煤层采空区钻孔区域注浆充填治理方法

煤层采空区钻孔区域注浆充填治理方法煤层采空区因煤层开采后遗留空洞，易引发地表沉降、巷道变形甚至突水等灾害，钻孔区域注浆充填治理通过“钻孔布设-浆液注入-空洞填充-地层加固”的流程，实现采空区稳定性提升，具体方法如下：一、前期勘察与方案设计：精准掌握采空区特征（一）采空区勘察技术勘察内容与方法空洞形态勘察：采用“地质雷达（超前探测30-50m）+钻孔CT（层析成像）”组合技术，明确采空区空洞范围（长度、宽度、高度）、埋深（一般需探明地表至空洞顶底板距离）及垮塌程度（如是否存在松散破碎带，厚度≥2m需重点关注）；水文地质勘察：通过钻孔抽水试验测定含水层渗透系数（如砂岩含水层渗透系数＞1×10⁻⁴cm/s时需加强防排水措施），分析地下水对注浆浆液的稀释影响；地层力学参数测定：采用“压水试验+岩土取样”，获取采空区上覆岩层（如黏土层、砂岩层）的抗压强度（黏土层≥1.5MPa，砂岩层≥15MPa）、黏聚力（c值）及内摩擦角（φ值），为注浆压力设计提供依据。勘察成果应用绘制采空区“三维空洞分布图”，标注空洞体积（按“长方体近似法”计算，体积=长度×宽度×平均高度）、松散破碎带厚度及含水层位置；确定注浆治理优先级：优先治理“埋深浅（＜100m）、空洞体积大（＞1000m³）、位于建（构）筑物下方”的采空区，避免引发地表沉降风险。（二）注浆方案设计钻孔布设原则布孔方式：采用“梅花形”或“行列式”布设，钻孔间距根据浆液扩散半径确定（一般为扩散半径的1.5-2倍，扩散半径需通过现场注浆试验确定，通常砂岩层中为5-8m，黏土层中为3-5m）；钻孔深度：需穿透采空区松散破碎带，进入稳定基岩层≥1m（如采空区埋深80m，钻孔深度设计为85-90m），确保浆液能填充空洞并加固下伏稳定地层；钻孔直径：注浆孔直径≥90mm（便于下入注浆管），观测孔直径≥50mm（用于监测注浆压力与浆液扩散情况，每10个注浆孔布设1个观测孔）。注浆参数设计注浆压力：按“地层静水压力+1.2-1.5倍安全系数”确定，一般松散破碎带注浆压力0.5-1.0MPa，稳定基岩层注浆压力1.0-2.0MPa（避免压力过高导致地层劈裂，需通过现场试验调整）；注浆量：按“空洞体积×充填系数（1.2-1.5）+松散破碎带孔隙体积×充填系数（0.8-1.0）”计算，如1000m³空洞+500m³孔隙，注浆量需≥1000×1.3+500×0.9=1750m³；注浆顺序：采用“由外至内、分层注浆”，先注浆加固采空区周边松散地层（形成“止水帷幕”），再填充内部空洞；垂直方向按“从下至上”分层，每层注浆高度≤5m，避免浆液串层。二、注浆材料选择：适配采空区地质条件（一）常用注浆材料类型及适用场景材料类型主要成分性能特点适用场景水泥基浆液普通硅酸盐水泥（P.O42.5）+水+外加剂抗压强度高（28d强度≥15MPa）、稳定性好采空区稳定基岩层加固、含水层封堵水泥-粉煤灰浆液水泥+粉煤灰（掺量30%-50%）+水成本低、流动性好（黏度≤50s）、收缩率小大面积松散破碎带填充、非含水层空洞治理化学浆液水玻璃+丙烯酰胺+引发剂凝固时间快（可调节30s-2h）、渗透性强小裂隙（宽度＜1mm）封堵、紧急抢险场景复合浆液水泥+水玻璃+膨润土（掺量5%-8%）兼顾强度与密封性（渗透系数≤1×10⁻⁶cm/s）富水采空区（含水层渗透系数＞1×10⁻³cm/s）（二）材料配比优化水灰比调整：根据地层孔隙大小调整，孔隙大（＞5mm）时水灰比1:1-1:1.5（浆液流动性好，易填充）；孔隙小（＜2mm）时水灰比1:0.8-1:1（浆液强度高，避免流失）；外加剂添加：在水泥基浆液中加入“减水剂（掺量0.5%-1%，提升流动性）”“膨胀剂（掺量3%-5%，补偿浆液收缩）”“缓凝剂（掺量0.2%-0.3%，延长凝固时间，便于长距离输送）”；现场试验验证：每批次材料使用前需进行“流动性（黏度计测量，黏度≤60s）、抗压强度（制作100mm×100mm×100mm试块，28d强度≥设计值90%）、凝固时间（标准养护条件下测定，需符合设计要求）”测试，不合格材料禁止使用。三、注浆施工工艺：全流程质量管控（一）钻孔施工与设备安装钻孔施工采用“回转式钻机”钻孔，钻进过程中需“分段取芯”（每5m取1次芯样），核对采空区位置与勘察结果是否一致，若发现空洞范围与设计偏差超20%，需调整钻孔位置；钻孔完成后用“清水洗孔”（洗孔时间≥30min），清除孔内岩屑与杂物，避免堵塞注浆通道；洗孔后用“孔内电视”检查孔壁完整性，若存在塌孔需下入Φ89mm钢套管（长度≥塌孔段+1m）支护。