1、帽帽山煤矿采空区治理设计1.概况1.1工程概况山西煤炭运销集团帽帽山煤业有限责任公司由原左云县水窑乡帽帽山煤矿和左云县水窑乡芦草沟煤矿兼并重组成立。拟新建的地面工业广场及选煤厂场地位于矿界范围南部，工业广场拟建建筑物有办公楼、单身公寓、职工食堂、10KV变电所、设备材料库等，选煤厂场地建（构）筑物位置未定，总占地面积33.63公顷。按照建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与与压煤开采规程拟建建（构）筑物为重要工程、安全保护等级为级。拟建的地面工业广场及选煤厂场地地下2-1#、2#为原帽帽山煤矿采空区，为了保护拟建建（构）筑物安全使用，对采空区进行治理。1.2自然地理概况1.2.1地形地貌井田内
2、为低山丘陵黄土地貌景观，地势西北部高、东南部低，黄土覆盖面大，“V”字型沟谷发育。井田最高点位于井田中部睡佛寺山，海拔标高1706.2m，最低点位于井田东南沙沟湾沟谷内，海拔标高1330m，相对高差376.2m。沙沟湾在井田南部由北西向东纵贯全井田。1.2.2水文气象本井田属海河流域桑干河水系。井田南部主要河流有大峪河，井田内沟谷有沙沟湾、新道沟等，区内无其它大的地表水体，大峪河发源于左云县葫芦峪、布山沟、马道头乡分水岭一带，流域面积78km2，汇入桑干河，全长22.5 km，河床宽100-450m，河流弯曲系数1.24，水力坡度0.02%-10%，树枝状水系，据吴家窑水文站观测资料，最大洪水
3、量为208m3/s，最高水位可达1358.19m-1328.79m,河水在平常年份只有小细流，枯水期往往河床干枯，冬季河床有结冰。沙沟湾在井田南部由北西向东纵贯全井田。本井田区域属于高原地带干旱大陆性气候，冬季严寒，夏季炎热，气候干燥，风沙严重。现将大同市左云县气象台1983-1987年观测资料，和大同气象台1988-1992年的资料分述如下：气温：气温一般较低，以年温差大为特点，年平均气温为5.1，极端最高温度在39.9，极端最低温度在-35，年度最低温差可达60以上，一般日温差20。降水量：年降水量分配极不均匀，暴雨强度大，降水多集中在7、8、9三个月，约占年降水量的60%-70%。年最大
4、降水量为628.3mm，年最小降水量为259.3mm，年平均降水量432.44mm，日最大降水量为79.90mm。蒸发量：全年日照时间2880-3140小时，平均为3011.4小时，年日照率为68%，历年蒸发量大于降水量，一般蒸发量为降水量的3-4倍。年蒸发量在1644-2105mm之间，年平均蒸发量为1847.8 mm，4-7月间，月蒸发量为200-300mm，最大日蒸发量为19.2mm。风：大同地区一向以风沙多而著称，西北风几乎贯穿全年，每年有风时间占全年总时间73.2%。多集中于冬春季节，年平均风速为3.2m/s，最大风速可达17m/s。湿度：历年平均相对湿度为53%，最大相对湿度为10
5、0%，最小相对湿度为0。冻土：历年冻土月份为11月至翌年4月，最大冻土深度为1610mm。1.2.3地震历史上记载的地震多发生于大同及周围：1962年6月15日左云县发生地震，震中位于北纬400,东经1126，震级4.5级。1989年10月18日01时01分34秒，大同-阳高发生6.1级地震。震中位置东经39.8，北纬113.8, 震中烈度度。这是一次中强震群，5级以上地震多次发生。大同、阳高、浑源、广灵等县以及河北省阳原县、内蒙丰镇县遭到不同程度的破坏，其中，大同、阳高两县乡村破坏严重。地震造成19人死亡，193人受伤，牲畜死亡1957头。由于房屋多为沙黄土砌造，因此破坏最为严重，数万间倒塌
