CN111577381A - 采空区充填结构及采空区治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采空区充填结构及采空区治理方法，采空区充填结构包括巷道充填体和止浆坝体，止浆坝体沿采空区的深度方向延伸，止浆坝体设置于巷道充填体的周侧以形成幕墙，止浆坝体由混凝土灌注而成。该采空区充填结构，沿采空区的深度方向设置止浆坝体，且止浆坝体设置于巷道充填体的周侧形成幕墙，起到完全封闭的作用，能够防止形成巷道充填体的过程中填充材料的大量流失；止浆坝体采用混凝土灌注而成，能够更加有效地形成止浆帷幕，解决了采空区治理难度大的难题。

Description

采空区充填结构及采空区治理方法

技术领域

本发明涉及地质灾害治理技术领域，特别涉及一种采空区充填结构及采空区治理方法。

背景技术

在采空区的治理中经常遇到采空区空洞较大或巷道充满水的情况，这些采空区治理范围较大，深度较深，巷道宽度较宽，采用传统的注浆治理方法具有一定的缺陷，比如因采空区治理边界外空间大、互相连通性好和注浆材料流动不可控等特点，极易导致浆液大量外流，造成成本居高不下和大量浪费；采用常规注浆材料，若要对上述采空区进行填充，浆液较难迅速堆积，浆液流失量大且结石率低，治理成本会大大增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采空区充填结构及采空区治理方法，以解决现有技术中空洞较大或巷道充满水的采空区填充时浆液流失量大、结石率低的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种采空区充填结构，包括巷道充填体和止浆坝体，所述止浆坝体沿采空区的深度方向延伸，所述止浆坝体设置于所述巷道充填体的周侧以形成幕墙，所述止浆坝体由混凝土灌注而成。

进一步地，所述止浆坝体的休止角取值范围为30°～35°。

进一步地，所述巷道充填体由砂石和浆液先后灌注而成，所述浆液充填于所述砂石之间。

进一步地，所述浆液包括以下质量比的各组分，水泥∶粉煤灰∶水的取值范围为0.8～1∶1∶1。

根据本发明的另一方面，还提供了一种采空区治理方法，包括以下步骤：

S1、沿采空区的深度方向向所述采空区的整治范围边界灌注混凝土，在所述采空区的巷道的周侧形成止浆坝体；

S2、向所述采空区的巷道内灌注填充材料形成巷道充填体。

进一步地，所述步骤S1具体包括：在所述采空区的整治范围边界形成多个成排间隔设置的第一注浆孔；向所述第一注浆孔灌注混凝土以在所述采空区的巷道的周侧形成所述止浆坝体；其中，所述止浆坝体的最大高度为H，同排相邻所述第一注浆孔的中心间距为L1，L1小于3.2H；和/或，多个所述第一注浆孔呈多排排列，相邻排所述第一注浆孔的排间距为L2，L2小于3.2H。

进一步地，所述第一注浆孔设置为多排，相邻排的所述第一注浆孔交错间隔布设。

进一步地，所述步骤S2具体包括：在所述采空区的整治范围内形成多个第二注浆孔，多个所述第二注浆孔间隔设置；向所述第二注浆孔先灌注砂石、再灌注浆液，以在所述采空区的巷道内形成所述巷道充填体。

进一步地，所述向所述第二注浆孔先灌注砂石再灌注浆液以在所述采空区的巷道内形成所述巷道充填体的步骤中，所述灌注砂石的步骤完成后其休止角的范围为38°～44°；和/或，相邻所述第二注浆孔的中心间距为L3，所述砂石的堆积高度为h，则L3小于1.95h。

进一步地，所述向所述第二注浆孔先灌注砂石再灌注浆液以在所述采空区的巷道内形成所述巷道充填体的步骤中，采用水冲法灌注砂石；和/或，向靠近所述止浆坝体的所述第二注浆孔灌注浆液时，在所述浆液中加入速凝剂，并采用间歇注浆的方法注浆。

进一步地，所述步骤S2还包括：在向所述第二注浆孔灌注砂石的步骤之前，在所述采空区的整治范围内形成多个监测孔，在所述监测孔中放置沉降管以监测所述浆液对所述砂石的压缩变形、所述浆液的下渗及析水收缩情况。

