晋城市某煤业采空区治理方案.docx
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晋城市某煤业采空区治理方案
山西山西煤炭运销集团四明山煤业有限公司
主斜井井筒下部采空区治理工程
施
工
方
案
施工单位：
山西华晋太工矿山工程有限公司
编制日期:
2014.04.09
第一章概况
第一节工程概况
一工程概况
山西山西煤炭运销集团四明山煤业有限公司位于晋城市西北5km的坡底村。
距晋煤集团约20km。
行政区划隶属晋城城区西上庄乡管辖。
井田距晋城市西环路约2km,有简易公路与之相连，距太焦线晋城北站10km，距晋焦高速公路约20km，交通较为便利。
根据现场调查及钻探验证以后确定，在拟建主斜井区域地下存在采空区，特别是明槽段与暗槽段相邻处30米长度范围内采空区在井筒底板以下且距离较近，该段采空区埋深于自然地表以下约25～33米，对主斜井井筒影响较大，急需进行治理。
经调查，该区域曾进行过小窑开采，煤层开采及井下巷道分布情况不明。
在钻探验证的基础上，我单位进行了采空区治理方案的编制。
二气象及主要水系
治理区为暖温带湿润大陆性季风气候，四季分明，春季干燥多风夏季炎热多雨，秋季温和凉爽，冬季寒冷少雨。
井田内河流不发育，大小冲沟平时基本干枯无水，只有雨季时才有短暂洪流沿沟谷由西向东、东北，由中西部向南排出井田后，汇入白水河及其支流，白水河向东南注入丹河，丹河一路向南在河南省与沁河汇合，向东注入黄河。
三地形地貌
井田地处太行山脉南段，沁水盆地的南缘，地貌上属侵蚀山地，地形起伏不大，以低山丘陵为主。
区内沟谷发育，黄土大面积覆盖。
最高点为矿区东南部边界，海拔+938m，最低点位于矿区北部，海拔+788m，最大相对高差150m。
四施工条件
⒈交通：
拟建场地距晋城市西环路约2km,，交通便利。
⒉通讯：
项目部配备多部手机，通讯方便。
⒊居住条件：
已解决。
⒋施工用电：
已解决。
⒌施工用水：
已解决。
第二节场区工程及水文地质条件
一、地层
井田位于沁水煤田晋城煤炭国家规划矿区东南部。
井田内地层由老至新为奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组广泛被第四系黄土覆盖。
根据以往地质资料，对相关地层简述如下：
（1）奥陶系中统峰峰组（O2f）
为含煤地层之基底，岩性为深灰、青灰色厚层状石灰岩，夹灰黄色、黑灰色泥灰岩、含次生石膏及侵染状黄铁矿，下部裂隙岩溶发育，并为方解石脉充填，局部为角砾状石灰岩，厚度一般大于100m。
井田东部出露于较多，西部偶有出露。
（2）石炭系中统本溪组（C2b）
厚3.24～17.37m，一般厚13.94m。
岩性主要由灰白色或兰灰色铝质泥岩、灰色薄层状粉砂岩组成，与下伏地层呈平行不整合接触关系。
二、构造
井田位于太行山复背斜西翼，晋获褶断带晋城段。
本井田位于白马寺逆断层的西侧，区内地层总体走向NE-SW，倾角8-12°，东部靠近白马寺逆断层地段和西部局部地段变化较大，倾角约为30°。
受区域构造影响，井田构造特点以褶曲为主，断层不发育。
褶曲构造构造线以北东—南西向为主。
褶曲构造由东掩—五门向斜组成。
三、水文地质
井田地处太行山脉南端西侧、沁水盆地的东南缘，地貌类型属低山丘陵区,井田内总的地势为东南部较高，最大相对高差150m。
地表水系白水河属黄河流域沁河水系丹河支流，井田内无常年性河流和大的地表水体，地表水排泄条件较好。
井口及工业广场周边标高均高于历史最高洪水位，雨季雨水不会通过井筒进入巷道。
井田主要含水层：
（1）、松散岩孔隙含水岩组（孔隙水）
区内第四系分布广泛，岩性主要为黄色亚砂土及红色亚砂土，含水层的厚度、水位埋深及其富水性差别较大，地表地势较高地段一般无水，而于地形低凹处赋存地下水，地下水动态变化较大，而地下水的补给、排泄条件及水质类型与前述相应的区域含水层组的情况基本一致。