6、，其中受灾严重地区的房屋倒塌达到80%以上。根据中国地震动参数区划图（GBI8306-2001图1），该区地震基本烈度值，设计地震动峰值加速度值0.15g。1.2.4交通井田西南有左云经马道头、吴家窑的省210公路通过，在陈家窑与大运二级公路相接；大同至王家村的运煤专线从本区北东部通过，距离约15km，距北同蒲铁路约40km，至大同约52km，朔州市77km，交通较为便利。（见1-1交通位置图） 1.3采空区特征1.3.1采空区地质条件山西煤炭运销集团帽帽山煤业有限责任公司井田位于大同煤田向斜构造东部边缘。井田内构造形态主要为向西北倾斜的宽缓背向斜构造，背向斜轴部均呈NW向，形态为一波浪形。在
7、井田东北部发育有3条正断层，井田构造格局受F1、F2断层控制形成地堑，其特征是：井田北部由断层F1与F2形成走向NW向条形地堑宽约700m，长约3000m。采空区位于井田南部边缘，地层产状平缓，倾角12。治理区地层由老到新为：奥陶系马家沟组，石炭系溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组，侏罗系永定庄组、大同组，第四系中上更新统和全新统。（一）奥陶系（O）1、中统下马家沟组（O2x）厚层状灰色石灰岩夹少量黄色泥灰岩，有时夹一层约2m的角砾状灰岩，含头足类、腕足类化石，井田内本次勘查施工钻孔ZK4-3揭露奥陶系下马家沟组灰岩106.06m。（二）石炭系（C）1、中统本溪组（C
8、2b）上部为灰黑色、灰色砂质泥岩、泥岩、粉、细砂岩；中部多含1-2层灰岩；下部为灰黑色砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、砂岩；底部为铝土质泥岩（G层）和铁质泥岩或鸡窝状铁矿。2、上统太原组（C3t）为本井田主要含煤地层，主要由深灰色、灰黑色砂质泥岩、泥岩、海相泥岩、泥灰岩、粉砂岩、灰白色砂岩及煤层组成，含煤2、3、5、6、8、9等层，煤层中夹有薄层高岭岩、炭质泥岩，底部为中粗粒石英砂岩（K2）。 （三）、二叠系（P）1、下统山西组（P1s）为井田含煤地层，主要由灰色、深灰色砂质泥岩、中、细粒砂岩组成，上部多含一层灰色铝土质泥岩，下部以黑色砂质泥岩、泥岩与薄层灰白色砂岩为主，井田内一般赋存1-2层不稳定的
9、薄煤层，山4为稳定大部可采煤层。底部为灰白色含砾中、粗粒砂岩（K3）。2、下统下石盒子组（P1x）上部为灰、黄绿色砂岩、砂质泥岩及薄层灰色铝土泥岩，顶部为紫红色斑块状铝土泥岩，鲕状结构（即桃花泥岩）。下部为灰、黄绿色砂质泥岩、泥岩及灰白色砂岩夹不稳定薄煤层，底部为灰白色胶结坚硬的中粗粒砂岩（K4）。3、上统上石盒子组（P2s）上部多为紫红色砂质泥岩、中粒砂岩；中部为紫色、灰绿色粉砂岩、中粒砂岩、砂质泥岩；下部以中粗粒砂岩为主，夹有粉砂岩、砂质泥岩，色相呈黄色、紫色、杂色，易于识别。底部为黄绿色厚层状砂岩（K6）。本组地层呈零星分布于井田范围内。 (五) 第四系(Q)1、中、上更新统(Q2+3)
10、为浅红色、土黄色亚砂土、亚粘土为主，夹有钙质结核，主要分布于低山丘陵之上及沟谷两侧。本组地层厚10m左右，大范围分布于井田内。2、全新统(Q4)为现代河流沉积物，由亚砂土、砂、卵石组成，主要分部在沟谷中，厚0-10m。据兼并重组整合矿井地质报告，奥套系石灰岩岩溶裂隙水发育不均匀，单位涌水量0.7624L/s.m，渗透系数0.5968m/d，矿化度0.44g/L，水质类型HCO3CaMg，富水性中等。水位在1120-1144m之间，高于所有煤层底板。石炭、二叠系含水层以砂岩裂隙含水层为主，层间泥岩为相对隔水层，补给条件差，富水性弱，富水性弱，单位涌水量0.000443L/s.m，渗透系数0.00