本发明提供的采空区充填结构，沿采空区的深度方向设置止浆坝体，且止浆坝体设置于巷道充填体的周侧形成幕墙，起到完全封闭的作用，能够防止形成巷道充填体的过程中填充材料的大量流失；止浆坝体采用混凝土灌注而成，能够更加有效地形成止浆帷幕，解决了采空区治理难度大的难题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的采空区充填结构的横向截面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的采空区充填结构的纵向截面结构示意图；

图3为图1中所示止浆坝体的平面示意图；

图4为图3中所示A-A剖面图；

图5为图3中所示B-B剖面图；

图6为本发明实施例提供的灌注砂石和浆液的工艺流程图。

附图标记说明：

10、止浆坝体；11、第一注浆孔；20、巷道充填体；21、第二注浆孔；30、监测孔；40、巷道。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。在本发明中的“第一”、“第二”等描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或顺序。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

参照图1、图2，本申请实施例提供了一种采空区充填结构，包括巷道充填体20和止浆坝体10，止浆坝体10沿采空区的深度方向延伸，止浆坝体10设置于巷道充填体20的周侧以形成幕墙，止浆坝体10由混凝土灌注而成。

在采空区的空洞较大或者巷道40充满水的情况下，填充材料的浆液容易大量外流，难以迅速堆积，结石率较低，难以治理。本申请实施例中，在采空区的巷道40的周侧设置止浆坝体10，且止浆坝体10沿采空区的深度方向布设，参照图1、图2，对巷道40进行完全的封闭，防止巷道充填体20在形成的过程中填充材料的大量流失。图1仅示出了巷道40相对两侧的止浆坝体10，另外两侧的止浆坝体10在图中未示出。止浆坝体10采用混凝土灌注而成，能够更加有效地形成止浆帷幕，解决了采空区治理难度大的难题。具体地，止浆坝体10的休止角取值范围为30°～35°。

在一些实施例中，巷道充填体20由砂石和浆液先后灌注而成，浆液充填于砂石之间。在采空区巷道40内充满水的环境下，填充材料容易被水稀释和离析，会导致填充材料更容易流失且结石率更低。本申请实施例中，在灌注浆液之前，先在采空区的巷道40内灌注砂石，一方面能够进一步地防止后续浆液灌注时的大量流失，起到止浆的作用；另一方面砂石能够将采空区中的水部分挤出，避免在后续灌注浆液时其被大量的水稀释和离析；最后，砂石能够与浆液形成双层结构，降低了填充材料的流动性，避免了巷道充填体20的流失，保证了充填的饱满质量和采空区的整治效果。

进一步地，浆液包括以下质量比的各组分，水泥∶粉煤灰∶水的取值范围为0.8～1∶1∶1。本申请实施例中，浆液采用水泥粉煤灰注浆浆液，利用水泥与粉煤灰之间发生的一系列物理化学反应，形成具有一定强度、水稳定性及整体性的巷道充填体20，使采空区充填结构更加稳固。另外，在水泥中掺入大量的粉煤灰，能够在满足注浆充填工艺要求和充填质量要求的前提下，节约了水泥用量，降低了工程成本。其中，本申请实施例的浆液在可灌性、结石率、抗压强度等方面均能达到相应的要求。

本申请的第二方面，提供了一种采空区治理方法，包括以下步骤：S1、沿采空区的深度方向向采空区的整治范围边界灌注混凝土，在采空区的巷道40的周侧形成止浆坝体10；S2、向采空区的巷道40内灌注填充材料形成巷道充填体20。

本申请实施例中，在采空区的巷道40的周侧形成止浆坝体10，且止浆坝体10沿采空区的深度方向布设，对巷道40进行完全的封闭，防止巷道充填体20在形成的过程中填充材料的大量流失。止浆坝体10采用混凝土灌注而成，能够更加有效地形成止浆帷幕，解决了采空区治理难度大的难题。

在一些实施例中，步骤S1具体包括：在采空区的整治范围边界形成多个成排间隔设置的第一注浆孔11；向第一注浆孔11灌注混凝土以在采空区的巷道40的周侧形成止浆坝体10。参照图3至图5，其中，止浆坝体10的最大高度为H，同排相邻第一注浆孔11的中心间距为L1，L1小于3.2H。多个第一注浆孔11呈多排排列，相邻排第一注浆孔11的排间距为L2，L2小于3.2H。

