文┃胡建新（湖南省煤田地质局物探测量队）

关键字：采空区；注浆；钻孔技术；治理

0 前言

由于城市的扩展，会有原矿山用地转化为建设用地的情况。矿山遗留下的地面岩溶塌陷等地质灾害危及居民人身财产安全，急需治理。笔者搜索相关文献资料，发现业内大都采用水泥浆加水玻璃充填治理，这样工程造价较高。根据地下水均衡原理，我们可以就地取材，将城市建设产生大量无处堆放的渣土，制作泥浆，用于充填超高采空区，可达到治理效果。同时在制作泥浆时，可回收砂或砾石，作为再生资源利用，变废为宝。

1 工程概况

1.1 地理位置及范围

长沙市再生资源科技有限公司位于长沙市西南方向，距长沙市猴子石大桥约10km，行政区划属长沙市岳麓区坪塘镇管辖，地理坐标：东经 112°52′16″～ 112°52′31″；北纬28°04′03″～28°04′16″。范围是采矿证圈定的五个拐点坐标，面积0.1109km2。

1.2 采空区现状

该公司原为长沙市岳麓区石灰石矿，1986年开始零星开采，采用露天凹陷开采，所采矿石主要用于建筑用石，部分用于烧制水泥。现已形成一个1900多平方米的露天采坑。

2004年-2017年，该矿山改用地下开采，采用斜坡道开拓，开拓斜坡道长124m，方位82°，坡度15%，断面约18m2。因为采用房柱法开采，巷道宽一般在12-28m，高一般在15-20m，房柱宽一般在17-34m，后进入水平分层开采，分二个水平，第一水平标高为+48m水平，第二水平标高为+20m水平，采空区走向长约560m，宽约220m。该矿采空区面积约5.5万m2（含矿柱），开采矿石280万吨，体积约105万立方米，采空区主要分布在矿界范围内的南部。因矿山已停产，第二水平有少量积水，采空区现状采取自然通风，第一水平开始钻探施工时，要采用机械通风。

2 工程地质条件

2.1岩土体工程地质类型及特征

按岩石性质，坚硬强度，岩体结构、构造类型分为岩石综合体。区内岩土体可分为土体和岩体两大类。其工程地质特征如下：

2.1.1土体

粘土：主要由残坡积物、冲积物组成，前者系基岩风化而成，以粘土为主，中液限、中压缩性、稍湿、硬塑。后者分布于沟谷，以粉砂质粘土为主，中液限、中压缩性、湿～稍湿、可塑。

2.1.2岩体

矿体为石灰岩质，为灰岩夹生物碎屑灰岩，呈巨厚层状，岩性致密坚硬，仅岩石表面有微弱风化外，岩石表面以下原岩较坚硬，强度高，抗风化及抗变形能力均较好。抗压强度一般为70～128Mpa，软化系数大于0.8。矿体RQD值为80～100，因此岩石质量等级为II等，岩石质量较好，岩体较完整。

矿区为覆盖型岩溶地区，矿山岩溶率约为5.6%，岩溶作用局部较强，原采坑内有一小溶洞发育，直径达5m。地面岩溶塌陷发育3个，直径最大达40m。

3 采空区治理的必要性

3.1 采空区是诱发重特大事故的灾害因素

采空区引发的透水、崩塌、滑坡、地面塌陷等多种形式的地质灾害，往往造成大量的人员伤亡和财产损失。因此，治理采空区是治理矿山地质灾害隐患，改善人居环境的需要。

3.2采空区安全隐患得不到及时有效治理

由于部分经营行为和经济利益的驱使，基本不重视采空区处理问题，甚至未按开发方案开采，增大了采空区的事故隐患。部分矿山业主更替，新的企业主不愿承担老采空区治理责任，造成历史和当前的采空区治理问题相互制约，采空区治理工作落不到实处。因此，治理采空区安全隐患，是解决历史遗留问题的需要。

3.3是落实人民至上、生命至上的安全生产发展理念的需要

3.4采空区问题已经成为制约一些地方经济发展和影响社会和谐的重要因素

采空区因透发矿区地表变形、塌陷，带来了一系列的矿山生态环境破坏问题，造成矿区植被，地表破坏严重，引发水土流失及地质灾害，由于采空区诱发的地表开裂，变形，影响矿区居民生活和正常生产活动，造成矿、农矛盾问题突出，甚至引发群体性事件，影响了当地社会和谐。因此，治理采空区是改善区域群众生产生活基本条件的需要，同时也符合长沙市岳麓区整体发展规划。

4 注浆孔设计

长沙市岳麓区石灰石矿采空区治理工程，采空区采用钻孔注浆，充填采空区，目的是让采空区裂缝、溶洞的充填物不流失，恢复地下水水位，确保矿区不发生地面岩溶塌陷等地质灾害。采空区处理长度约560m，宽220m。设计灌浆孔5个（其中地面设计三个钻孔为ZK01、ZK02、ZK03，采空区一水平设计两个钻孔为ZK04、ZK05，地面钻孔设计数量根据注浆效果可进行适当调整），利用一个露天采坑。因采空区相互连通，及泥浆水的流动性，地面钻孔采用均匀布置，根据地形条件及露天采坑位置，及注浆实验浆液流动的范围，确定孔距100m～130m，设计灌浆孔总长度约195.1m。注浆范围为整个采空区。