11、1854m/d，矿化度0.66g/L，水质类型HCO3ClK+Na。2号煤层矿坑正常涌水量240m3/d，最大涌水量为720m3/d。矿区工业及生活用水水源为原帽帽山矿和原芦草沟矿各有一眼自备井，出水量分别60m3/d和200m3/d，可满足目前的需水量。 水化学类型为HCO3-CaMgNa，矿化度0.52g/L，总硬度0.35g/L，PH值8.30，水质良好。据兼并重组整合矿井地质报告， 2、3号煤层顶板大部为泥岩、砂质泥岩，厚度为3.80-5.46m，干容重为2.57g/cm3；比重为2.611t/m3；含水率为0.5%；吸水率为0.51%；饱水率为0.53%；孔隙率为1.57%；软化系数
12、为0.90；抗拉强度为1.0-1.2MPa；弹性模量为5.14-5.35104 MPa；泊松比为0.23-0.34；抗剪断强度粘聚力为3.1MPa；抗剪断强度内摩擦角为49.5，顶板砂质泥岩为较软质岩石。稳定性较差，层理与节理较发育易坍塌、跨落，围岩类别为-类。1.3.2采空区范围及开采特征据兼并重组整合矿井地质报告，2、3号煤层采空区面积约为672035m2。局部有积水，积水面积约201440m2，积水量 302600m3。在治理区一带为合并煤层，间隔1-2m，采空区顶板深度293-318m、底板深度303-314m、底板平均深度308m；煤层厚度3-5m，采空区高度2m-4m、采空区平均高
13、度3m；采深采厚比为102，（40h/m200）属中深采空区。顶板为中粗砂岩、砂质泥岩。采掘时间为上世纪80-90年代，采掘方式为壁式开采，回采率50%左右，山西煤炭运销集团东沟煤业有限责任公司煤矿（原东沟煤矿柏山井）在2004年前在本矿南部曾越界开采本矿2号煤层，与本矿采空区连通。1.3.3采空区上覆岩层稳定性场地场地及其附近未发现采空区顶板冒落引起地面变形，未发生大面积冒落，地面未发现塌陷裂缝及塌陷坑。 1.4施工条件施工场地位于矿区内，交通便利，通讯畅通。场地附近有动力电源，场地内矿山工业用水水源可作为注浆施工用水水源，附近有矿山办公用房。施工条件良好。2.设计原则及依据2.1设计原则经
14、对采空区上覆岩层稳定性分析评价，针对采空区特征、场地工程地质条件、建筑类型及其重要性，确定采用安全可靠、经济适用、有利环保、便于施工的地面打孔注浆（水泥、粉煤灰）治理方案，做到一次性治理。2.2设计依据本次采空区治理设计依据的规范、规程、技术文件主要有：1建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）2.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与与压煤开采规程3.高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册4. 山西煤炭运销集团帽帽山煤业有限责任公司兼并重组整合矿井地质报告2.3设计治理标准为了保证精煤仓在施工建设和使用过程中，采空区以上地基能够有效地承受建筑物及储煤的荷载，不产生地基下沉和建筑物变
15、形，确定采空区治理水泥、粉煤灰注浆设计标准为：注浆材料配比：水泥粉煤灰=37；浆液充填率：85%；浆液结石率：80%；浆液结石强度：3 MPa；注浆结束压力：2-3 MPa。3.治理方案及工程量3.1治理方法治理方法采用目前国内常用的充填式压力注浆法。即在地表打孔至采空区，孔口埋设注浆管，通过注浆泵和注浆管道，将水泥、粉煤灰混合浆液注入采空区和上覆岩层的裂隙中。混合浆液经过固化、胶结形成结石体，对上覆岩层形成支撑作用，阻止采空区上覆岩层的冒落。3.2治理范围确定依据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程以建筑物基础外边缘为界，向外增加变形维护带，维护带宽度按15m计算，大同-朔州地
