gòu))筑物[14-16]、水庫[17]等下伏采空區(qū)治理中都得到了廣泛的應(yīng)用，實(shí)踐證明注漿充填法是最直接、最有效的采空區(qū)治理措施。各類構(gòu)筑物下伏采空區(qū)的注漿，以充填采區(qū)大洞室及上覆巖土體較松散裂隙裂縫為主，為充填式注漿，用量動(dòng)輒上萬立方。然而，傳統(tǒng)水泥漿液因流動(dòng)擴(kuò)散范圍不易控制、泌水率高、結(jié)石率低、水料分散性大等，嚴(yán)重制約著采空區(qū)治理工程技術(shù)的精細(xì)化發(fā)展。注漿投砂法[18，19]能夠大大降低采空區(qū)充填成本，具有良好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益，但投砂受鉆孔孔徑的限制，投砂量較小，風(fēng)積砂與水泥粉煤灰漿混合比例不確定且不均勻，影響結(jié)實(shí)體強(qiáng)度，同時(shí)注漿擴(kuò)散不可控。

對(duì)于陜北地區(qū)大部分小煤窯房柱式開采所遺留的采空區(qū)，遺留空洞較大，現(xiàn)有的施工方法和充填材料很難達(dá)到理想的治理效果；房柱式采空區(qū)內(nèi)部構(gòu)造的復(fù)雜性和多變性，給采空區(qū)治理的理論研究和工程實(shí)踐帶來了很大困難。高濃度膠結(jié)材料[20-23]因其材料來源廣、結(jié)實(shí)率高、擴(kuò)散性可控及具有較高強(qiáng)度等特性在礦山充填開采領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但在煤礦采空區(qū)治理領(lǐng)域還鮮有應(yīng)用，針對(duì)空洞型煤礦采空區(qū)治理工程，以風(fēng)積砂為充填骨料，通過室內(nèi)試驗(yàn)開展高濃度膠結(jié)材料強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間、坍落度、分層度、泌水率、結(jié)實(shí)率測(cè)試，優(yōu)選出適宜的材料配比，以陜北某廢棄小窯采空區(qū)為對(duì)象，通過鉆探、鉆孔窺視與三維激光掃描綜合探查采空區(qū)空間形態(tài)，依據(jù)高濃度膠結(jié)材料性能進(jìn)行充填設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)充填治理，并綜合鉆探取芯驗(yàn)證、充填結(jié)實(shí)體強(qiáng)度測(cè)試、場(chǎng)地變形監(jiān)測(cè)3種手段對(duì)治理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 工程概況

陜北某煤礦措施井工業(yè)廣場(chǎng)位于考考烏素溝北，經(jīng)過場(chǎng)地平整之后建設(shè)了落煤塔、篩分車間、地磅房及驅(qū)動(dòng)機(jī)房等建筑物，驅(qū)動(dòng)機(jī)房西邊規(guī)劃有將要施工的熱風(fēng)爐房。在施工過程中，自2013年9月12日上午，該場(chǎng)地周邊的漿砌片石護(hù)坡開裂變形，場(chǎng)地內(nèi)出現(xiàn)大面積塌陷變形，篩分車間、西側(cè)邊坡及場(chǎng)內(nèi)路面出現(xiàn)多條裂縫，截至2013年9月17日，場(chǎng)地內(nèi)落煤塔最大下沉量達(dá)790mm，最大傾斜量達(dá)240mm；篩分車間最大下沉量達(dá)155mm，最大傾斜量達(dá)237mm，主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

通過走訪調(diào)研發(fā)現(xiàn)，措施井工業(yè)場(chǎng)地位于原鄉(xiāng)辦小煤礦采空邊界附近。該煤礦于2009年資源整合時(shí)關(guān)閉，關(guān)閉前主采2-2煤，開采方式為采9留7房柱式開采。根據(jù)走訪調(diào)查，該煤礦井田范圍內(nèi)2-2煤厚度4.75～6.79m，埋深約55m，小煤窯平均開采高度約為5m，2007年5月至2008年5月回采該區(qū)域，煤柱尺寸不規(guī)則，規(guī)律性差。

