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采空区注浆方案

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2020年4月19日
文档仅供参考
1、治理方案选择
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，一般采用条带式注浆法和全胶结注浆法。
条带式注浆法是在采空区影响范围内，在采空区形成类似煤炭系统的“保安煤柱”，起着支撑采空区及上覆岩层的作用，该方法材料用量较小，但施工相对复杂。
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，经过注浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰浆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，但缺点是材料用量较大。
两种方法比较，本次注浆采用全胶结法。
2、采空区注浆治理范围
2.1采空区治理长度
治理长度为铁路路线走向上采空区（空洞）实际分布长度。当采空区煤层较厚，地表变形破坏严重，采空区治理长度应考虑增加覆岩移动角影响范围内的治理长度。
2.2采空区治理宽度
采空区治理宽度可按如下公式计算：
①倾斜岩层时路线与岩层走向平行或者斜交：
L=D+2B+（2h ctgφ+H下ctgβ‘+ H上 ctgγ’）
②水平岩层时：
L=D+2B+2（h ctgφ+H ctgδ）
式中：L——垂直铁路中线的水平方向宽度（m）；
D——铁路路基底面宽度（m）；
B——路基维护带一侧的宽度（一般为10m）；
h——上覆松散层厚度（m）；
H——采空区上覆基基岩厚度（m）；
φ——松散移动角（°），一般取45°；
δ——走向方向采空区上覆基岩移动角（°）；
β‘——下山方向采空区上覆基岩移动角（°）；
γ’——上山方向采空区上覆基岩移动角（°）；
2.3采空区治理深度
采空区治理深度一般不小于采空区底板深度。
4、采空区注浆体积与注浆量
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；
-煤层采出率，参照采掘平面图经矿山调查选取；
-浆液损耗系数，经验值取1.1~ 1.5；
-注浆充填率，经验值取0.9；
-浆液结石率，取0.9；
5、采空区注浆设计
5.1 注浆材料及配比
注浆材料选用水泥粉煤灰浆液，其水固比1：1.0~1：1.4，水泥含量占固相的30%，粉煤灰占固相的70%，帷幕孔根据具体情况采取较稠的浆液或在浆液中掺加水泥质量的2%速凝剂（水玻璃，模数2.4~3.4，浓度30ºBe～40ºBe），使注入采空区的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。
5.2 注浆孔（帷幕孔）设计
1）钻孔布设
注浆孔设计的深度为地面至采空区煤层底板以下1.5m，注浆孔的主要灌注长度为采空区最上部岩层顶面以下5m至采空区底板，孔口管长度为地面上0.5m至基岩下5m变径处的深度。
为了防止在压力注浆过程中浆液的四处蔓延，为此设计了帷幕孔。帷幕孔布在处理区周边，孔距根据经验可选择18~20m。
注浆孔在采空区治理范围内梅花型布置，注浆孔孔距10~20m，排距10~20m。

为检查施工质量，一般按灌浆孔的2～5％设置检查孔数量，检查孔可随机布置。检查孔长度应为原地面至采孔区底板的深度。
2）钻孔结构

(1)孔 深
采空区注浆孔(帷幕孔)设计深度为 m，实际以揭穿采空区底板
0.3～0.5m处为准。
(2)孔 径
钻孔开孔直径宜在 130-150mm，进入完整基岩5m后变径，终孔直径不小于91mm。
(3)取 芯
取芯孔数量应占总孔数的5%。采空区段和岩层破碎段岩芯采取率不低于30%，其它部位不低于 60%。
(4)止 浆
可采用似法兰盘简易止浆法完成止浆。
6、采空区注浆施工工艺及质量控制
6.1 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。
采空区治理工艺流程内各环节的相互关系如下图所示：

定点
成孔及下套管tontaoguan
下注浆管、浇注孔口管
注浆
终止注浆tontaoguan
备料
拌制浆液 tontaoguan
观察注浆情况，抽样试验

图6.1 采空区治理工艺流程图
6.2 成孔工艺
1）定点
注浆孔应用经纬仪、皮尺进行实地测量放样，钻孔实际位置原则上不应超过设计位置0.5m，当因地面影响，钻机不能就于设计位置时，可视具体情况进行调整。
2）成孔工艺及技术要求
（1）成孔工艺
钻进初始阶段，各采空区治理区域内分别布设2～3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。
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10台以上的工程地质钻机，并配备大功率空气压缩机实施潜孔锤钻进。
成孔工艺简述如下：
①用Φ130mm钻头开孔，钻进至基岩面下5m后，下入127mm套管护壁，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。
（2）技术要求
①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，报技术部视具体情况，请示监理工程师变更孔位，不得擅自改变孔位。
②钻孔测斜频率：在终孔前测量一次孔斜（顶角、方位角），要求终孔孔斜≤2°。