5 施工程序及治理顺序

施工顺序按采空区的倾斜方向，先施工采空区底板标高较低位置的注浆孔，再沿倾斜方向由低向高、由边部向中心展开施工。由于露采场北面约25m处有一处采空区塌陷，破坏了生态环境，是急需治理的区域，所以当企业开始实施治理时，先将露天采坑处下方的采空区，利用第一水平设计的ZK04钻孔灌满塌陷区附近采空区，确保采空区顶部充实，保持水土不流失，使塌陷区处于稳定状态。然后将露天采坑口上部10m作为泥浆池把泥浆抽至左右两侧注浆孔（ZK01、ZK03），最后注入中间注浆孔（ZK02）。其次开始对第二水平注浆，均采用地面钻孔注浆，利用第一水平设计的ZK05钻孔及第二水平的斜坡道，通过浆液的流动性，自然充填到第二水平采空区，最后充填第一水平采空区，进行依次充填治理。

6 成孔工艺及技术要求

6.1 成孔工艺

6.1.1采用φ600mm钻径开孔（根据灌浆情况开孔孔经可作细微调整），钻至完整基岩2m后，下套管护壁，然后变径为φ500mm。在第四系卵、砾石层的钻探过程中采用跟管钻进。

6.1.2第一水平开孔采用φ600mm钻径，钻至采空区顶板终孔。

6.2 技术要求

1）钻机须在技术人员的指导下进入场地，并在技术人员指定的位置安装设备，要求天车、立轴、孔口三点一线，防止孔斜。

2）对不要求取芯的钻孔，严格按照预想钻孔柱状图施工，最后编制成孔钻孔柱状图。

3）在钻孔施工过程中，如发现漏水、掉钻、埋钻、机上见软、见硬等现象，要详细记录其深度、层位和耗水量，并应立即报工程师采取相应措施。

4）每个注浆孔钻孔中测斜至少一次，终孔孔斜不得超过2°/100m。

6.3浇铸孔口管工艺

1）准备Φ50～Φ60mm钢管（注浆管）。

2）加工圆形法兰托盘。

3）在管子前端200～300mm处焊接法兰托盘。同时在灌浆管托盘以上3～10m处采用反丝接头，灌浆结束后反转拨上部灌浆管，以备其它孔再次使用。

4）下入带法兰托盘的注浆管。

7 浆液配合比设计

注浆采用经济适用的水、土浆液，浆液设计土水比为1:1.1～1:1.5，前期一般采用1:1.5，后期浆液配合比可提高到1:1.1，加入适量的粉煤灰。浆液胶结后的强度能阻止孔隙水及溶洞充填物渗入采空区。因采空区围岩为灰岩地层，抗压强度高，无须用胶结物支撑。浆液充满后，其孔隙水压力基本能保持与地压平衡，恢复原始水位。

8 浆液材料及其质量要求

注浆材料主要由水、土、粉煤灰等组成。

1）水：水应洁净，不含有害物质，SO42-含量应小于1.0%。本次施工用水采用工地附近池塘及采石场矿井水，可循环利用。

2）渣土：渣土质量应符合有关规定，确保无污染物。

9 灌浆系统设计

灌浆系统由料场、一级搅拌池、供水系统、注浆泵、注浆管道、封孔装置等组成。

1）料场：堆放材料的场地要平整，运料车辆能正常通行，且紧邻搅拌池，使材料便于运输、搬运。

2）搅拌挖斗：要求一次搅拌量应不小于400kg以满足正常施工要求,搅拌均匀。

3）搅拌池：本工程各采空区治理段至少要求设置3个搅拌池，一个搅拌池长14m、宽3m、深4m，另二个搅拌池长10m、宽3.5m、深3m，中间设置搅拌系统，使得搅拌后的浆液均匀，符合设计要求，一次搅拌量应不小于10m3。搅拌后的沉渣为砂或砾，可作建筑材料，变废为宝。

4）蓄水池：搅拌池应根据各采空区治理段施工注浆总量及工地具体情况，需建立一个蓄水池。

5）注浆泵：宜采用变量泵，注浆泵压力应大于最大设计压力的1.5倍。

6）压力表：注浆用压力表最大指数应不大于10MPa。

7）封孔装置：注浆完毕后下入木塞至孔内变径处，用525#水泥浆封闭；水泥浆配合比例：水泥:水=1:0.6，孔口用水泥块作永久封闭标志。

10 注浆工艺及技术要求

1）对注浆孔的钻探资料进行查阅分析，测定孔深、水位，作出注浆情况的初步判断，并作好记录。

2）连接孔口管，进行简易压水试验，持续时间约20min，检查泵与管路系统的完好状态，并记录孔口压力变化值，浆液到达孔口后，在重力作用下自流。判断孔内地层裂隙、空隙的发育程度及可灌程度。

3）根据钻探资料（岩石破碎程度、耗水量、采空区特征、是否有掉钻、埋钻等）、孔深测量结果进行单孔注浆量设计，选择初始浆液浓度、确定注浆方法。

4）注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法，泥浆越稀，流动范围广，充填的范围越大，有利于采空区的充填。注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，并记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始资料，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。

5）灌浆开始后，要求定时观测并记录泵的吸浆量、泵压及孔口表压，间隔时间为20分钟。记录灌浆过程中发生的各种现象，并根据实际情况及有关规定随时调整浆液浓度和灌浆量。

6）注浆过程的工艺程序及要求，应严格遵照工艺流程图进行操作和施工。

7）在注浆孔的注浆末期，注入的泥浆经露天采坑口或钻孔向外涌出或跑浆时，证明采空区该注浆孔已充填实。

11结论

1）利用地下水均衡原理，将废弃的渣土制成泥浆充填超高井工矿采空区，即经济又适用，能有效治理采空区岩溶地面塌陷。利用这个核心技术可运用于类似井工矿产生的岩溶地面塌陷。

2）利用泥浆充填采空区原理，可对煤矿起火采区进行灌浆灭火。□