2 高濃度充填材料配比試驗(yàn)

高濃度膠結(jié)材料以水泥、粉煤灰為膠凝材料，以河砂、風(fēng)積砂、尾砂、煤矸石、建筑垃圾等為充填骨料，一般高濃度充填材料質(zhì)量濃度大于75%，目前最高濃度可達(dá)88%。料漿基本不沉淀、不泌水、不離析，膠凝材料用量少，結(jié)實(shí)率高，強(qiáng)度相對(duì)較高，流動(dòng)范圍可控，對(duì)于空洞型采空區(qū)治理適用性好。

2.1 試驗(yàn)方案

采空區(qū)治理項(xiàng)目附近地表廣泛存在著風(fēng)積砂，可作為采空區(qū)充填骨料，以PO42.5水泥、二級(jí)粉煤灰為膠結(jié)材料。高濃度膠結(jié)材料配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是滿足充填材料強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間、坍落度、分層度、泌水率、結(jié)實(shí)率等物理力學(xué)與流變性能指標(biāo)的條件下，使得充填材料成本最低、充填材料性能最優(yōu)，根據(jù)以往材料配比經(jīng)驗(yàn)，為降低材料成本，盡可能提高風(fēng)積砂的用量，降低水泥與粉煤灰的用量，設(shè)計(jì)水泥∶粉煤灰∶風(fēng)積砂為1∶3∶13，著重研究不同用水量下(材料質(zhì)量濃度)高濃度膠結(jié)材料的力學(xué)及輸送性能。

2.2 試驗(yàn)方法

按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)，高濃度膠結(jié)材料的凝結(jié)時(shí)間采用砂漿凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定，高濃度膠結(jié)材料分層度采用砂漿分層度測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定，單軸抗壓強(qiáng)度使用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)＞咧苽涑叽鐬?0.7mm×70.7mm×70.7mm試樣，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下(溫度20±2℃、濕度≥90%)，測(cè)試不同齡期試樣單軸抗壓強(qiáng)度；高濃度膠結(jié)材料坍落度按照普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50080—2016，采用坍落度桶進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)條件室溫均為20℃、濕度為90%。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

2.3.1 單軸抗壓強(qiáng)度

不同質(zhì)量濃度下高濃度膠結(jié)材料單軸抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線如圖1所示。由圖1可知，高濃度膠結(jié)材料單軸抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而不斷增大，而且在3d、7d、14d、28d齡期的單軸抗壓強(qiáng)度均隨著高濃度膠結(jié)材料質(zhì)量濃度的提高而增大，高濃度漿體質(zhì)量濃度對(duì)其單軸抗壓強(qiáng)度有著較大的影響，因此在保證高濃度漿液能夠泵送的條件下，可提高漿液的質(zhì)量濃度。高濃度膠結(jié)材料質(zhì)量濃度在82.5%～85%范圍內(nèi)28d單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.54～4.56MPa，遠(yuǎn)大于2MPa，對(duì)比水泥粉煤灰稀漿，在水泥(PO42.5)與粉煤灰(二級(jí)干灰)固相比為3∶7，漿液質(zhì)量濃度為50%(水膠比為1∶1)的條件下，漿液結(jié)實(shí)體28d強(qiáng)度為3.73MPa[24]，高濃度膠結(jié)材料中水泥的用量為水泥粉煤灰漿液水泥用量的51%，粉煤灰為64%。明顯可以看出高濃度膠結(jié)材料滿足相同強(qiáng)度的條件下，可大幅降低膠凝材料的用量。