水质类型为HCO3·SO4-Ca型水。
（2）、碎屑岩裂隙含水岩组（裂隙水）
该含水岩组主要指二叠系砂岩裂隙含水岩组，砂岩裂隙较发育，砂岩含水层的富水性取决于砂岩的裂隙发育程度。
石盒子组、山西组地层含水层主要为粗粒砂岩及中细粒砂岩，局部为粉砂岩，裂隙较发育，是3号煤的主要充水来源，直接接受大气降水补给。
水质类型属HCO3-Ca型水。
根据山西省第三地质工程勘察院提交了《山西省晋城市城区西上庄坡底煤业有限公司矿区水文地质调查报告》，山西组含水层单位涌水量为0.012～0.024L/s.m，渗透系数为0.032m/d。
第二章采空区治理施工方案的编制
第一节编制目的及依据
一编制目的
本场地采空区治理施工方案编制的目的是要指导治理工程的实施，使治理后的场地成为适宜进行工程建设的场地，满足上部井筒的场地稳定性要求。
二编制依据
根据以往的治理经验，采用胶结注浆法治理，即在地表打孔，通过注浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰浆液注入采空区及其上覆岩体裂隙中，浆液固化后胶结岩层裂隙带，同时采空区内的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用，阻止上覆岩层的进一步冒落，防止地面因冒落而引起的沉陷变形，保证拟建井筒的稳定。
所依据和参考的主要技术文件有：
1.甲方提供的资料
2.国家和行业颁布的现行规范、规程和标准。
第二节治理方案
依据《矿山开采沉陷学》理论及煤矿“三下”采煤经验，结合国内多个采空区治理工程实践，通常采用全胶结注浆法。
全胶结注浆法是在采空区影响范围内，按一定孔距和排列方式，布设足量的注浆孔，用钻机成孔，通过注浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰浆液注入采空区及上覆岩体裂隙中，浆液经过固化，胶结岩层裂隙带，同时采空区的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用，阻止上覆岩层的进一步冒落塌陷。
全胶结注浆法已在国内多个采空区治理工程中取得了成功的经验，该方法施工相对简单，安全性高，施工工艺成熟，施工易于管理。
第三节采空区治理范围及深度
一采空区治理范围
根据井筒施工图及钻探资料，结合场地实际情况，本次采空区治理面积约1080m2，范围从明槽段与暗槽段临界线（开挖边线）向井筒纵深方向延伸30米，宽度为井筒中心线以西16米，井筒中心线以东20米，
二采空区治理深度
要求治理深度不得小于采空区底板，并宜适当加深。
根据采空区钻探验证得知，治理深度约30米。
第四节采空区空隙体积与估算注浆量
采空区空隙体积为拟处理采空区范围内的矿层体积乘以回采率，并扣除采空区因顶板冒落已经产生的变形。
全胶结注浆治理的实质就是以水泥粉煤灰浆液对采空区空隙体积进行充填和固结。
总注浆量可按下式估算：
式中：
-采空区总注浆量（m3）；
-采空区治理面积（m2）；
-采空区煤层厚度（m）；
-采空区剩余空隙体积率，即煤层被采出后，原空间经塌陷冒落岩块充填后剩余的空隙率，其取值在0.2～1之间；据地区经验，这里取0.4；
-煤层采出率，取0.9；
-浆液损耗系数，据地区经验，结合本场地实际情况，这里取1.8；
-注浆充填率，据地区经验，这里取0.9；
-浆液结石率，取0.9；
经计算，场地内采空区治理注浆量如下表所示：
采空区治理注浆量表2.1
治理
面积
（m2）
煤层平均厚度
（m）
煤层
采出率
剩余
空隙率
浆液
损耗系数
注浆
充填率
浆液
结石率
注浆量
估算
（m3）
1080
6.0
0.9
0.4
1.8
0.9
