浅谈煤炭采空区充填灌浆工艺与方法

胡军

［摘  要］:

采空区停采后间隔时间久远，采煤巷道的埋深及走向等详细地质资料已经遗失，采空区灌浆处理需要通过试验进行探索施工，摸索采空区巷道及断裂带的埋深与走向，并通过灌浆试验获取该工程灌浆技术、方法及各项技术参数，以指导主体工程施工。

［关键词］：采空区 充填灌浆 帷幕灌浆

一、工程概况

南水北调中线一期工程总干渠沙河南～黄河南禹州长葛段第三施工标段合同编号为HNJ-2010/YC/SG-003，设计起止桩号为SH(3)75+600～SH(3)77+300，位于禹州市境内，位于禹州苏王口村东南至陈口村西北地段，全长1.7km。标段内共有各种建筑物4座，其中矿务局东沟左岸排水倒虹吸1座，矿务局南沟左岸排水渡槽1座，公路（Ⅱ级）桥1座，产桥1座（其中公路桥和生产桥不在本标段合同范围内）。

本标段在桩号SH（3）75+639～SH（3）76+387和SH（3）76+862.2～SH（3）77+300下部为煤矿采空区，两个区域总跨度为1185.8m。停采后因坍塌形成冒落带和断裂带，易造成渠道不均匀沉降，需在该区域内进行帷幕及充填灌浆以加固渠道基础的稳定性，灌浆孔深范围约为110m～340m，采空区地层自上而下依次为土层、卵（砾）石层和基岩层（泥岩、页岩、砂岩交错分布）。

合同帷幕钻孔量为19.8万米，充填钻孔量为22.5万米，合同造孔总量为42.3万米；合同灌浆量为10.4万吨。

本工程的特点及难点如下：

（1）工程量大，钻孔强度高

合同钻孔总量约42.2万m，合同灌浆耗干灰量10.4万t，按照总工期要求，预计施工中平均钻孔强度约5.3万m/月。工期紧、钻孔强度大是采空区处理工程施工的最大特点和难点。

（2）地质条件复杂，钻孔施工难度大。采空区钻孔地层从上到下依次为黄土层、卵或砾石层、基岩段（包括断裂带、冒落带）、采空区巷道等复杂地质条件的地层，钻进施工难度极大。在卵石层钻进极易发生坍孔、埋钻等孔内事故，在基岩中的断裂带塌孔、卡钻、掉钻等情况严重，尤其是遇到抽风孔和掉钻严重的通风巷道等地层，钻灌处理繁琐，工效倍减。

（3）采空区充填灌浆处理工程在水电行业施工无相关技术规范指导，且没有准确的巷道分部资料，要通过试验结合相关资料确定施工工艺并制定各项灌浆施工参数。

二、采空区灌浆工艺、方法实现与应用的背景

南水北调中线一期工程共有两个标段的干渠坐落在采空区之上，禹州长葛段第三施工标段是其中之一，由于采空区停采后间隔时间久远，采煤巷道的埋深及走向等详细地质资料已经遗失，南水北调工期紧迫，且目前国内没有采空区处理施工的相关规范，因此，采空区灌浆处理需要通过试验进行探索施工，摸索采空区巷道及断裂带的埋深与走向，并通过灌浆试验获取该工程灌浆技术、方法及各项技术参数，以指导主体工程施工。

为防止采空区充填灌浆处理中因大量浆液外流而出现灌浆难以结束的情况发生，将采空区处理工程分为帷幕封堵灌浆和充填灌浆两部分，通过帷幕灌浆的先行施工，在采空区处理边界形成帷幕防渗体，然后对采空区进行充填灌浆，使主干渠的基础得到密实加固，防止因主干渠基础不稳而发生不均匀沉降的质量事故。

三、采空区灌浆工艺、方法实现与应用的设计思路

采空区地质条件复杂，巷道与三带（冒落带，断裂带，弯曲带）分布多且无规律，又因当前采空区无相关地质资料且无相关充填灌浆规范，因此，针对以上特点，需要在采空区选择代表性的区域进行对比试验，探索和判定地质分布情况，同时根据试验确定灌浆工艺及设备选型、灌浆方法、灌浆原材料及外加剂类型与规格、灌浆的各项参数（浆液配比、灌浆孔距、灌浆排距、灌浆孔分序、灌浆压力、灌浆结束标准等），从而为采空区处理选择出科学合理的灌浆处理工艺与方法。

充填灌浆试验共计分为4个试验区，帷幕灌浆试验共计分为2个试验区，充填和帷幕均分设在郭村和新峰两个矿区，对各试验区分别拟定了相关灌浆参数、灌浆工艺与方法，试验通过实际施工的可行性及灌浆效果，确定灌浆设备类型、灌浆工艺与方法及各项灌浆参数。

四、采空区灌浆工艺、方法实现与应用的技术方案

通过试验对比最终确定了采空区灌浆工艺及方法

1、灌浆工艺流程

1 .1充填灌浆工程施工顺序：Ⅰ序灌浆孔 Ⅱ序灌浆孔 检查孔

1.2充填灌浆施工工艺流程图

灌浆孔（含取芯孔）终孔验收

孔口套管加带有三通的孔口封闭器

管路连接与记录仪设置

接浆搅拌并开泵灌浆

浆液制备供浆及检测

灌浆结束封孔

灌浆达结束标准

拔出套管

图4.1--充填灌浆工艺流程图

2、灌浆方法

2.1灌浆材料

灌浆主要原材料采用42.5级普通硅酸盐水泥和II级粉煤灰。注浆浆材主要采用集中制浆站内配制的水固比（质量比）为1:1的水泥粉煤灰浆液（水泥:粉煤灰=0.15:0.85），

