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中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司布尔台煤矿工业广场采空区治理工程技术文件煤炭科学研究总院2011年3月13日11工程背景中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司布尔台煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，井田面积193km2，地质储量33亿t，可采储量18.5亿t，矿井设计生产能力为2000万t/a，服务年限71.3a。由于历史原因，布尔台工业广场内的2栋办公楼和1栋宿舍楼、材料库等建筑位于寸草塔二矿302房采采空区上，由于房采采空区的残留煤柱不具有长期稳定性，在地表荷载增加或附近开采动态地应力的影响下，随时可能造成房采采空区的顶板突然垮落，地表的大面积突然沉陷，从而造成地表建（构）筑物、公路等的破坏。因此，2栋办公楼和1栋宿舍楼下的采空区存在安全隐患，是重大危险源。为了尽快排除采空区带来的危害，需要对布尔台工业广场2栋办公楼和1栋宿舍楼、材料库等进行注浆充填治理。布尔台工业广场区域采空区深度116-125m，平均120m，房采煤柱留设5m，巷宽4-5m，采高约2.8m，回采率约40%。2施工内容及要求2.1施工内容地面治理对象：布尔台广场内的1栋办公楼和2栋宿舍楼、材料库及附近公路。布尔台工业广场下采空区治理工程包括治理对象区域内地面注浆治理设计方案、钻孔及注浆治理全过程的施工作业（要求包工包2料）。2.2施工总体要求①保证治理的范围安全可靠；②对采空区浆液结石率不低于85%；③确保帷幕孔质量，减少无效浆液的流失量，流失量不超过10%，多发生的注浆费用，由乙方负责；④由于治理不力而造成采空区垮落引起的事故，乙方承担全部责任。2.3施工准备进行施工前，甲方应提供的基础资料为：施工场地工程地质勘察报告及有关平面图、剖面图；施工场地范围内地下管线分布图及有关资料和特殊要求。根据甲方要求编制施工组织设计，设计内容应包含以下几个主要方面：（1）目的要求及场地条件；（2）打钻及注浆施工工艺；（3）施工设备配套及浆液材料配制标准；（4）场地布置、浆液排放及施工顺序安排；（5）施工技术参数及特殊情况处理；（6）施工质量、工期、安全保证措施；3（7）自行检测及竣工验收标准。施工场地准备工作应符合下列要求：（1）平整场地，清除地面、地下障碍；（2）开挖排浆沟及过滤沉淀集浆坑；（3）计划和布置好现场施工用的临时设施，如供电、供水、道路、临时房屋、维修车间及材料库等；（4）搅拌及堆料场应设在工业广场外。2.4施工管理施工管理应包括以下几点内容：（1）施工前，应对施工操作人员开展技术交底和施工操作安全教育。（2）施工场地应配备专职安全员，负责整个工程的安全生产，全面执行《安全生产管理条例》。严守操作规程，对存在安全隐患的地方应及时排除，杜绝任何事故发生。（3）注浆设备系安全操作施工中的主要问题。所以，对于注浆泵、套管等，必须认真全面检查和清洗干净，防止泵体内有水泥残渣存在。指定专人司泵，一旦发生故障，应及时停泵停机，及时排除故障，并作好情况记录，以备日后复查分析。3工程进度和完成时间注浆治理施工工期约3~4个月。44技术方案及说明充填治理法是通过地面打钻孔至采空区，采用水泥、粉煤灰、砂子或石子等混合浆液将采空区所有空洞和覆岩裂隙全部充填加固。拟定对布尔台工业广场（包括1栋办公楼和2栋宿舍楼、1个材料仓库）进行注浆充填治理。该区域采空区深度116-125m，平均120m，表土层厚度约14m。房采煤柱留设5m，巷宽4-5m，采高约2.8m，回采率约40%。该区域至今地面尚未发现沉降，说明采空区大部分还以空洞形式存在，采空区有发生滞后陷落性破坏的可能。因此该采空区必须注浆加固，以防以后发生较大的下沉、变形以及陷落性破坏，保证现有建筑物能长期安全使用。4.1采空区注浆范围的确定根据建筑物情况及周围地形，对2栋宿舍楼和1栋办公楼采取安全保护的治理范围，对材料库采取主要保护的治理范围。