0.9
4199.04
上述计算过程已考虑了在注浆过程中，浆液向注浆孔孔壁周围、采空区下伏、旧巷道、上覆岩层裂隙的渗透损失以及向空洞上部岩层冒落坍塌后堆积而成的空隙渗透填充的浆液损失等。
第五节钻孔布设
根据场地采空区治理范围，结合本项目特点，本工程分别于井筒中心线西侧14.0米、东侧18.0米处及南北两端布置帷幕孔，孔距3.0m，共38个帷幕孔，于井筒中心线两侧2.0米、6.0米、10.0米和东侧14.0米处布置7列注浆孔，孔距4.0m，列距4.0m，每列6个孔，共42个注浆孔，于治理区域范围内平均布置3个检查孔，以检查注浆施工质量，检查孔兼做注浆孔，检查过后进行注浆。
孔位布置见附图，具体数量根据现场实际确定。
帷幕孔、注浆孔、检查孔设计的深度约为30米左右，尽可能钻进至采空区煤层底板，具体根据钻进情况进行动态调整，以监理工程师的指令作为终孔依据。
按照上述原则进行孔位布置，场地内采空区治理钻探工作量如下表所示：
场地内采空区治理钻探工作量表2.2
平均
孔深
（m）
帷幕孔
数量
（个）
帷幕孔
钻探工作量
（m）
注浆孔
数量
（个）
注浆孔
钻探工作量
（m）
检查孔
数量
（个）
检查孔
钻探工作量
（m）
钻探
总工作量
（m）
30.0
38
1140
42
1260.0
3
90.0
2490.0
第三章采空区治理工艺流程及质量控制
第一节采空区治理工艺流程概述
采空区治理工艺流程是采空区治理工程的核心内容，是关系到采空区治理工程质量和效益的关键环节，包括成孔工艺、制浆工艺、注浆工艺等一系列前后连续、配合紧密的工艺流程。
第二节成孔工艺
一测量放线
注浆孔应用钢卷尺进行实地测量放样，钻孔实际孔位误差原则上不应超过设计位置0.5m，当因地面影响，钻机不能就位于设计位置时，可视具体情况进行调整。
二成孔工艺及技术要求
1.成孔工艺
钻进根据具体地质条件确定取芯钻进或者全面钻进。
为保证按时完成治理施工任务，须采用相应的施工工艺和施工设备。
在施工工艺方面，土层及强风化基岩选用合金钻头钻进，泥浆或套管护壁；中等及微风化基岩选用复合体钻头钻进。
施工设备需采用3～4台工程地质钻机。
成孔工艺简述如下：
①用Φ91mm钻头开孔，如果钻进至强风化基岩面下2m后，可以变径为Φ65mm，也可以继续钻进。
②用Φ65mm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。
钻孔经现场监理验收同意后，浇筑孔内注浆管。
2.技术要求
钻孔位置要与测量所定孔位一致，偏差不应超过0.5m，如因地形影响钻机不能就位时，视具体情况，请示监理工程师或甲方负责人同意变更孔位后，由技术人员重新确定孔位，不得擅自改变孔位。
钻进时必须采用一定的导向措施，以保证成孔质量，水池岩粉要及时清理干净。
钻孔施工过程中，要做好钻探原始记录，尤其是采空区塌陷冒落带。
钻探记录要使用蓝、黑色钢笔填写，记录要整齐、清晰、真实、规范，地层分界、岩性鉴定要准确，并有施钻和记录人员签字。
钻孔施工过程中，如发现漏水、掉钻、埋钻、卡钻等异常现象要详细记录其深度、层位和耗水量，并通知技术部。
钻孔施工过程中和终孔后，要进行水位观测，并记录。
钻进过程中要及时观察并记录钻孔耗水量。
终孔后报监理验收并签发终孔通知书后，方可转入下一道工序。
三安放注浆管及封孔
钻孔结束后，采用φ25mm镀锌钢管作为注浆管，在管口端30cm处焊接一托架，防止注浆管坠入孔内，2～3m处焊接一托盘，以便于进行封孔，注浆管长度4米，两端加工丝扣备用，孔口段2～3m灌入水灰比为1∶1.5-1∶1.2的稠水泥砂浆或碎石混凝土进行封孔，浇筑长度为2～3m。
浇筑质量要求达到注浆过程中浆液不会溢出。
必要时加入水泥重量2%的速凝剂，快速将注浆管与孔壁固结。
Φ25mm镀锌钢管要高出地面0.3m，并在管口安装铜球阀或堵头作为止浆装置。