圖1 高濃度膠結(jié)充填材料強(qiáng)度

2.3.2 坍落度

高濃度膠結(jié)充填材料坍落度隨質(zhì)量濃度變化曲線如圖2所示。由圖2可知，高濃度膠結(jié)材料質(zhì)量濃度對(duì)漿液的流動(dòng)性影響顯著，坍落度與質(zhì)量濃度呈拋物線函數(shù)關(guān)系，隨著質(zhì)量濃度的增加而下降，質(zhì)量度濃度在82.5%～84.2%之間時(shí)呈線性變化，而在質(zhì)量濃度大于84.2%之后，高濃度膠結(jié)材料的坍落度隨質(zhì)量濃度的增長(zhǎng)急劇降低，漿體的流動(dòng)性變差。國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明，高濃度膠結(jié)材料的坍落度范圍在20～25cm，即滿足高濃度膠結(jié)材料的泵送要求，可見，當(dāng)高濃度膠結(jié)材料質(zhì)量濃度在82.5%～85%之間時(shí)，坍落度范圍為22～25.5cm，該坍落度范圍的漿體符合泵送充填流動(dòng)性要求。

圖2 高濃度膠結(jié)充填材料坍落度

2.3.3 分層度

高濃度膠結(jié)充填材料的分層度隨質(zhì)量濃度變化曲線如圖3所示。由圖3可知，高濃度膠結(jié)材料分層度隨著質(zhì)量濃度的增大而呈線性降低，質(zhì)量濃度在82.5%～85%范圍內(nèi)分層度為0.9～2.1cm，基本符合泵送要求的漿液分層度[25]，可泵性好，漿液不易沉淀離析，不易造成堵管。

圖3 高濃度膠結(jié)充填材料分層度

2.3.4 凝結(jié)時(shí)間

高濃度膠結(jié)充填材料凝結(jié)時(shí)間隨質(zhì)量濃度變化曲線如圖4所示。由圖4可知，高濃度膠結(jié)充填材料凝結(jié)時(shí)間與質(zhì)量濃度呈線性關(guān)系，隨著質(zhì)量濃度的增加而降低，質(zhì)量濃度在82.5%～85%范圍內(nèi)高濃度膠結(jié)充填材料的凝結(jié)時(shí)間在9.8～13.4h范圍內(nèi)，滿足采空區(qū)充填泵送要求。

圖4 高濃度膠結(jié)充填材料凝結(jié)時(shí)間

2.3.5 泌水率

高濃度膠結(jié)充填材料泌水率隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，不同時(shí)間條件下高濃度膠結(jié)充填材料的泌水率不同，可分為三個(gè)階段：0～90min為快速泌水階段，該階段泌水率與時(shí)間呈線性增長(zhǎng)；90～180min為減速泌水階段，該階段泌水率隨時(shí)間呈拋物線變化，泌水率持續(xù)隨時(shí)間尺寸增大，但泌水速度逐漸降低，而泌水率趨于穩(wěn)定；180min以后為泌水結(jié)束階段，該階段泌水率將終止，不再隨時(shí)間發(fā)生變化。質(zhì)量濃度對(duì)高濃度漿體泌水率影響顯著，質(zhì)量濃度越高，泌水率越小，30min內(nèi)，所有試樣的泌水率均小于2%，60min內(nèi)，不同質(zhì)量濃度的試樣泌水率均小于5%，符合充填泵送要求，同時(shí)由于采空區(qū)充填管道相對(duì)于充填開采較短，1h內(nèi)的漿體泌水率控制在1.5%～5%內(nèi)即可保證充填管路的安全。

圖5 高濃度膠結(jié)充填材料泌水率

2.3.6 結(jié)實(shí)率

高濃度膠結(jié)材料結(jié)實(shí)率隨質(zhì)量濃度變化曲線如圖6所示。由圖6可知，質(zhì)量濃度在82.5%～85%范圍內(nèi)，高濃度膠結(jié)充填材料的結(jié)實(shí)率在98.5%～99.5%之間，結(jié)實(shí)率與質(zhì)量濃度呈線性關(guān)系，隨著質(zhì)量濃度的增長(zhǎng)而增大。而采空區(qū)注漿常用的水泥粉煤灰漿液結(jié)實(shí)率為70%～85%，漿液結(jié)實(shí)率越低，需要補(bǔ)漿的量就越大，最終的注漿量就會(huì)越高，可見僅從漿液結(jié)實(shí)率參數(shù)指標(biāo)可知，高濃度漿體最終的注漿量約為水泥粉煤灰漿液的70%～86.3%[24-26]。因此，通過提高漿液濃度，提高漿液結(jié)實(shí)率，可減少注漿量，降低材料成本。