据矿方反映，表土层厚度约14m，采空区深度平均120m，宿舍楼和办公楼外维护带的宽度取10m，表土层以45°、基岩层以75°计算治理范围；材料库直接以建筑物外边界按75°计算治理范围，在目前假定房采区范围条件下，采空区治理范围面积约为41300m2。4.2注浆钻孔的布置根据布尔台工业广场建筑物和公路的分布，以避开建筑物和公路5为原则，在治理范围41300.1m2内共布置82个钻孔，如图5-2所示。位于材料库和西部第一栋宿舍楼之间钻孔间距为16～18m，位于西部第二栋宿舍楼和办公楼之间钻孔间距为20～26m，其他钻孔间距多为20m，相邻排间钻孔交错布置，为了增加注浆的效果，在建筑物两侧布置了17个斜孔（K11、K12、K14、K15、K25、K26、K30、K33、K37、K38、K3、K5、K7、K50、K48、K46、K44），倾角10°。82个注浆孔的孔深平均按120m计算，其中表土层平均14m，基岩平均103.2m，煤层2.8m，约需总进尺9840m（表土层1148m，基岩8462.4m，煤层229.6m）。要求钻孔穿过煤层揭露底板即可终孔。煤层为采空区进行注浆充填工作，如某些钻孔打不到采空区，也应按要求灌注，满足终压、终量要求后，用水灰比1：2水泥浆封孔。6材料巷22104回风北部回风巷22104工作面2004ⅤⅥⅦⅧⅩⅩⅪⅫⅠⅩⅪⅫ2003ⅠⅡⅢ2004CK10CK11CK12CK14CK131058.95CK15CK16CK17CK18砖职工食堂砖6砖6砖6办公楼材料库（钢）7250018500实际平均煤厚：2.85实际平均采高：2.8572900728007270072600725007240072300722007210072000719001860018700188001890019000191001840018300182001820018300184001850018600187007260072300722007210072000191001900018900ⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨ南部回风巷ⅣA栋单身公寓楼砖（5）班中餐食堂砖生态园食堂砖新建单身公寓楼砖（6）新建单身公寓楼砖（6）体育场寸二矿寸二矿寸二矿厕菜窖（砖混)移动通讯基站联通通讯基站寸二35KV布尔台至寸二110KV至排矸场公路149布尔台工业广场寸二工业广场120m70m260mCK1922102工作面房采方式大致为采5×5m，留5×5m煤柱，采高约2.8m。开采过程中随意性较大，遇构造或异常区顶板条件差的情况下开采长度较小，但在附近区域开采长度较大时会掘巷道与之连通以便形成回风。22102工作面大致在切眼以南开采长度约120m，回风巷以东区域在切眼附近开采长度约70m，办公楼及公寓楼附近约50m，在采到距顺槽开口260m处时遇异常区，顶板较差，未继续开采。（开采长度为原采煤队人员回忆推测，可能与实际有一定误差）117m380m山地山地垂直钻孔治理范围K1K2K3K4K5K6K7K8K9K10K11K12K13K14K15K16K17K18K19K20K21K22K23K24K25K26K27K28K29K30K31K32K33K34K35K36K37K38K39K41K42K43K44K45K46K47K48K49K50K51K52K53K54K55K56K57K58K59K66K67K68K69K70K71K72K73K74K75J1J2J3J4J5检查钻孔K76K77K78K79K80K40K60K61K62K63K64K65K81K8224.5m20m18m26m倾斜钻孔图5-2注浆治理范围与钻孔布置图74.3注浆量与浆液配比注浆总体积由下式计算：V＝S×M×K1×K2÷K3×K4式中：S--采空区需灌注的面积，为41300m2；M--煤层采厚，其有效可充注高度取2.8m；K1--平面采空率，取0.40；K2--注浆充填率，取0.80；K3--浆液结石率取0.85；K4—浆液损失率，取1.1。