本申请实施例中，通过第一注浆孔11向采空区内灌注混凝土形成止浆坝体10，第一注浆孔11设置于采空区的整治范围边界，因而使止浆坝体10形成于采空区的巷道40的周侧，作为幕墙对巷道40进行完全的封闭，防止巷道充填体20在形成的过程中填充材料的大量流失。

可以理解地，第一注浆孔11的数量为多个，也就是说，止浆坝体10由很多的锥形坝体组成，相邻锥形坝体之间重合连接在一起时，其形成的止浆坝体10的隔断封闭效果最好。其中，参照图3至图5，假设止浆坝体10的最大高度为H，多个第一注浆孔11可以排成一排，同一排相邻的第一注浆孔11的中心间距L1小于3.2H时，能够使相邻的锥形坝体重合连接；多个第一注浆孔11也可以呈多排排列，除了满足L1小于3.2H的条件外，相邻排的排间距L2也小于3.2H，使同一排或者不同排中相邻的锥形坝体重合连接，增强所形成的止浆坝体10的隔断封闭效果。

具体地，对于较大采空区来说，同排相邻第一注浆孔11的孔间距(即L1)一般设置为5m～8m，相邻排的排间距(即L2)一般设置为3m。且进一步地，相邻排的第一注浆孔11交错间隔布设，参照图3。交错间隔布设的相邻排第一注浆孔11能够使两排所形成的止浆坝体10交错设置，从而增强止浆坝体10的隔断封闭效果。对于较小采空区来说，尽量设计单排的第一注浆孔11，且减小相邻第一注浆孔11的孔间距L1，以节省成本。

待采空区的整治范围边界形成有效的混凝土止浆坝体10后，对位于采空区中部的巷道40进行充填处理。在一些实施例中，步骤S2具体包括：在采空区的整治范围内形成多个第二注浆孔21，多个第二注浆孔21间隔设置，参照图1；向第二注浆孔21先灌注砂石、再灌注浆液，以在采空区的巷道40内形成巷道充填体20。

在采空区巷道40内充满水的环境下，填充材料容易被水稀释和离析，会导致填充材料更容易流失且结石率更低。本申请实施例中，在灌注浆液之前，先在采空区的巷道40内灌注砂石，一方面能够进一步地防止后续浆液灌注时的大量流失，起到止浆的作用；另一方面砂石能够将采空区中的水部分挤出，避免在后续灌注浆液时其被大量的水稀释和离析；最后，砂石能够与浆液形成双层结构，降低了填充材料的流动性，避免了巷道充填体20的流失，保证了充填的饱满质量和采空区的整治效果。

具体地，在第二注浆孔21中灌注砂石的装置包括钢管架、盛料斗、方形漏斗、备用三脚架及电动葫芦。本申请实施例中所灌注的砂石为中粗砂夹砾石。盛料斗采用钢管架固定，要求其稳定牢固地安装在第二注浆孔21的一侧；方形漏斗规格可采用40cm*40cm，也可根据现场灌注砂石的量进行调整。参照图6，第二注浆孔21灌注砂石的施工工艺流程为：确定需要最先灌注的第二注浆孔21，在其孔口上方安装盛料斗和方形漏斗，方形漏斗的入口正对盛料斗出口；灌注施工时，使用装载机将砂石铲至盛料斗内，打开盛料斗的闸门让砂石漏入方形漏斗内，灌入第二注浆孔21中。为避免大块杂物堵塞第二注浆孔21，在方形漏斗的入口放置钢筋筛网，其网格不大于5cm。灌满后移至下一第二注浆孔21进行灌注，直至灌注结束。

在一些实施例中，向第二注浆孔21先灌注砂石再灌注浆液以在采空区的巷道40内形成巷道充填体20的步骤中，灌注砂石的步骤完成后其休止角的范围为38°～44°。第二注浆孔21的数量为多个，向每个第二注浆孔21灌注砂石时，都会形成砂堆；灌注砂石的步骤完成后，其休止角在上述范围内，能够使砂堆完全相连，灌注效果最佳。在另一些实施例中，相邻第二注浆孔21的中心间距为L3，砂石的堆积高度为h，则L3小于1.95h。在同时考虑减小钻孔成本及减少填充材料灌注成本的前提下，L3小于1.95h为最佳孔间距。