圖6 高濃度膠結(jié)充填材料結(jié)實(shí)率

3 空洞型采空區(qū)高濃度膠結(jié)材料充填治理技術(shù)

3.1 空洞型采空區(qū)探查

由于空洞型采空區(qū)的復(fù)雜性，目前的探查手段和方法的結(jié)果誤差較大，因此綜合采用鉆探、鉆孔窺視與三維激光掃描聯(lián)合探測(cè)方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行探查，以期查明采空區(qū)賦存狀態(tài)、煤柱分布，采空區(qū)空洞與空隙體積，為采空區(qū)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.1.1 空洞型采空區(qū)鉆探探查

在措施井工業(yè)場(chǎng)地井口、熱風(fēng)爐房、篩分車間區(qū)域共計(jì)完成了17個(gè)探查鉆孔，其中掉鉆孔12個(gè)，煤柱孔5個(gè)，鉆孔個(gè)數(shù)掉鉆率71%，地表下沉量不大，但地表有許多裂縫。該區(qū)域主要開采侏羅系延安組第四段的2-2煤層，地表溝谷處有基巖出露，局部有0～1.8m厚的回填土，含有煤渣、石塊及建筑垃圾等；回填土下面是0.6～3.4m厚的粉土，在15.0～16.5m處有1.5m左右的1-2煤。采空區(qū)上覆基巖厚度47～53m，采空區(qū)埋深為52～57m，采厚約5m，采深采厚比遠(yuǎn)小于30，屬于典型淺層采空區(qū)。小煤窯采空區(qū)頂板基本未冒落，局部有輕微塌陷，大部分呈懸空狀態(tài)，采空區(qū)“三帶”發(fā)育特征不明顯，鉆孔揭露采空區(qū)時(shí)掉鉆段高4.5～6.0m。

3.1.2 空洞型采空區(qū)孔內(nèi)窺視探查

采用CXK12礦用鉆孔成像儀進(jìn)行采空區(qū)鉆孔窺視，由采空區(qū)頂板窺視結(jié)果可知，該鉆孔壁面四周巖體完整，無明顯裂隙或空隙，說明該處采空區(qū)頂板完整，沒有發(fā)生破斷。由采空區(qū)底板形態(tài)探測(cè)結(jié)果可知，底板表面比較平整，無破碎冒落巖體，鉆孔清晰可見，穿越煤層底板，采空區(qū)頂板至煤層底板高度為5m，這一結(jié)果與鉆探掉鉆高度相吻合。

3.1.3 空洞型采空區(qū)三維激光掃描探查

三維激光掃描采用英國MDL公司研發(fā)的C-ALS設(shè)備，通過鉆孔對(duì)地下采空區(qū)進(jìn)行三維測(cè)量。該設(shè)備以360°的視角對(duì)地下采空區(qū)進(jìn)行掃描，取得高密度的“點(diǎn)云”，三維空腔點(diǎn)云具有真實(shí)的方位、坐標(biāo)和體積，為采空區(qū)探查與治理提供最直觀的參考依據(jù)?？斩葱筒煽諈^(qū)激光掃描三維如圖7所示，掃描到的空洞型采空區(qū)呈圓臺(tái)狀，頂部寬度13.9m，底部寬度17.9m，南北寬度為17.5m，東西寬度為14.9m，采空區(qū)高度為5.0m。

圖7 空洞型采空區(qū)激光掃描三維形態(tài)