16、区基岩移动带扩散角按75计算，2#、-3#煤层采空区底板距地面平均高度为308m，即需治理范围为沿拟新建的地面工业广场及选煤厂场地边界在采空区内按308mctg75+15m=98m外推，由图中量取需治理的S1与S2两个采空区面积：S = S1+S2=31900+344900=376800 m2采空区空隙体积计算公式为：V=sh12式中：V空隙体积（m3）S治理面积（m）h煤层厚度（m），取31回采率（%），取50%2剩余空隙率（%），取85%据煤田钻探孔资料，采空区顶板以上岩石裂隙不甚发育，钻穿顶板之钻具发生掉钻，说明顶板冒落变形小，剩余空隙率按85%计算。则，采空区空隙体积为： V=3768
17、00350%85% =480420（m3）3.3注浆孔布设3.3.1帷幕孔 S1采空区治理范围的北、东两边界布置帷幕孔，孔距10m （局部可适当调整），共布设85孔；S2采空区治理范围的南、东、北三边界布置帷幕孔，孔距10m （局部可适当调整），共布设169孔。旨在治理范围周边的采空区形成幕墙，防止注浆孔浆液外溢而造成浪费。3.3.2注浆孔因具体建筑物位置不能确定，治理范围（以幕墙为界）内布置注浆孔按30m孔距与排距均匀布置。S1采空区治理范围布设97孔、S2采空区治理范围布设357孔，共布设注浆孔454个，对治理范围内采空区及裂隙进行充填。帷幕与注浆孔共计623孔，见采空区治理工程布置图（附
18、图-1）。3.4注浆量设计注浆量按下式计算：Q=aV3c式中： a浆液损耗系数V空隙体积（m3）3空隙率（%）c结石率（%）浆液结石率按80%计算，浆液对采空区及上部裂隙充填率达到85%，注浆过程中浆液损耗系数取1.2。计算得注浆量：Q =1.248042085%80% =612535（m3）3.5治理工程量估算本次采空区治理设计工程量为：帷幕孔和注浆孔共计623个，检查孔50个（按总孔数8%布设），共673个钻孔，平均孔深308m，钻孔总长度207284m。注水泥、粉煤灰浆液612535m3。浇筑孔口注浆管10095m（毎孔按15m计算）4.钻孔施工工艺4.1钻孔结构开孔口径130mm，进入
19、完整岩石4-5m后下入114mm护孔钢管，终孔直径不小于91mm。钻孔深度为进入采空区底板下0.3-0.5m。见注浆孔施工结构图（附图-2）。4.2施工工艺定点：使用经纬仪、钢尺按设计桩位（坐标）进行实地测量放点，实际施工位置与设计位置偏差不得超过1.0m。如因地形影响，钻孔不能在设计位置施工时，可视具体情况取得设计和甲方代表同意后予以调整。成孔：布置8%的孔进行全孔取芯，以便指导钻探和注浆施工。根据地层条件，取芯钻孔采用泥浆护壁回转钻进，非取芯钻孔采用风动潜孔锤钻进。浇注孔口管：孔口管（114mm）下至完整岩石内4-5m，地面流出0.20.3m，顶部焊接150mm法兰盘（与注浆管法兰盘连接）
20、，孔口管长度全部部用11.211.5水泥浆浇注，见孔口管结构示意图（附图-3）技术要求：a.每孔终孔后重新丈量孔深一次，孔深误差不得超过0.1% 。b.每孔终孔后测斜一次，孔斜度不得超过1.5。c.孔口管浆浇注要牢固，如有活动须起拔后重新扫孔、下管、浇注。d.每孔作好钻探原始记录，钻进中如遇漏水、漏风、掉钻、埋钻等现象要记录其深度和岩性。5.浆液材料及配比浆液材料水泥：使用标号32.5MPa矿渣水泥。粉煤灰：大同第二发电厂排放的粉煤灰，质量符合三级标准。水：使用当地矿山工业用水，建泵站供水。砂骨料：当帷幕孔注浆量较大时，向孔内投填砂骨料。选用附近天然中粗砂，最大粒径不大于2.5mm。浆液配合比
