韩朝

摘要：阳新煤矿经几十年的开采，近几年地表塌陷时有发生，说明该区地面塌陷地质灾害有进一步发展趋势，该区北部大量矸石堆放破坏土地资源、破坏自然景观，沿矸石堆坡面有小的土溜、水土流失现象。通过对采空区地面填充压浆治理，消除或减轻采空地面塌陷对居民生命财产的威胁。

关键词：采空区；地面塌陷；治理方法

1、工程概况和地质环境现状及特征

湖北省黄石市矿山地质环境治理工程项目（第一标段）七约山治理区位于阳新县金海煤炭开发管理区。治理区中心地地理位置：东径115°11′22.5″，北纬30°05′20″。行政区划属阳新县管辖，区内有简易公路，东距长江边15公里，南行30公里與汉（武汉）九（九江）公路相接，距黄石市24公里，沿湖向西航行20公里至大冶市。水陆交通尚属方便。

图1 阳新县七约山煤炭矿务局红家咀-瓦咀井田矿区交通位置图

1.1. 地形地貌

七约山矿区地形起伏大，大体上地势是南高北低，东高西低，从东南向西北倾斜，然后慢慢向湖区过渡，高程在50～282米之间，最高点为干鱼山。标高282.8米，东部、北部和西部大部份高程为10～20米，属湖底平坦低地区）。矿区内除西、南和东部有部份基岩出露外，绝大部分为第四系松散层所覆盖，属剥蚀—堆积丘陵地貌。

1.3. 水文地质条件

东湖群砂砾岩与大冶灰岩第四段以上，其间无隔水层。大冶群灰岩段和茅口灰岩含水层之间有比较厚而稳定的大冶灰岩第三段和第一段隔水层相隔，而断层导水性差，水位相差悬殊，故水力联系不大，长兴灰岩与茅口灰岩之间有龙潭煤组隔水层相隔，二者无水力联系。暴雨期间位于大冶湖地表水位以下，故有可能湖水补给地下水，但这些年来，原七约山矿务局和现在金海煤炭开发管理区，在下塞湖进行了围堤造田，使出露地层不被水淹。总之，区内水文地质条件较复杂。

1.4. 工程地质条件

区内下覆基岩为三叠系下统大冶群第一～第四岩性段薄层灰岩、茅口组灰岩、龙潭组灰岩，属软弱～较坚硬弱岩溶化碳酸盐岩类工程地质岩组。

第四系残坡积粘土、粉质粘土、粘土夹碎石广泛分布，属松散岩类工程地质岩组。

2、施工方法

2.1 采空区治理设计

2.1.1 采空区治理方案选择的原则

采空区的治理设计是在采空区勘查基础上，经过对采空区覆岩稳定性的分析和评价后，针对采空区的特征、水文地质及工程地质条件、工程类型及其重要程度等，对采空区的治理方法进行筛选，选用最佳治理方案。在选择采空区治理方法时，一般应遵守的原则：

（1）根据“轻重缓急”的原则，在资金有限的前提下，对威胁村庄居民生命财产安全的采空区进行先期治理，确保或减轻采空地面塌陷对居民生命财产的威胁。

（2）在技术上可行、经济上合理，又能满足进度的要求。

（3）根据采空区的地基条件、村庄条件及施工条件等进行选择。

2.1.2 采空区治理方案

本项目区的采空区分布地段地形相对较平缓，交通条件较好；分布的采空区主要为二叠系龙潭组煤一层采空区，根据稳定性分析，-50m以上采空区处于不稳定状态，煤层平均倾角为20°左右，局部为10～15°，产状相对较平缓，不适宜于非注浆法，采用全充填压力注浆法治理技术上可行，经济上也比较合理。因此本次采空区治理设计方案为地面充填注浆。保护对象是瓦咀湾、新屋湾、小塔时等三个自然村居民集中地的人民生命财产。

2. 2 充填注浆方法

由于七约山矿区早上八九年代乱采乱挖现象十分严重，区内采空区中空洞的充填情况难以确定，因此采空区充填注浆时，应将采空区待充填空洞分为全充填、半充填和未充填三种情况区别对待。在钻孔钻进过程中，应尽可能查明采空区空洞的充填状况，做到充填注浆时有的放矢。

2.2.3 充填注浆配比与终压标准

（1）注浆材料的选择

注浆材料的选择应因地制宜，尽可能节约成本。采空区充填注浆材料采用普硅32.5MPa级水泥、尾砂（或粘土），尾砂（或粘土）的颗粒级配应与水泥的颗粒级配相类似且最大颗粒粒径<2.5mm；裂隙充填注浆材料采用单液水泥浆；为控制浆液的扩散范围及防止注浆时边坡一侧或地表冒浆，可加入一定比例的水玻璃作为速凝剂，水玻璃模数2.4～3.0，浓度30～45波美度。

（2）浆液配比

水泥与粉煤灰（尾砂）的重量比为1：3～1：5，水泥粉煤灰浆液应用于采空区充填注浆。

单液水泥浆的水灰比分为为1：1、0.8：1、0.6：1三级，单液水泥浆应用于水泥尾砂充填采空区后对采空区裂隙充填注浆、以及注浆结束前注浆。

水玻璃的用量为水泥重量的3～5%，水玻璃加入浆液中，目的是防止冒浆或在采空区钻孔底部充填注浆时控制浆液的扩散范围。

（3）注浆终压标准

采空区充填注浆，在注浆末期，泵压逐渐升高，当注浆压力大于1.0MPa，泵量小于1L/min，且稳定15～30min，作为最终注浆结束标准。

灰岩裂隙中充填注浆，当注浆压力达到3～5MPa，泵量小于1L/min，且稳定30min以上，作为最终注浆结束标准。

第四系覆盖层压密、劈裂注浆，当压力达到0.2～0.5MPa，泵量小于1L/min，或地表出现大面积冒浆时，可作为最终注浆结束标准。

3. 重点（关键）和难点工程的施工方案、方法及其措施

3.1.成孔工艺

钻进初始阶段，各采空区治理区域内分别布设1～2个取芯钻孔，对地层情况进行勘测和验证，确定和指示周边钻孔的钻进层位，其余钻孔可参照取芯钻孔的钻进情况实施不取芯钻进。