第三节制浆工艺
一浆液材料及配合比
1.浆液材料
注浆材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝剂等组成，水泥采用质量符合国家标准的标号为P·O42.5的普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用袋装粉煤灰，细度应符合注浆要求，速凝剂可选用水玻璃，水玻璃模数2.4～3.0，浓度30ºBe～40ºBe；封孔用的砂、碎石可就近取材。
2.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，结合工程实际，确定浆液为水泥粉煤灰浆液，配合比为水泥：
粉煤灰：
水=1：
2：
3，浆液稠稀随注浆情况进行调整。
当注浆量过大同时压力过小的情况出现时，可能是浆液压入了旧巷道，这时应该停泵，然后进行间歇注浆，适当调高浆液稠度，或在浆液中掺加水泥重量2～5％速凝剂，使灌入采空区内较远处和压入旧巷道的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液过多流失。
二注浆材料的配制
1.浆液配制应按配合比进行，并留取试块抽查浆液的各项指标。
2.原材料：
水用水表或定量容器计量；
水泥、粉煤灰按袋计量；
3.搅拌过程
配制浆液时，水泥、粉煤灰与水准确计量后混入搅拌机中搅拌均匀，然后经过滤网倒入储浆池中。
每次搅拌时间不得低于5分钟，通过注浆泵注入孔内。
注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，及时记录灌浆过程中发生的各种现象，完成现场测试和原始数据采集，并根据实际情况及时调整浆液配比和注浆方法。
第四节注浆工艺
一注浆系统配置
1.注浆系统构成
注浆系统由：
料场、搅拌池（机）、供水系统、注浆泵、注浆管道、封孔装置等组成。
2.注浆系统技术要求
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。
搅拌机：
要求能满足正常施工要求，搅拌后的浆液应均匀。
储浆池：
储浆池的容量应能满足正常施工要求。
蓄水池：
制浆站应根据施工注浆总量需要，建立1个蓄水池，以保证正常施工用水需要。
注浆泵：
宜采用变量泵，注浆泵额定压力应大于1.5MPa。
压力表：
注浆孔压力表最大指数应大于1.0MPa。
封孔装置：
水泥砂浆或混凝土封孔。
注浆管：
采用Φ25mm镀锌钢管，丝扣连接。
二注浆工艺及其有关参数
1.施工顺序：
注浆施工顺序采取先施工帷幕孔，后施工注浆孔，再施工检查孔的三次序施工顺序，沿井筒轴线方向由浅至深依次进行。
2.注浆
注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法，注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。
3.单孔注浆孔结束标准
在注浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当孔口注浆压力在1.0MPa以上稳定5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。
第五节施工设施及工期
一临时设施
1.施工用水：
已解决。
2.施工用电：
已解决。
3.平整场地100m2。
4.水泥库1间，能存放100吨水泥。
5.临时占地400m2。
6.蓄水池至少一个，蓄水池的蓄水总量大于60m3。
二施工工期
采空区治理工程预计工期50个日历天。
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