③钻进时必须采用一定的导向措施，以保证成孔质量。基岩面5m以下必须采取清水钻进，回水池岩粉要及时清理干净。采空区底板岩芯必须取芯并拍照。
④钻孔施工过程中，要做好钻探原始记录，特别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。
⑤钻孔施工过程中，如发现漏水、漏风、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、耗风量，并通知技术部。
⑥钻孔施工过程中和终孔后，要进行水位观测，并记录。
⑦钻进过程中要及时观察并记录钻孔耗水量。
⑧终孔后经技术人员检查钻探原始记录和岩芯编录后，报监理验收并签发终孔通知书后，方可转入下一道工序。
3）浇铸孔口管
钻孔结束后，采用φ50mm钢管，在管子前端20～30cm处焊接一圆形法兰托盘（托盘直径120～130mm之间），下入孔内变径处，松动原φ127mm护壁管，再灌入水灰比为1∶1.5-1∶1.2的稠水泥浆，浇铸长度为4～6m，然后起拔护壁管。浇铸质量要求达到注浆过程中将液不会从孔口管外溢出。水泥浆液中应加入水泥重量2%的速凝剂，快速将注浆管与孔壁固结。φ50mm钢管要高出地面0.5m，并在管口安装堵头。
6.3制浆工艺
1) 注浆材料要求
注浆材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝剂等组成，水为甲方提供，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30ºBe～40ºBe；砂、碎石可就近取材。
2）注浆材料的配制
①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。
②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;
③浆液拌制过程如下图所示：
水泥
一级搅拌机（池）（池）tontaoguan
二级搅拌机（池）
混合搅拌
注浆泵
钻孔tontaoguan
清水
粉煤灰
一级搅拌机（池）（池）tontaoguan
清水
速凝剂

图6.2 浆液拌制过程
④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，经过注浆泵注入采空区。
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。
6.4 注浆工艺
1) 注浆系统配置
（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。注浆系统的平面布置如下图所示:

图6.3 注浆系统平面布置示意图
图6.4 注浆系统结构示意图

（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2.0MPa。帷幕孔压力表最大指数应大于5.0MPa。
⑦封孔装置：注浆孔采用Φ50mm钢管，在管子前端20～30cm处焊接一圆形法兰托盘（托盘直径Φ120～125mm之间），下入孔内变径处。封孔装置也可采用球形止浆塞，封孔位置在基岩内5～10m处，或采空区上方10～20m处。该封孔装置具体封孔位置由现场试验来定。
⑧注浆管：采用Φ50mm钢管，丝扣连接。
2)注浆工艺及其有关参数
(1)施工顺序：先施工帷幕孔，再施工注浆孔，注浆分二序次进行。按煤层倾斜方向，先施工采空区低的钻孔，后施工采空区高的钻孔。
(2)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。
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1:1.0～1:1.2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%。制浆材料中增添水泥重量2～5%的速凝剂。当地下采空区空洞体积较大或向场区外侧渗漏浆液时，可于孔口处增设一漏斗状的投砂器，用浆液将砂或石粉带入孔内。防止浆液向场区外侧渗漏是实现本期采空区治理工程经济性的个关键环节，需密切观测场区边缘帷幕孔及接近边缘注浆孔的灌注情况，必要时及时增加浆液中砂或石粉的投送数量。
(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。
7 注浆质量检验
7.1 检验方法
采空区治理工程结束后，可委托第三方进行注浆质量检测。根据以往经验，建议采用下列方法进行注浆质量检测：
1.钻探：注浆施工结束6个月后，进行钻孔检验。经过孔内取芯直接观察采空区的浆液充填情况，岩芯无侧限抗压强度＞0.3MPa，并结合钻探过程中循环液的漏失情况及孔壁的稳定性等评价注浆质量。
2.波速测井：在检查孔内进行波速测试，采空塌陷冒落带经治理后，横波波速应大于160m/s。
3.结合钻探和物探资料，做出综合评价。在全面分析研究这些资料的基础上，最终确定注浆质量是否合格；是否需补充注浆。
7.2注浆质量检测位置及工作量
1）注浆质量检测位置应随机布设。
2）为检查施工质量，一般按注浆孔的2～5％设置检查孔数量，考虑到本工程按区进行治理，因此每区设置一个检查孔。检查孔于治理区域内随机布设。检查孔长度应为原地面至采空区底板的深度。