煤礦采空區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害成因分析

煤礦采空區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害成因分析

1主要建筑物2#隧道山西省萬家寨1#隧道段采空區(qū)改造工程，全長156.67公里。主要建筑面積1#隧道，全長43.67公里。第二個(gè)反射器，長約113公里。四個(gè)儲水池。1#隧洞在大梁水庫以下部分洞段通過煤礦開采區(qū),部分采空區(qū)接近洞線甚至就在洞線下方,影響隧洞安全。為避免隧洞發(fā)生突發(fā)性沉降,確保輸水隧洞長期處于穩(wěn)定的環(huán)境中,于是對煤礦采空區(qū)進(jìn)行了處理。2采出率低,頂板管理影響1#隧洞出口段的煤礦采空區(qū)主要有:崔家?guī)X煤礦采空區(qū)和井工二礦煤礦采空區(qū)。井工二礦煤礦采空區(qū)是物探測試查明的采空區(qū)。崔家?guī)X煤礦屬鄉(xiāng)辦煤礦,采煤運(yùn)輸方式井下為調(diào)度絞車,主井為串車提升,生產(chǎn)效率較低,開采煤層為4#煤,開采厚度6~8m,地面埋深170m左右,年產(chǎn)量2×105t左右,煤礦煤炭采出率為35%~45%.4#煤層的老頂是山西組底部K3砂巖,以河床相沉積的粗中砂巖為主,易風(fēng)化,當(dāng)開采范圍近200m2,在無支護(hù)的條件下,經(jīng)揭露6個(gè)月左右就開始自動(dòng)垮落;底板為泥巖或細(xì)砂巖,軟-半堅(jiān)硬巖層。從煤層采空的垮落情況來看,崔家?guī)X煤礦的煤層頂板管理采用預(yù)留保安煤柱,頂板自由垮落的管理方式。由于該礦4#煤采出率低,隧洞下伏采空區(qū)地層巖體變形相對緩慢。崔家?guī)X現(xiàn)已停采,并進(jìn)行了煤礦資源整合。3周邊斷層-地層工作區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單,發(fā)育蘆子溝背斜、白家辛窯向斜等一些較大的向斜和背斜,地層波狀起伏,地層傾角一般在10°左右,僅在南部邊緣及較大斷層附近,地層傾角較大。場地附近有三個(gè)較大的斷層,為安家?guī)X逆斷層、馬蹄溝斷層和崔家?guī)X煤礦的F1斷層。安家?guī)X逆斷層從馬蹄溝煤礦的礦界內(nèi)通過,延伸長度6.4km,傾向東南,傾角10°~40°,斷距40~60m,大致是西端大東端小。馬蹄溝斷層位于崔家?guī)X煤礦和石崖灣煤礦之間,走向北東,傾向東南,傾角60°,斷距15m左右。崔家?guī)X煤礦揭露的F1斷層位于七里河西岸,走向北西,傾向北東,傾角60°,斷距24m左右。4注漿及灌漿條件該工程采空區(qū)治理鉆孔、注漿均分序次間隔進(jìn)行,分三個(gè)序次,按一序(邊排帷幕孔)、二序、三序孔依次進(jìn)行。先施工一序孔,一序孔注漿全部結(jié)束后可緊接著進(jìn)行二序孔的注漿,二序孔注漿全部結(jié)束后可緊接著進(jìn)行三序孔的注漿。但后序孔的注漿孔應(yīng)選擇在前序孔注漿結(jié)束一周后的鄰邊,一序孔的外圍孔一般情況下盡量選擇1∶1.1的漿液;二、三序孔一般情況下盡量選擇1∶1.0的漿液。本工程采空區(qū)為單層采空區(qū),施工采用一次成孔,孔口封閉,自下而上,一次全灌注施工。注漿整體流程圖如圖1所示。4.1孔4.1.1鉆準(zhǔn)備4.1.1.1.砂孔標(biāo)記注漿孔應(yīng)用全站儀、鋼尺,根據(jù)設(shè)計(jì)的注漿鉆孔坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)地測量放樣。當(dāng)因地貌影響,鉆孔不能放在原設(shè)計(jì)位置時(shí),可視具體情況進(jìn)行調(diào)整。4.1.1.地物、管線影響下的鉆具準(zhǔn)備平整場地,設(shè)置機(jī)臺,安裝鉆機(jī),調(diào)平機(jī)架、機(jī)體,因地物、管線影響時(shí)移動(dòng)不宜超過0.5m。