成孔工艺简述如下：

①用Φ130mm钻头开孔，钻进至强风化基岩面下5m后，然后变径Φ89mm。

②用Φ89mm钻头，钻进至采空区中的塌陷冒落或煤层底板0.3～0.5m终孔。

③钻孔经钻探技术员及现场监理验收同意后，浇铸注浆管。

3.2. 制浆工艺

浆液材料及配合比：

注浆材料

本设计文件中所规定的注浆材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝剂组成，参照《混凝土拌合用水标准》（JTJ-89），其SO4-2含量<1.0%，PH>5；水泥采用质量符合国家标准的标号为P·O 32.5的普通硅酸盐水泥；粉煤灰质量等级为二级～三级，SIO2、AL2O3和Fe2O3的总含量大于70%，SO3含量不大于3%，其它方面应符合注浆工程的要求；速凝剂可选用水玻璃，水玻璃模数2.4～3.0，浓度30?Be～40?Be；砂、碎石就近取材。

浆液配合比

参照以往采空区治理工程的经验和当地材料供应情况，通过配比试验，浆液为水泥粉煤灰浆，水固比一般取为1：1.0～1：1.4，本次以1：1.0为主，浆液稠稀随注浆情况进行调整。水泥占固相30%，粉煤灰占固相70%。帷幕孔的浆液中掺加水泥重量2～5%速凝剂，使灌入采空区内的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。

3.3. 注浆材料的配制

浆液配制应按设计配合比进行，并随机抽查浆液的各项指标。

原材料：

水用水表或定量容器计量；水泥按袋计量；粉煤灰用容器计量，并要求用磅称抽查水泥、粉煤灰的数量；

浆液拌制过程如图2所示：

清水→速凝剂→一级搅拌→二级搅拌→二级搅拌→注浆泵→ 钻孔→注浆。

搅拌过程

配制浆液时，水泥与粉煤灰准确计量后混入一级搅拌池中搅拌，然后经过滤网注入二级搅拌池搅拌。每次搅拌时间不得低于10分钟，待浆液搅拌均匀后，通过注浆泵注入灌浆孔。

3.4.注浆工艺

注浆系统配置

3.4.1.注浆系统构成

注浆系统由：料场、一级搅拌池（机）、二级搅拌池（机）、供水系统、注浆泵、注浆管道、封孔装置等组成。

3.4.2.注浆系统技术要求

①料场：堆放材料的料场场地要平整，运料车辆能正常通行，且紧邻搅拌机，使材料便于运输、搬运；要求设有防潮、防雨措施。

②搅拌机：要求能满足正常施工要求，搅拌后的浆液应均匀，符合设计要求，一次搅拌量应≥1.5m3。

③搅拌池：修建的搅拌池应满足正常施工要求，池为圆柱体，中间设置搅拌系统，使得搅拌后的浆液均匀，符合要求，一次搅拌量应≥1.5m3。

④蓄水池：制浆站应根据施工注浆总量需要，建立数个蓄水池，以保证正常施工，蓄水池建筑规模及要求视工地具体情况而定。

⑤注浆泵：宜采用变量泵，其额定排浆量不小于200L/min，注浆泵压力应大于注浆最大设计压力的1.5倍。

⑥压力表：注浆孔压力表最大指数应大于1.0MPa。帷幕孔压力表最大指数应大于2.0MPa。

⑦封孔装置：注浆孔采用Φ50mm钢管，在管前端20～30cm处焊接一圆形法兰托盤（托盘直径Φ120～125mm之间），下入孔内变径处。封孔位置在基岩内5～10m处。

⑧注浆管：采用Φ50mm钢管，丝扣连接。

3.4.3. 注浆工艺及其有关参数

施工顺序：先施工帷幕孔，再施工注浆孔，注浆分二序次进行。

注浆

在注浆施工的开始阶段，注意搜集整理各地段各种配比浆液的灌注充填情况，获取更为合理的注浆施工参数。

注浆设备宜采用灰浆泵。当地下采空区空隙较小时，可采用水灰比1：0.8～1：1.0的水泥粉煤灰浆，水泥为固体总重的30%，粉煤灰为固体总重的70%。

单孔注浆孔结束标准

在注浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当泵量小于70L/min时，孔口管压力在1.0MPa以上稳定10～15分钟后，或注浆孔周围有冒浆等现象出现时，可报监理工程师同意后结束该孔的注浆施工。

4. 结语：

通过采取上述一系列地面填充注浆、整形碾压等治理措施，有效地遏制了地面塌陷涌水等地质灾害，改善了矿区自然生态环境和旅游环境，有效地预防当地环境塌陷、泥石流等自然灾害的发生，使地质环境达到稳定，生态得到恢复、景观得到美化。项目实施完毕后，治理区内受损山体将重披“绿装”，地质、生态环境将大大改善，矿区道路、房屋达到稳定状态，使本地村民恢复了正常生产生活，造福一方人民。

参考文献：

[1]万继涛，等，枣庄市矿山环境地质问题及恢复治理〔J〕，地质灾害与环境保护，2004