綜合現(xiàn)場(chǎng)走訪調(diào)研、鉆探、孔內(nèi)窺視與三維激光掃描探查結(jié)果，結(jié)合房柱式采煤特點(diǎn)可初步分析該工業(yè)場(chǎng)地下伏采空區(qū)的分布概況如圖8所示，其中圈定為本次治理區(qū)域，充填鉆孔間距10～15m，建構(gòu)筑物下充填鉆孔以及帷幕孔間距5～10m。根據(jù)煤柱的分布，可指導(dǎo)鉆孔設(shè)計(jì)，避免無效的煤柱鉆孔，提高采空區(qū)治理效率。殘留煤柱在長(zhǎng)期礦山壓力作用下發(fā)生分叉、煤壁剝落及塑性變形破壞，有效殘留煤柱率降低，頂板在上覆巖層重力作用下而發(fā)生“切冒式破壞”，引起采空區(qū)失穩(wěn)，地表非連續(xù)變形破壞發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，突發(fā)性強(qiáng)，地表建(構(gòu))筑物潛在的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性程度很高。場(chǎng)地適宜性評(píng)價(jià)表明，場(chǎng)地作為大型工業(yè)場(chǎng)地“適宜性差”需對(duì)地下殘留的空洞及采動(dòng)裂隙進(jìn)行全面的治理，以確保地面建(構(gòu))筑物及在建礦井的安全運(yùn)營(yíng)。

圖8 工業(yè)場(chǎng)地下伏采空區(qū)位置預(yù)測(cè)

3.2 空洞型采空區(qū)充填設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)采空區(qū)治理有注漿充填法、局部支撐法和釋放沉降潛力法等處理方法。注漿充填加固是最直接、最有效的采空區(qū)治理措施。該礦措施井工業(yè)廣場(chǎng)采空區(qū)屬淺層采空區(qū)，根據(jù)陜北地區(qū)采空區(qū)治理的經(jīng)驗(yàn)及探查結(jié)果，該措施井工業(yè)廣場(chǎng)采空區(qū)治理采用地面全孔間歇式充填注漿方案。

3.2.1 治理范圍

治理范圍為措施井工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)措施井井口、驅(qū)動(dòng)車間、棧橋、熱風(fēng)爐房及管道區(qū)域。場(chǎng)地內(nèi)2-2煤埋深52.0～57.0m，影響區(qū)的范圍按老采空區(qū)覆巖活化移動(dòng)角70°進(jìn)行確定。圍護(hù)帶寬度按照15m計(jì)算，采空區(qū)影響帶寬度為20m，則采空區(qū)治理寬度為基礎(chǔ)外35m，因此治理區(qū)域面積為7000m2。

3.2.2 治理區(qū)鉆孔布設(shè)

本次治理采用鉆孔注漿法充填采空區(qū)，根據(jù)圖8所示的采空區(qū)位置預(yù)測(cè)平面圖進(jìn)行布設(shè)鉆孔，終孔層位為2-2煤，對(duì)于打到采空區(qū)的鉆孔進(jìn)行充填注漿。在熱風(fēng)爐房及井口等治理區(qū)域布設(shè)60個(gè)注漿孔，孔間距為10～15m，注漿孔優(yōu)先布置在采空巷道及建筑物基礎(chǔ)部位。

3.2.3 注漿充填量預(yù)計(jì)

采空區(qū)剩余空洞體積估算公式為：

式中，S為采空區(qū)治理區(qū)域面積，m2；M為煤層采高，m；N為煤層回采率，%；n為采空區(qū)剩余孔隙率，%；α為煤層傾角，(°)。

由采空區(qū)探查結(jié)果可知：采空區(qū)采高M(jìn)為5m，回采率N為70%，采空區(qū)剩余孔隙率n為100%，煤層傾角α取0°，則由公式(1)可知，采空區(qū)剩余空洞體積約24500m3。

充填注漿量計(jì)算公式為：

式中，τ為注漿量漿液消耗系數(shù)，高濃度漿液消耗系數(shù)取1.1，水泥粉煤灰漿消耗系數(shù)按1.25計(jì)算；η為漿液充填系數(shù)，漿液對(duì)采空區(qū)及上覆巖層中的裂隙、裂縫和充填率要求為90%；c為漿液結(jié)石率，對(duì)于高濃度漿體材料結(jié)實(shí)率按90%計(jì)算，水泥粉煤灰漿結(jié)實(shí)率按80%計(jì)算。