2.2灌浆设备

灌浆设备全部采用BW250型注浆泵进行灌浆，同时配备2NB200/4-15型泥浆泵作为备用，高智能灌浆自动记录仪进行灌浆记录，集中储浆搅拌桶，立式双层搅拌桶。

2.3灌浆方式

采用孔口封闭纯压式灌浆法。

2.4灌浆参数

通过对充填灌浆试验钻、灌施工成果统计与分析，结合其检查孔的钻孔、取芯与工效的统计分析，根据注浆检查结果与弹性波CT检测成果，选择了最优的灌浆参数。

2.4.1孔距和排距

根据实际灌浆效果、本标段采空区的地质条件，充填灌浆的孔距和排距适宜定为18米*18米。

2.4.2充填灌浆孔序划分

依据灌浆试验分序施工的统计成果，充填灌浆分为Ⅰ序孔和Ⅱ序孔施工。

2.4.3充填灌浆灌浆浆液配合比

本灌浆试验工程的原材料选用了PO42.5的普通硅酸盐水泥和Ⅱ级粉煤灰，充填灌浆浆液配比拟定为“水固质量比为1:1，固体质量比为（水泥）0.15：（粉煤灰）0.85的水泥粉煤灰浆液”。

2.4.5灌浆压力、灌浆与封孔结束标准

灌浆压力：灌浆压力选用1.0Mpa。

灌浆结束标准：达到设计灌浆压力1.0Mpa时，且灌浆注入率小于10L/min时，持续灌注10分钟结束灌浆。

封孔灌浆结束标准：灌浆结束后，在灌浆注入率小于10L/min，且维持在设计压力1.0MPa的情况下，持续灌注10分钟，结束封孔灌浆。

3、采空区充填灌浆施工工艺及方法的应用

根据采空区充填灌浆试验结果及分析选定了良好的施工工艺、施工方法及各项灌浆参数，以上工艺、方法及参数已经应用到采空区充填灌浆主体工程当中，充填灌浆主体工程量大约为25万米且灌浆面积大（约为）41万平米。

4、充填灌浆施工质量控制

（1）原材料检测：

充填灌浆原材料种类及规格为Ⅱ级粉煤灰，PO42.5的普通硅酸盐水泥，满足砼拌和用水标准的水。

收料时，对每车次的原材料进行细度检测，严禁不合格料入库，采用当地水井的饮用水作为拌合用水。

进场原材料的抽检均送往河南省水利水电工程建设质量检测中心站第九分站进行检测，水泥和粉煤灰的检测频次均为同一批次每200吨以内检测一次，不同批次的另行进行检测。

（2）浆液制备控制及现场浆液检测：

集中制浆站制备浆液时，严格按浆液各成分的质量比例（浆液配制表）进行输入，同时对制备好的浆液进行比重检测并与设计值对比，发现比重超标，应及时查找原因并进行调整，确保输出浆液满足质量要求；在浆液送到施工现场时，灌浆前应对浆液进行比重检测，发现问题及时查找原因并进行调整，确保入孔浆液满足质量要求。

（3）计量仪器设备的现场校核

灌浆前，要求对记录仪、流量传感器、压力传感器和压力表进行校核，记录仪显示的压力要和压力表一致，记录仪中显示的总量要和实际排掉的总量一致，允许误差范围为±2%。

（4）严格执行灌浆结束标准，确保灌浆资料的有效性。

5、充填灌浆施工注意事项

（1）制浆站电子称、灌浆记录仪及比重称的定期率定与校核，确保计量精度满足要求。

（2）原材料检验时，在罐车内取灰样一定做到有代表性，即在上中下三个层位取样。

（3）灌浆过程中，在管浆泵起压力后，观测检查周围灌浆孔与地表是否有串浆、冒浆及地面出现裂缝或抬动情况。

（4）灌浆因故中断，一定扫孔到位后再进行复灌。

（5）套管底脚镶铸时，确保其强度和密封性，否则，会造出灌浆时孔口返浆，而无法结束灌浆。

五、采空区充填灌浆工艺与方法的使用效果

经对试验区进行检测，选出充填灌浆试验效果良好的工艺、方法、设备和灌浆参数，采空区充填灌浆的主体工程大面积展开施工，本工程充填灌浆孔共计1107个，实际总工程量约为25.6万米，平均孔深约为232米，截止目前，已完充填灌浆孔604个，充填灌浆总量已达到14万吨，平均单孔耗灰量为231.8吨/孔，平均灌浆强度达到650吨/天，至此，已完成充填灌浆产值约为6000万元。

充填灌浆主体工程采用以上灌浆工艺后，充填灌浆施工进展顺利且灌浆工效很高，据同期施工计划相比，当前工期节省了2个月的时间，且充填灌浆项目已为我公司创效益约为2800万元。

4