21、注浆浆液为水泥粉煤灰浆，水固比为11.011.5，水泥占固相的30%，浆液结石体强度3MPa。当注浆量较大时可在浆液中按水泥重量的2加入速凝剂（水玻璃）。6.注浆工艺注浆系统注浆系统包括堆料场、供水站（蓄水池）、一级搅拌池、二级搅拌池、注浆泵、注浆管道、压力表、孔口封闭装置、投砂漏斗等组成。见注浆工艺流程示意图（附图-4）。a.堆料场：堆料场场地要平整，紧临搅拌池。水泥堆场要防潮、防雨，运输车辆通行方便。b.搅拌池机：搅拌池采用圆柱型，体积不小于5m3，中间设置搅拌机。搅拌机能满足正常搅拌要求，搅拌后的浆液要求均匀。c.注浆泵：使用BW/50-250型变量泵，排量不小于200升/分钟，压力不小
22、于设计压力的1.5倍。d.注浆管道及压力表：注浆管道使用50mm钢管，丝扣连接。压力表指数为010MPa。e.孔口封闭装置及投砂漏斗：孔口封闭装置使用与孔口管相同的法兰盘对接，并加胶垫密封。当单孔注浆量大时，可使用与孔口管直径相同的投砂漏斗向孔内进行投填砂骨料。f.供水站及蓄水池：施工用水用泵站提水，在搅拌池附近建蓄水池，蓄水池体积不小于100m3，不得向池底及侧帮漏水。浆液配制按浆液设计配合比进行搅拌制浆，并随机抽查浆液的各项指标。各种浆液搅拌时间不得少于10分钟。见制浆工艺流程图（附图-5）。a.水泥：袋装以袋计量、散装以水泥计量泵计量；b.粉煤灰：用定量容器（手推车）计量；c.水：用定量
23、容器（水箱）计量；d.砂骨料：用定量容器（手推车）计量；e.速凝剂：液态水玻璃，用定量容器计量。注浆 注浆采用先稀浆后稠浆的方法，注浆开始后要定时观测记录吸浆量、泵压和开关泵时间，记录注浆过程中的各种现象，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。当单孔注浆量较大时，应采用间歇式注浆，间歇时间不少于8小时。如遇较大空洞时可用投砂漏斗从孔口投填砂骨料充填空洞，或添加速凝剂，减少浆液流失。注浆结束标准钻孔在注浆末期泵压逐渐升高，当泵量小于70升/分钟、孔口压力帷幕孔达到2MPa、注浆孔达到3MPa时，稳定1015分钟，可结束该孔的注浆。注浆技术要求a.每孔注浆前必须用清水洗孔，冲洗时间不少于10分钟
24、；b.单孔注浆量中稀浆液比例不宜超过30%；c.注浆过程中若出现地面跑浆时，应采取地面填堵和间歇注浆措施，阻止地面大量跑浆。7.注浆材料检验为了保证注浆质量，对浆液原材料及浆液质量进行施工过程中的检验。7.1原材料水泥：由厂家提供出厂合格证，每进场600吨，送当地有资质的质检实验室进行检验一次。粉煤灰：每进场1000吨，送当地有资质的实验室进行检验一次。水：每使用5000吨，送当地有资质的实验室进行检验一次。砂：每进场500m3，送当地有资质的实验室进行检验一次。7.2浆液配合比试验：正式注浆前按设计配比在实验室进行配合比试验，确定每立方浆液固相干料含量、浆液浓度、浆液比重、结石率、试块无侧限
25、抗压强度。浆液检测：每班随机对浆液的浆液浓度和比重进行一次测试。浆液试块检测：每灌注2000m3浆液制备一组试块，在常温下凝固后放入水箱中养护28天，送实验室试验。8.施工顺序为了有效治理采空区，保证施工质量，按以下顺序施工：帷幕孔S1治理区先由北边界开始，后向东边界施工；S2治理区先由北边界开始，后向西、南边界施工。注浆顺序应遵循：先帷幕孔，后注浆孔；沿采空区底板先低处，后高处；先边部，后中心。9.工程质量检测9.1检查方法由于采空区治理工程的隐蔽性和复杂性，必须对治理后工程质量进行检测，针对本项工程从技术可行、操作方便、经济合理的角度考虑，选用钻探和物探方法进行检测。钻孔检查：注浆施工结束