準(zhǔn)備鉆具:備好套管、鉆頭、鉆桿、巖心管等設(shè)備。鉆機(jī)安裝應(yīng)平整穩(wěn)固,鉆孔前應(yīng)設(shè)孔口管,鉆孔時(shí)必須保證孔向準(zhǔn)確。4.1.1.基巖底板終孔用φ130mm鉆頭開鉆,采用泥漿護(hù)壁,鉆至基巖下5~10m后,下入套管護(hù)壁,然后變徑(經(jīng)一次或兩次變徑),清水鉆至采空區(qū)底板或4#煤層底板以下3m終孔,終孔孔徑91mm。4.1.2巖芯采取率測試(1)測斜度,終孔孔斜不應(yīng)超過1°.孔斜超過設(shè)計(jì)要求時(shí),應(yīng)及時(shí)糾正或采取補(bǔ)救措施。(2)采空區(qū)取芯孔上部巖芯采取率應(yīng)為60%,采空區(qū)塌陷區(qū)部位巖芯采取率應(yīng)大于30%.巖芯要擺放整齊并予照相。(3)做好鉆探原始記錄和取芯孔要做好巖芯編錄等工作。(4)鉆孔施工過程中,如發(fā)現(xiàn)漏水、掉鉆、埋鉆等現(xiàn)象,要詳細(xì)記錄其深度、層位和耗水量等數(shù)據(jù)。4.1.3孔序施工時(shí),鉆孔分序次進(jìn)行,一般分三個(gè)序次成孔,按一序、二序、三序孔依次進(jìn)行。一序孔包括取芯孔、測試孔和外圍孔,外圍孔采用跳打法進(jìn)行。4.1.4最終孔的深度終孔深度按鉆至采空區(qū)底板或4#煤層底板以下3m終孔。但終孔深度不得超過設(shè)計(jì)孔深5m,如果仍未見煤層即可終孔。4.1.5冒落裂隙區(qū)孔的定義根據(jù)每個(gè)鉆孔的具體情況,明確該孔的所屬類型,即:將鉆進(jìn)具有明顯掉鉆(掉鉆深度大于0.5m),且突發(fā)性漏水的孔定義為空區(qū)孔;把在施工過程中掉鉆不明顯,漏水嚴(yán)重,鉆探中有較大碎石響聲,進(jìn)尺不平穩(wěn),甚至有卡鉆現(xiàn)象的鉆孔,定義為冒落裂隙區(qū)孔;將鉆孔沒有漏水現(xiàn)象(或漏水較少)基本正常循環(huán)、鉆進(jìn)平穩(wěn)的鉆孔(包括沉降帶)定義為完整孔。4.1.6mm水泥漿澆筑法將一端帶有法蘭托盤的注漿管下入孔內(nèi)變徑處,注漿管長度為地表至采空區(qū)處治范圍頂高程或至完整巖層頂面以下5~10m變徑處的距離?？變?nèi)放入少量礫石,以堵塞大的縫隙,然后放入少量黏土,防止?jié){液大量滲漏。然后灌入水固比為1∶1.5~1∶2的水泥漿,澆筑長度為地表至基巖下5~10m處。水泥漿液中應(yīng)加入水泥重量2%的速凝劑,或采用42.5級快凝水泥,快速將注漿管與孔壁固結(jié)。注漿管選用直徑不小于φ50mm的鋼管。4.1.7芯樣卡鉆或被磨損(1)取芯鉆孔,按取芯次序統(tǒng)一編號,填牌拍照裝箱,并繪制鉆孔柱狀圖和進(jìn)行巖芯描述。(2)鉆進(jìn)回尺長度限制在1.5m以內(nèi),一旦發(fā)現(xiàn)芯樣卡鉆或被磨損,應(yīng)立即取出。對于≥1m的鉆進(jìn)循環(huán),若芯樣采取率小于80%,則下一次應(yīng)減少循環(huán)深度,直至50cm為止。如果芯樣的回收率很低,應(yīng)更換鉆孔機(jī)具或改進(jìn)鉆進(jìn)方法。(3)在鉆孔過程中,對鉆孔壓力、芯樣長度及其他能充分反映巖石特性的因素進(jìn)行監(jiān)測和記錄。4.2砂漿的制備4.2.1按用量要求,不同的原料,對原料進(jìn)行整理生產(chǎn)水泥粉煤灰漿液注漿法,注漿材料主要由水、水泥、粉煤灰、添加料、速凝劑等組成。(1)水泥:選用灌漿用的水泥品種。標(biāo)號不應(yīng)低于42.5級,采用普通硅酸鹽水泥,其品質(zhì)必須符合GB175—2007的水泥標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,不得使用受潮結(jié)塊的水泥,水泥不應(yīng)存放過久,出廠期超過3個(gè)月的水泥不應(yīng)使用。(2)粉煤灰:要求不低于國家三級的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。(3)水:灌漿用水應(yīng)符合攪拌混凝土用水要求,其pH大于4.