进一步地，向第二注浆孔21先灌注砂石再灌注浆液以在采空区的巷道40内形成巷道充填体20的步骤中，采用水冲法灌注砂石。具体地，在盛料斗的闸门处用细水流冲刷砂石，能够提高砂石的流动速度，减少砂石与第二注浆孔21的孔壁之间的摩擦，同时使灌注至巷道40内的砂石更加密实。通过在现场设置盛料斗和方形漏斗直接为第二注浆孔21提供填充材料，并采用水冲法加快砂石的灌注速度，可以有效提高灌注砂石的功效，保证施工效率。如果采空区位于既有公路或者铁路附近，灌注砂石时应先施工靠近既有公路或铁路一侧的第二注浆孔21，再沿着朝向止浆坝体10的方向，按顺序依次灌注其它第二注浆孔21。为提高灌注效率，现场采取相邻第二注浆孔21同时施工的措施。灌注砂石的过程中应该掌握灌注节奏，为后期的砂石灌注预留通道，并提前预估单孔灌注量，避免将第二注浆孔21堵塞。

在一些实施例中，步骤S2还包括：在向第二注浆孔21灌注砂石的步骤之前，在采空区的整治范围内形成多个监测孔30，在监测孔30中放置沉降管以监测浆液对砂石的压缩变形、浆液的下渗及析水收缩情况。可以理解地，监测孔30与第二注浆孔21不重合，且间隔设置。将浆液灌注到第二注浆孔21之后，浆液下部的砂石层会产生明显的压缩变形的情况；另外，灌注浆液的过程中及浆液灌注完成后，浆液存在下渗和析水收缩的情况。在采空区的整治范围内，即在采空区的巷道40对应处，设置监测孔30并在监测孔30内放置沉降管，能够对上述各种情况进行监控。在上述情况比较严重的时候，灌注砂石和浆液的步骤完成以后，每个第二注浆孔21均需要补注浆液一次，确保充填质量和接顶率。

本申请实施例中，向第二注浆孔21内灌注砂石完成并核实止浆坝体10与灌注砂石的情况之后，开始向第二注浆孔21内灌注浆液。浆液中包括以下各组分，水泥、粉煤灰和水，即采用水泥粉煤灰浆液。本申请实施例中，浆液中水泥、粉煤灰和水的质量比为0.8～1∶1∶1。具体地，在第二注浆孔21中灌注浆液的装置包括搅拌桶、储浆池、注浆机、压力泵、备用三脚架及电动葫芦，根据现场实际情况，可分别或综合采用自流注浆、压力灌浆、间歇注浆等方法灌注浆液。在一些实施例中，向靠近止浆坝体10的第二注浆孔21灌注浆液时，在浆液中加入速凝剂，并采用间歇注浆的方法注浆。为更好地封堵止浆坝，靠近止浆坝体10附近第二注浆孔21采用间歇注浆效果更好；在向靠近止浆坝体10的一排第二注浆孔21内注浆时，浆液中添加适量的速凝剂，能够封堵止浆坝体10的顶部空隙。

另外，如果采空区位于既有公路或铁路附近，向第二注浆孔21灌注浆液时，先施工靠近既有公路或铁路一侧的第二注浆孔21，再沿着朝向止浆坝体10的方向，按顺序依次灌注其它第二注浆孔21。由于存在浆液析水收缩、向砂石层渗透等因素，完成灌注浆液之后，会在顶部产生空隙，而影响采空区的充填质量。待灌注浆液的步骤完成后，应对所有第二注浆孔21钻机扫孔，清除孔内残留的水泥浆，清孔深度应进入砂石1m～2m，然后再次压力灌注浆液。补浆可采用水灰比1∶1的纯水泥浆，注浆压力0.5MPa～2MPa。每个第二注浆孔21均应满足的终止注浆的要求如下：(1)正常注浆压力为0.6MPa～0.9MPa，若压力表的压力示数超过该压力值并不断上升，则达到1.5Mpa时可终止注浆；(2)20分钟内注浆流量均小于10L/min；(3)注浆时浆液从相邻孔的地表冒出时可终止注浆。上述三个条件满足其中之一即可终止注浆。

本申请实施例提出了在采空区的巷道40的周侧设置止浆坝体10形成幕墙，然后巷道40内部填充砂石和浆液形成巷道充填体20的采空区整治结构及配套的治理方法。采空区治理方法的具体实施过程如下：