對(duì)于水泥粉煤灰漿攜砂充填法，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，最大攜砂量為25%，設(shè)計(jì)投砂量為20%；對(duì)于高濃度漿液，帷幕孔及掉鉆超過0.5m以上注漿孔可設(shè)計(jì)注高濃度漿液，根據(jù)采空區(qū)探查結(jié)果，設(shè)計(jì)注漿總量的80%為高濃度漿液充填，其余20%進(jìn)行水泥粉煤灰漿充填，兩種充填方案注漿量見表1。

表1 不同充填方案注漿量設(shè)計(jì)表

3.2.4 注漿充填方案選擇

根據(jù)高濃度漿液室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，滿足強(qiáng)度、流動(dòng)性、穩(wěn)定性、泌水率和結(jié)實(shí)率等性能要求的高濃度漿液中水泥∶粉煤灰∶風(fēng)積砂∶水=1∶3∶13∶3.03～3.30。水泥粉煤灰漿液中水泥∶粉煤灰∶水=1∶2.33∶3.33。

根據(jù)當(dāng)?shù)刈{充填材料價(jià)格，PO42.5水泥450/t，二級(jí)粉煤灰120元/t，風(fēng)積砂30元/m3，可計(jì)算高濃度漿液成本為118元/m3，水泥粉煤灰漿液成本為182元/m3，則不同注漿方案造價(jià)見表2。

表2 不同充填方案造價(jià)表

由表2可知，采用高濃度漿液材料成本為水泥粉煤灰漿液成本的67.5%，可大大降低采空區(qū)治理成本。對(duì)于水泥粉煤灰漿液攜砂充填方案，當(dāng)?shù)翥@高度大于0.5m時(shí)進(jìn)行孔口投砂。這種工藝技術(shù)目前已較為成熟，但投砂施工由于受鉆孔孔徑的限制，投砂量較小，且不能保證水泥粉煤灰漿液與風(fēng)積砂在鉆孔中均勻混合，影響結(jié)實(shí)體強(qiáng)度，同時(shí)注漿擴(kuò)散不可控。對(duì)于高濃度漿液充填方案，高濃度漿液可經(jīng)混凝土拌合站進(jìn)行制漿，經(jīng)混凝土輸送泵進(jìn)行充填，操作簡(jiǎn)單，且高濃度漿液流動(dòng)性較小、結(jié)石率高，充填范圍的可控性較好。因此綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、工藝難度等，可采用高濃度漿液充填治理空洞型采空區(qū)。

4 空洞型采空區(qū)治理效果

通過為期3個(gè)月的采空區(qū)充填治理，鉆探施工完成了熱風(fēng)爐房、驅(qū)動(dòng)機(jī)房及井口的注漿孔，共計(jì)60個(gè)，總進(jìn)尺3900m，共注漿27019m3(高濃度漿液20774m3、水泥粉煤灰漿6245m3)。為保證工后治理效果，項(xiàng)目綜合采用鉆探取芯驗(yàn)證、充填結(jié)實(shí)體強(qiáng)度測(cè)試、場(chǎng)地變形監(jiān)測(cè)分析等方法對(duì)采空區(qū)治理效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 鉆探取芯驗(yàn)證

通過檢查孔全孔取芯直可接觀察采空區(qū)的漿液充填情況，根據(jù)鉆探巖芯采取率和巖芯的破碎程度，可判斷漿液結(jié)石體與圍巖的膠結(jié)程度。根據(jù)鉆機(jī)過程的循環(huán)液的消耗量及孔內(nèi)靜水位觀測(cè)結(jié)果及孔壁的穩(wěn)定性等，可判斷漿液對(duì)破碎巖層的充填和膠結(jié)后的完整程度。檢查孔優(yōu)先布設(shè)在：①重要建(構(gòu))筑物等容許變形要求較高的重要部位；②地層破碎、塌孔、掉鉆等地質(zhì)條件復(fù)雜的部位；③末序孔注入量大的孔段附近；④注漿情況不正常以及分析認(rèn)為注漿質(zhì)量有問題的部位。檢查孔總數(shù)不得少于注漿孔總數(shù)的5%，且不得少于5個(gè)，共布置5個(gè)檢查鉆孔，總進(jìn)尺314.6m。檢查孔施工及檢測(cè)情況見表3。