(4)添加料:當(dāng)遇采空區(qū)空洞和裂隙發(fā)育,尤其地下水流速較大時(shí),為節(jié)省注漿材料,先灌注天然砂礫料,最大粒徑不大于5mm。(5)速凝劑:在注漿過程中,應(yīng)根據(jù)需要加入一定量的速凝劑,來改變漿液性能,縮短凝結(jié)時(shí)間。4.2.2材料體積控制制漿材料必須稱量,稱量誤差應(yīng)小于5%,水泥采用自動(dòng)計(jì)量螺旋送泵,砂采用體積計(jì)量,粉煤灰采用臺秤計(jì)量。4.2.3充填材料配合比試驗(yàn)(1)漿液的攪拌時(shí)間:使用普通攪拌機(jī)時(shí),應(yīng)不少于5min;使用高速攪拌機(jī)時(shí),應(yīng)不少于40s。漿液從開始制備至用完的時(shí)間宜小于4h。(2)水固比(重量比)按1∶1.0/1∶1.1控制,其中水泥在固相中的比例,施工中應(yīng)依據(jù)對漿液結(jié)石體的要求,通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場情況確定。(3)在施工前,應(yīng)對擬在施工時(shí)使用的注漿材料,在試驗(yàn)室做漿液配合比試驗(yàn)。水固比(重量比)按1∶1.0或1∶1.1,水泥在固相中的比例,按水泥占固相的20%,即水泥∶粉煤灰為2∶8進(jìn)行試驗(yàn)。(4)一級攪拌池單池每次攪拌時(shí)間不得少于10min。4.2.4同一孔、同一配合比、不同臺班的試塊在現(xiàn)場施工時(shí),應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場取樣試驗(yàn),試驗(yàn)內(nèi)容和指標(biāo)與試驗(yàn)室試驗(yàn)相同,以便同試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對。(1)漿液試塊制作:要求在同一孔中的不同配合比漿液各做一組相應(yīng)配合比的試塊;在同一孔、同一配合比、不同臺班時(shí),應(yīng)各做一組試塊。(2)漿液密度、結(jié)石率、黏稠度等指標(biāo):要求在同一孔中的不同配合比和同一配合比、不同臺班時(shí)各檢測一次。(3)每次檢測結(jié)果均為原始資料。(4)添加外加劑時(shí)應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行取樣試驗(yàn)。(5)漿液試塊選用7.07cm×7.07cm×7.07cm模具成型,按照標(biāo)準(zhǔn)條件來養(yǎng)護(hù)。4.3砂漿注入4.3.1清潔孔在各孔注漿前先用清水沖洗鉆孔不小于10min。4.3.2溶液比較漿液水固比1∶1.0/1∶1.1,固相比為2∶8.4.3.3不同孔注釋根據(jù)采空區(qū)不同鉆孔性質(zhì),采用相應(yīng)注漿方案。4.3.3.加砂劑量的確定(1)對于掉鉆小于1.5m的孔,用1∶1.0的漿液注漿;注漿總量達(dá)到300m3時(shí),考慮間歇注漿,間歇時(shí)間不小于12h;總量達(dá)到600m3時(shí),仍未起壓,可采用1∶1.0的漿液加砂,投砂量要求慢速,每小時(shí)不超過2m3;當(dāng)單孔注漿量達(dá)到900m3時(shí),可提高投砂速度,每小時(shí)為3~4m3,投砂采用間歇投砂。當(dāng)單獨(dú)注漿壓力表顯示有壓力時(shí),停止投砂,用1∶1.0的漿液注漿直到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。(2)對于掉鉆大于1.5m的孔,注漿采用1∶1.0的漿液加砂,投砂每小時(shí)2~3m3;當(dāng)注漿總量達(dá)到600m3時(shí),仍未起壓,加大投砂量,投砂采用間歇投砂;當(dāng)單獨(dú)注漿壓力表顯示有壓力時(shí),停止投砂,用1∶1.0的漿液注漿直到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。