注浆管安装采用“双层注浆管”（内层Φ50mm注浆管，外层Φ89mm保护管），注浆管底部设置“花管段”（长度≥2m，管壁钻Φ8-10mm注浆孔，间距15-20cm，梅花形布置），花管段包裹滤网（80-100目，防止岩屑进入管内）；注浆管下入孔底后，在保护管与孔壁之间填充“水泥-膨润土浆液（水灰比1:2）”封孔，封孔高度≥5m，待浆液凝固（24h）后进行注浆作业，避免浆液从孔口溢出。（二）注浆施工控制注浆设备选择注浆泵：采用“柱塞式注浆泵”（额定压力≥3MPa，排量0-5m³/h，可调节），确保压力稳定；浆液搅拌设备：使用“双卧轴强制式搅拌机”（搅拌容量≥1m³，搅拌时间≥3min），保证浆液均匀，避免结块；监测设备：在注浆管上安装“压力传感器（精度±0.01MPa）”与“流量计（精度±0.1m³/h）”，实时记录注浆压力与流量数据。注浆过程控制初始注浆阶段：采用“低压慢注”（压力0.3-0.5MPa，流量1-2m³/h），待浆液稳定扩散后逐步提升压力（每30min提升0.1MPa），避免初始压力过高导致孔壁坍塌；正常注浆阶段：当注浆压力达到设计值80%时，保持压力稳定，控制流量2-3m³/h，若出现“压力骤升（超设计值10%）”，需立即降低压力并检查是否堵管；若“压力无上升且流量持续增大”，需排查是否存在浆液流失（如窜入其他空洞），必要时调整浆液配比（增加水泥掺量提升黏度）；终止注浆条件：满足以下任一条件即可终止：①注浆压力达到设计值且稳定30min；②注浆量达到设计值的90%以上；③观测孔出现浆液（表明浆液已扩散至设计范围）。特殊情况处理浆液漏失：若注浆量远超设计值但压力无上升，可采用“间歇注浆法”（注30min停20min，利用浆液凝固封堵漏失通道），或掺入“砂料（粒径0.5-2mm，掺量10%-20%）”增强浆液阻塞能力；孔口返浆：若孔口出现浆液溢出，立即停止注浆，在孔口加装“返浆收集装置”，待浆液凝固（12h）后重新注浆，必要时提高封孔高度；设备故障：注浆泵故障时，需立即关闭注浆管阀门，防止浆液回流堵塞管道，更换备用泵（备用泵需提前调试，确保10min内可启动）。四、质量监测与验收：确保治理效果（一）施工过程监测注浆参数监测实时记录“注浆压力、流量、注浆量、浆液配比”，每小时生成1份监测报表，发现参数异常（如压力波动超±0.2MPa）需立即分析原因并整改；采用“远程监控系统”（通过4G/5G传输数据），实现注浆参数实时上传，便于管理人员远程监督（尤其适用于井下采空区注浆，减少人员现场作业风险）。地层变形监测地表沉降监测：在采空区上方布设沉降观测点（间距10-20m，共布设不少于5个点），用精密水准仪（精度±0.1mm）测量，注浆前测1次基线值，注浆期间每3天测1次，注浆完成后1个月内每周1次，1-3个月每2周1次，直至沉降稳定（连续2周沉降量≤0.5mm）；孔内位移监测：在观测孔内安装“多点位移计”（每5m1个测点），监测采空区上覆岩层位移，位移速率＞2mm/d时需加密注浆。（二）治理效果验收直观检查注浆完成1个月后，对部分注浆孔进行“扫孔检查”（每20个孔抽1个），钻孔取芯观察浆液充填情况，要求芯样中浆液充填率≥85%，无明显空洞；检查地表是否存在新的裂缝（裂缝宽度＞5mm需重新评估治理效果），建（构）筑物沉降是否控制在设计允许值内（如民房沉降≤50mm，工业厂房沉降≤30mm）。性能检测压水试验：在验收孔内进行压水试验（试验段长度5m），测定注浆后地层渗透系数，要求渗透系数≤1×10⁻⁶cm/s（富水采空区）或≤1×10⁻⁵cm/s（非富水采空区）；载荷试验：对采空区上方地表进行“平板载荷试验”（承压板面积1m×1m），测定地层承载力，要求承载力提升≥30%（相较于治理前），满足后续工程使用要求。验收标准注浆量达标率≥90%，注浆压力达标率≥95%；地表沉降稳定（连续2周沉降量≤0.5mm），无新增地质灾害（如塌陷、突水）；压水试验与载荷试验结果满足设计要求，验收资料（勘察报告、注浆记录、监测数据）完整规范。五、不同类型采空区专项治理要点（一）浅埋采空区（埋深＜100m）核心风险：地表沉降对建（构）筑物影响大，需重点控制注浆后地层压缩量；专项措施：采用“水泥-粉煤灰浆液（粉煤灰掺量40%）”降低成本，注浆压力控制在0.5-0.8MPa（避免压力过高导致地表隆起）；增加地表沉降监测频率（注浆期间每天1次），发现沉降超预警值（如单日沉降＞3mm）立即暂停注浆。（二）富水采空区（含水层渗透系数＞1×10⁻³cm/s）核心风险：浆液易被地下水稀释，填充效果差；专项措施：优先采用“水泥-水玻璃双液浆（水玻璃模数2.4-3.0，掺量30%-40%）”，凝固时间控制在5-10min，快速封堵水流