把有关数值代入公式得：V＝41300.1×2.8×0.40×0.80÷0.85×1.1＝47888（m3）考虑有20%的体积需骨料充填（采用小碴石子），则需细石骨料9577m3，注浆量38310m3。浆液配比要求结石体必须具有一定的强度，才能形成有效的支撑体系，确保顶板岩层稳定。当采空区为房柱式时，由于残留较多煤柱，充填体要与煤柱形成组合支撑体系，充填体的强度不能与煤柱的强度悬殊太大，否则起不到应有的作用。一般而言，浆液配比形成的结石体强度越高，充填效果越好。目前，采空区注浆工程大多采用了水泥粉煤灰浆液。采用水:水泥:粉煤灰配比1:0.5:0.4～1.0。根据采空区情况调整浆液浓度。浆液配比按水：水泥：粉煤灰=1:0.5:0.7计算。8考虑有20%的体积需骨料充填（采用小碴石子），注浆体积47888m3则需细石骨料9577m3，注浆量38311m3。需水泥12670t，粉煤灰17760t，估计水玻璃用量300t。4.4注浆工艺与技术要求钻孔开孔φ146mm，钻进到基岩完整段，下φ127×6孔口管，用水：水泥：砂配比为1：1：1的水泥砂浆固管，完成后要试压，其最大压力不低于2MPa，保证不串浆。然后用φ108打到煤底板位置。采用φ50mm注浆管，其下部为10m长花管出浆。注浆管在孔口戴帽（也可用止浆塞），进行全孔加压灌注。钻孔钻进过程中，一般使用清水钻进，如孔壁破碎坍塌，可用泥浆。钻进过程中进行简易水文观测，全部取芯、编录，为确定止水、止浆位置和灌注层位等打下可靠的基础。要求钻孔孔斜不超过1度。采空区处理以灌注水泥粉煤灰浆液为主，个别采空区有空洞地段适当充入些小碴骨料，在孔口安装漏斗状注料器，用水冲小碴，直接混合冲入钻孔。然后再注水泥和粉煤灰浆液。水：水泥：粉煤灰的重量比为1：0.5：0.4～1.0，水固比1：0.9～1.5。采取打钻、灌浆分开作业方式。先按钻孔编号顺序打钻，然后统一注浆。灌注顺序先外侧后内部，隔孔灌注。终量终压，当孔口管压力为2.5Mpa，泵量小于30L/min，稳定30min以上结束该孔注浆。整个注浆过程，先用清水或稀浆压入孔内，然后将正常配比浆液9注入孔内，注浆过程中因各种原因停泵或注浆结束，必须压入清水，清洗注浆管路，尽量避免浆液堵管。注浆结束后，在将注浆管逐渐上提过程中，用灰浆封孔。在边界孔或由于其它原因很难达到终量、终压，发生跑浆时，可采用注浓浆或加入速凝剂，采用间歇注浆的办法加以解决，必要时可以加入浆液体积3%～5%的水玻璃，具体比例应在现场根据凝结时间长短实验确定。在注浆过程中要详细记录时间、浆液注入量、水泥和粉煤灰的注入量以及下骨料小碴的用量，所发生的事故及处理方法等。在注浆过程中，要定时观测四周邻孔串浆、喷水、喷浆及钻孔水位变化，观察记录注浆过程中各种现象，收集原始数据，据此调整注浆量和浆液浓度。在注浆过程中，施工单位对每一种配置好的浆液（当所用材料与配比发生变化时），必须按要求留取试样，并予养护，测定其抗压强度值，为合理确定材料配比提供依据。4.5注浆效果检测与评价（1）检查孔共布置5个，即J1~J5。检查孔应布置在两注浆孔中间，查明采空区空洞、空隙、裂隙充填情况；（2）检查孔在钻进过程中，观测冲洗液消耗量，上下钻动水位，掉钻的位置及尺寸，记录出水情况等，做注水试验，查明单位时间稳定漏失量，计算单压漏失量等。钻孔全部取芯，采取率不少于85%，10每孔在不同层位取样7～10件（煤层内不少于5件），保留岩样，并按要求及时对取样腊封，以备试验；（3）对保留岩样，进行室内抗压试验。要求28天龄期的充填结石体强度不小于0.5MPa；（4）施工时，定时提取浆液配比留做试块，不少于10组，要求28天龄期的试块抗压强度不小于0.5MPa。施工单位必须提交详细的注浆治理施工方案，方案中明确给出注浆孔结构（如开、终孔尺寸，固管、试压等要求）、注浆管尺寸及连接方式，骨料及浆液的灌注工艺和技术要求，施工顺序、结束标准，帷幕孔施工工艺，施工组织等，提出所用设备情况、工期、及主要材料消耗。编制详细的工程费用预算。5施工单位提交资料（1）施工前必须提交详细的注浆治理施工方案