4.3.3.未起壓時(shí),稠漿不足時(shí)用1∶1.0的漿液注漿,注漿量達(dá)到300m3,未起壓時(shí),可采用稠漿1∶1.1,并伴以間歇注漿,直到壓力表達(dá)到0.3MPa以上時(shí),換成1∶1.0的漿液直到結(jié)束。4.3.3.3.完整孔完整孔同樣是用1∶1.0的漿液注漿直到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。4.3.3.4.1孔周圍孔和孔內(nèi)水孔一序孔的外圍孔和孔內(nèi)有水的孔,注漿水固比采用1∶1.1,其他控制措施同上。4.3.4注漿壓力(1)對于地面冒漿孔,間歇次數(shù)不得超過3次,每次間歇時(shí)間≥l2h;當(dāng)?shù)?次注漿,又發(fā)生冒漿時(shí),即可終止注漿。(2)注漿過程中,當(dāng)1.5MPa>孔口壓力>1.2MPa(洞軸線兩側(cè)第一排孔,1.0MPa>孔口壓力>0.8MPa),注漿泵量≤70L/min,穩(wěn)定15min,即可終止注漿。(3)注漿過程中,當(dāng)孔口壓力達(dá)到1.5MPa(洞軸線兩側(cè)第一排孔孔口壓力達(dá)到1.0MPa),但不能滿足注漿泵量≤70L/min、穩(wěn)定15min的終孔標(biāo)準(zhǔn)時(shí),用水試灌,仍不能滿足“注漿泵量≤70L/min、穩(wěn)定15min的終孔標(biāo)準(zhǔn)”時(shí),結(jié)束注漿。4.4注漿中斷及注漿工藝地面或孔壁與注漿管間冒漿時(shí),應(yīng)采取的措施:(1)調(diào)整灌漿壓力;(2)小流量注漿;(3)間歇注漿;(4)重新安裝注漿管。漿液過量流失到非注漿區(qū)域以外的地方:(1)采用低壓注漿;(2)提高漿液的濃度;(3)水泥粉煤灰漿液中摻入適量速凝劑等,加快注入漿液的凝結(jié)時(shí)間,封堵孔內(nèi)裂隙發(fā)育地區(qū)的裂縫;(4)采用間歇式注漿法施工。注漿中斷采取的緊急措施(不超30min直接恢復(fù)注漿):(1)中斷時(shí)間超過30min,應(yīng)立即設(shè)法沖洗注漿管路、注漿泵、注漿孔;(2)恢復(fù)注漿時(shí),開始采用最稀一級漿液進(jìn)行注漿;(3)中斷時(shí)間過長,無法正?；謴?fù)注漿的,要及時(shí)重新鉆孔后再注漿。遇地下采空區(qū)空洞特別大處的注漿措施:當(dāng)單孔注漿量嚴(yán)重超過設(shè)計(jì)注漿量,而且可查地下存在大面積采空空洞區(qū)的,考慮先回填砂石等填充物,并預(yù)先在孔內(nèi)放置注漿管,然后進(jìn)行注漿。據(jù)類似工程的灌注經(jīng)驗(yàn),加工D100的三通灌漿裝置(如圖2所示),上部焊接漏斗形狀的填料容器,在灌注過程中加入砂、細(xì)石、礦渣等填充料;在DN100的三通部分,一側(cè)管道進(jìn)行注漿,一側(cè)根據(jù)實(shí)際情況確定的要求注入的外加劑;在灌注滿足要求后,拆除本裝置的漏斗,再進(jìn)行孔口封閉灌漿施工。在現(xiàn)場施工中,遇到其他特殊的情況,應(yīng)及時(shí)查明原因,采取切實(shí)可行的注漿施工方法。4.5采空區(qū)治理工程總體水分檢測指標(biāo)灌漿工作結(jié)束6個(gè)月后,檢查孔數(shù)量依據(jù)灌漿總孔數(shù)的5%,選擇在脫空較大、串漿孔集中或設(shè)計(jì)圖紙確定的部位。采取鉆探取芯、電磁波CT測試、波速測井、孔內(nèi)電視觀測和巖芯無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等測試方法,進(jìn)行采空區(qū)治理工程的質(zhì)量檢測。檢測指標(biāo):(1)注漿漿液的結(jié)石率≥80%.(2)巖芯無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值>1.0MPa,最小值不得低于0.6MPa。(3)在鉆探檢測過程中,循環(huán)液基本不漏失。(4)質(zhì)量