(1)施工准备并灌注混凝土形成止浆坝体10：包括混凝土、填充材料及设备的准备工作；然后进行混凝土止浆坝体10浇注，并核实止浆坝体10的灌注完成情况。

(2)混凝土止浆坝体10的缝隙封堵处理：为了在采空区内形成完整的封闭空间，灌注砂石和浆液之前，应采用水泥粉煤灰浆液添加速凝剂对止浆坝体10的缝隙进行封堵处理。

(3)布设监测孔30：灌注砂石之前，在第二注浆孔21中间布置监测孔30，将安装好的沉降管放入监测孔30中，并在孔口做好保护措施。

(4)灌注砂石充填：工艺流程参照图6，确定最先需要灌注的孔→安装孔口盛料斗→安装孔口方形漏斗→装载机装料→打开阀门灌注→灌满后移至下一孔灌注→灌砂结束。

(5)灌注浆液充填：工艺流程参照图6，核实止浆坝体10及灌注砂石的完成情况→安装及固定第二注浆孔21的孔内套管→准备水泥粉煤灰浆液→安装注浆设备→灌注浆液→清孔、补浆→封孔。

(6)监测结果分析：根据监测孔30的监测数据，分析灌注充填效果。若灌注浆液的过程中下部砂石层明显存在压缩变形的情况，或者灌注浆液完成后存在浆液下渗和析水收缩严重的情况时，灌注浆液完成后应对所有第二注浆孔21补注一次，确保充填质量和接顶率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不同限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种采空区充填结构，其特征在于：包括巷道充填体和止浆坝体，所述止浆坝体沿采空区的深度方向延伸，所述止浆坝体设置于所述巷道充填体的周侧以形成幕墙，所述止浆坝体由混凝土灌注而成。

2.根据权利要求1所述的采空区充填结构，其特征在于，所述止浆坝体的休止角取值范围为30°～35°。

3.根据权利要求1所述的采空区充填结构，其特征在于，所述巷道充填体由砂石和浆液先后灌注而成，所述浆液充填于所述砂石之间。

4.根据权利要求3所述的采空区充填结构，其特征在于，所述浆液包括以下质量比的各组分，水泥∶粉煤灰∶水的取值范围为0.8～1∶1∶1。

5.一种采空区治理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、沿采空区的深度方向向所述采空区的整治范围边界灌注混凝土，在所述采空区的巷道的周侧形成止浆坝体；

S2、向所述采空区的巷道内灌注填充材料形成巷道充填体。

6.根据权利要求5所述的采空区治理方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

在所述采空区的整治范围边界形成多个成排间隔设置的第一注浆孔；

向所述第一注浆孔灌注混凝土以在所述采空区的巷道的周侧形成所述止浆坝体；

其中，所述止浆坝体的最大高度为H，同排相邻所述第一注浆孔的中心间距为L1，L1小于3.2H；和/或，多个所述第一注浆孔呈多排排列，相邻排所述第一注浆孔的排间距为L2，L2小于3.2H。

7.根据权利要求6所述的采空区治理方法，其特征在于，所述第一注浆孔设置为多排，相邻排的所述第一注浆孔交错间隔布设。

8.根据权利要求5所述的采空区治理方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

在所述采空区的整治范围内形成多个第二注浆孔，多个所述第二注浆孔间隔设置；

向所述第二注浆孔先灌注砂石、再灌注浆液，以在所述采空区的巷道内形成所述巷道充填体。

9.根据权利要求8所述的采空区治理方法，其特征在于，所述向所述第二注浆孔先灌注砂石再灌注浆液以在所述采空区的巷道内形成所述巷道充填体的步骤中，所述灌注砂石的步骤完成后其休止角的范围为38°～44°；和/或，

相邻所述第二注浆孔的中心间距为L3，所述砂石的堆积高度为h，则L3小于1.95h。

10.根据权利要求8所述的采空区治理方法，其特征在于，所述向所述第二注浆孔先灌注砂石再灌注浆液以在所述采空区的巷道内形成所述巷道充填体的步骤中，采用水冲法灌注砂石；和/或，向靠近所述止浆坝体的所述第二注浆孔灌注浆液时，在所述浆液中加入速凝剂，并采用间歇注浆的方法注浆。

11.根据权利要求8所述的采空区治理方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

在向所述第二注浆孔灌注砂石的步骤之前，在所述采空区的整治范围内形成多个监测孔，在所述监测孔中放置沉降管以监测所述浆液对所述砂石的压缩变形、所述浆液的下渗及析水收缩情况。

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