26、6个月后，进行钻孔检验，检查孔深度为地面至采空区底板下0.5m。通过钻孔取芯观测采空区（或冒落带）内浆液、混凝土充填情况，对取出的浆液、混凝土岩芯进行抗压强度测试。结合钻进过程中循环液漏失及孔壁稳定情况评价注浆质量。物探测试：检查钻孔终孔后在孔内进行物探波速测试，若采空段剪切波速大于160m/s时，则注浆质量符合要求。9.2检查点位置及工作量本注浆治理工程检查钻孔位置应布置在精煤仓基础附近、围护带范围内和有疑点的位置，由监理人员和施工单位根据施工资料共同确定。参照高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册，共布置检查钻孔50个，每个检测钻孔均进行波速测试。9.3地面监测为了准确、客观地评价采
27、空区治理工程质量和地基稳定性，治理工程结束后，在场地内设置8-10个变形观测点，进行定期测量地基变形情况。观测点须设置在岩石强风化带以下且大于冻土深度的稳定层，测量精度满足四等水准要求。观测周期以建筑物建成并使用一年为宜。依据变形观测资料，对采空区治理效果及地基稳定性做出准确评价。10.施工工期根据采空区地质条件、设计工程量，计划工期10个月。11.经费概算按照工程勘察设计收费标准（2002），结合施工条件、市场价格等进行经费概算。11.1取费单价帷幕和注浆、检查钻孔施工费（含孔口管及浇铸）：180元/m 注浆材料费和灌注施工费： a.注浆材料费（水泥、粉煤灰）：125元/m3 b.注浆施工费
28、（含机械、人工）：25元/m3 场地平整及搅拌站修建费：100000元孔位测量费：30000元组撤费：100000元税金、管理费：项之9.345%工程设计费：项之3% 施工监理费：按项之和的3%计。不可预见费：按项之和的3%计。11.2概算工程量 因采空区范围较大，属中深采空区。工程项目建筑物位置虽未确定，主工业广场建筑物稀疏，选煤厂建筑物为线状分布，考虑到节约投资，合理治理，在设计建筑物位置及周边按设计孔距布设注浆孔，其余大部分空地可不进行注浆治理。帷幕孔169个，注浆孔按设计孔数的40%布设，计182个，检查孔15个，共计366个钻孔，平均孔深308m，钻孔总长度112728m。注水泥、粉
29、煤灰浆液按设计方量的50%计算，为306270m3。11.3概算总费用概算总费用为：7510.0万元，详见表101。 采空区治理工程费用概算表 表10-1序号项 目单位单 价（元）数 量费 用（万元）帷幕、注浆、检查钻孔m1501127281690.0注浆材料和灌注施工.注浆材料费m31253062703825.0.灌注施工m325306270765.0场地平整及搅拌站修建10.0孔位测量3.0组撤费10.0小 计6303.0税金、管理费9.345%589.0小 计6892.0工程设计费 3%206.0施工监理费3%206.0不可预见费3%206.0总 计7510.012.存在问题及建议本设计
30、为治理工程初步设计，采空区范围确定依据山西煤炭运销集团帽帽山煤业有限责任公司兼并重组整合矿井地质报告，未进行专门的采空区勘察，选煤厂建筑物平面也未确定。因此，设计的工程量及费用准确程度较低。为了治理工程的准确性和合理性，建议在治理施工前应按设计建筑物位置，对采空区开展详细勘察，勘察方法采用收集资料、物探测量、钻探验证相结合。准确查明采空区深度、采空高度、冒落高度、裂隙带高度、平面分布、与地面建筑的对应关系等特征，并进行治理工程详细设计。目 录1.概况 11.1工程概况 11.2自然地理概况 11.3采空区特征 41.4施工条件 82.设计原则及依据 82.1设计原则 82.2设计依据 92.3设计治理标准 93.治理方案及工程量 93.1治理方法 93.2治理范围确定 103.3注浆孔布设 113.4注浆量设计 113.5治理工程量估算 124.钻孔施工工艺 12