表3 治理前后鉆孔對(duì)比表

由表3可知，所有檢查孔均無掉鉆現(xiàn)象，全孔返水、無漏水現(xiàn)象，檢查孔注漿充填段均可見長(zhǎng)柱狀、短柱狀、碎塊狀注漿結(jié)石體，取芯率較高，達(dá)到95%。說明采空區(qū)中大空洞、空隙與裂隙充填程度較好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4.2 充填結(jié)實(shí)體強(qiáng)度測(cè)試

分別對(duì)5個(gè)鉆孔揭露的充填結(jié)實(shí)體取樣，進(jìn)行天然單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室將結(jié)石體心樣加工成標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 檢查孔充填結(jié)實(shí)體強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

從表4中可以看出，5個(gè)檢查孔取出的高濃度漿液結(jié)實(shí)體單軸抗壓強(qiáng)度為3.3～3.9MPa，平均值3.6MPa，均大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度2MPa，說明充填結(jié)實(shí)體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足國家規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，可有效控制覆巖及地表變形。

4.3 場(chǎng)地變形監(jiān)測(cè)

根據(jù)測(cè)繪成果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，利用礦區(qū)原有GPS點(diǎn)作為本次變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的平面基準(zhǔn)點(diǎn)，于2013年10月11日布設(shè)并聯(lián)測(cè)平面工作基點(diǎn)3個(gè)、水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)2個(gè)，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)10個(gè)。其中s1、s2為篩分車間地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，y1為末煤落煤塔地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，z1為塊煤落煤塔地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。采空區(qū)場(chǎng)地地表變形監(jiān)測(cè)曲線如圖9所示，從圖9中可以看出，采空區(qū)治理區(qū)域在施工結(jié)束兩個(gè)月后，標(biāo)高趨于穩(wěn)定，表明建筑物已停止沉降，高濃度漿體結(jié)實(shí)體對(duì)采空區(qū)的空洞得到了有效的充填。

圖9 采空區(qū)地表變形監(jiān)測(cè)曲線

綜合鉆探取芯驗(yàn)證、充填結(jié)實(shí)體強(qiáng)度測(cè)試、場(chǎng)地變形監(jiān)測(cè)3種手段，綜合檢測(cè)結(jié)果相互印證，均說明注漿處理采空區(qū)達(dá)到了治理設(shè)計(jì)要求，通過注漿施工，對(duì)地下采空區(qū)域進(jìn)行了有效充填，對(duì)采空區(qū)起到了較好的加固和支撐作用，地表再次發(fā)生非連續(xù)垮塌災(zāi)害的可能性較小。

5 結(jié) 論

1)高濃度漿液膠結(jié)材料用量少，結(jié)實(shí)率高，強(qiáng)度相對(duì)較高，漿液流動(dòng)范圍可控，易于輸送，可以大幅降低膠凝材料的用量，降低充填材料成本，對(duì)于空洞型采空區(qū)適用性好。

2)綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、鉆探、孔內(nèi)窺視與三維激光掃描對(duì)空洞型采空區(qū)進(jìn)行探查，可準(zhǔn)確探查采空區(qū)賦存狀態(tài)、煤柱分布，定量計(jì)算采空區(qū)空洞與空隙體積，為采空區(qū)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3)以陜北某工業(yè)場(chǎng)地下伏房柱式采空區(qū)治理為例，因地制宜，采用地表廣泛存在的風(fēng)積砂，成功應(yīng)用了高濃度膠結(jié)材料充填技術(shù)，材料成本降低32.5%，工后經(jīng)鉆探取芯驗(yàn)證、充填結(jié)實(shí)體強(qiáng)度測(cè)試、場(chǎng)地變形監(jiān)測(cè)3種手段，綜合檢測(cè)結(jié)果相互印證，表明治理后的采空區(qū)達(dá)到了治理設(shè)計(jì)要求。