石艷軍，張棟，張玉平

（葛洲壩集團(tuán)基礎(chǔ)工程有限公司，宜昌 443002）

1 前言

1.1 采空區(qū)處理的意義和施工現(xiàn)狀

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，工程選址和地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，而大量的礦產(chǎn)開采，使得地下采空區(qū)面積越來越大。許多工程，甚至是國家大型工程，進(jìn)行工程選址時(shí)不得不穿過采空區(qū)。

大部分采空區(qū)關(guān)停時(shí)間較長、埋深較大，且不具備井下處理?xiàng)l件，只能在地面采用鉆孔注漿方式進(jìn)行處理。其工藝原理為：采用液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，或潛孔鉆機(jī)等鉆孔設(shè)備鉆穿采空區(qū)后，通過壓力注漿法向巖層的空隙和采空區(qū)斷裂帶、冒落帶和采空部分，注入具有較好充填性能和膠結(jié)性能的漿液材料，漿液硬化后形成具有一定強(qiáng)度的支撐體，對采空區(qū)上覆巖體形成支撐作用，以阻止上覆巖體的進(jìn)一步冒落，防止地面沉降或塌陷，保證穿過采空區(qū)建筑物（構(gòu)筑物）的運(yùn)行安全。

國內(nèi)外在采空區(qū)上修建工程的經(jīng)驗(yàn)很少，采用地面鉆孔注漿的方式進(jìn)行采空區(qū)處理，更是無相關(guān)的規(guī)程、規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可循。因此，對采空區(qū)處理工程的原材料、施工方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，顯得迫在眉睫。

1.2 采空區(qū)工程灌漿材料研究方向

采空區(qū)灌漿不同于水利工程上的防滲灌漿和固結(jié)灌漿，而是以充填采空部分和冒落帶、斷裂帶大的空腔、孔洞為主，以形成具有一定強(qiáng)度的支撐體，沒有工程防滲和基巖固結(jié)的要求。采空區(qū)處理對灌漿材料的強(qiáng)度和細(xì)度方面要求較低，若使用單液水泥漿灌注，形成的結(jié)石體強(qiáng)度高，灌漿效果雖好，但工程造價(jià)較高；若僅使用粘土或粉煤灰進(jìn)行灌注，其可灌性較差，強(qiáng)度不夠，施工質(zhì)量難以保證。

在我國所有發(fā)電電源中，火力發(fā)電依然是我國電力的主力，其發(fā)電量在全部發(fā)電量中所占比重保持在80%以上，粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，其工程造價(jià)低，且粉煤灰中活性Si O2、活性Al2O3和f－Ca O（游離氧化鈣）是活性的有利成分，因此，采用高摻粉煤灰的水泥粉煤灰漿液進(jìn)行采空區(qū)灌漿既經(jīng)濟(jì)、又有效。

根據(jù)目前國內(nèi)外的施工情況，高摻量粉煤灰的灌漿材料應(yīng)用不廣，且沒有相關(guān)的規(guī)程、規(guī)范可循，因此，通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，確定粉煤灰的摻量、漿液的水灰比、變漿標(biāo)準(zhǔn)等，對采空區(qū)處理工程，具有重要的意義。

2 工程概況

2.1 概述

南水北調(diào)中線工程總干渠工程選址經(jīng)過河南禹州段時(shí)無法避開采空區(qū)，采空區(qū)總長3.11 k m，包括原新峰礦務(wù)局二礦、禹州市梁北鎮(zhèn)郭村煤礦、梁北鎮(zhèn)工貿(mào)公司煤礦、梁北鎮(zhèn)福利煤礦等4個(gè)采空區(qū)。上述采空區(qū)地面沉陷盆地已經(jīng)或正在形成，無法在井下處理，只能采用地面充填方式進(jìn)行處理。

南水北調(diào)中線工程總干渠禹州長葛段某標(biāo)段采空區(qū)鉆孔總量30×104m，灌漿總量近20×104t，灌漿材料采用粉煤灰摻量高達(dá)85%的水泥粉煤灰漿液，為驗(yàn)證漿液的可灌性、經(jīng)濟(jì)性和施工質(zhì)量，在現(xiàn)場進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，最終將高摻粉煤灰的水泥粉煤灰漿液應(yīng)用于采空區(qū)處理工程中，取得了較好的施工效果。

2.2 工程地質(zhì)情況

南水北調(diào)禹州段渠道地處三峰山周邊丘前坡洪積群與平原的過渡地帶，地形較平緩，地面高程120～133 m。渠道為填方段和半挖半填段，渠底板以下為30～40 m厚的粘性土，下伏巖層為二迭系煤系地層上石盒子組（P12）軟質(zhì)泥巖夾砂巖，軟硬巖互層組合比例約3∶1～5∶1，其中軟質(zhì)泥巖以中厚－厚層狀為主，砂巖多為薄層－中厚層。地層走向105°左右，傾向195°，地層傾角10°～19°，一般14°左右。

本區(qū)煤系地層為一套單斜地層（景家洼向斜的東北翼組成部分），構(gòu)造斷裂主要為前第四紀(jì)斷裂，第四紀(jì)斷裂構(gòu)造不發(fā)育。其中規(guī)模較大、對煤層分布起控制作用的主要有虎頭山斷層，虎頭山斷層位于礦區(qū)相鄰邊界（采空區(qū)分布在斷層兩側(cè)），為橫貫梁北井田中部的一條主要斷層，在平面或剖面上呈波狀，為近東西向走向的正斷層，傾向北，傾角70°，北側(cè)下降。地表僅在新峰煤礦廠部北虎頭山上見P22“平頂山砂巖”與六4煤組下部地層接觸，其余均為黃土覆蓋。地表斷距117～427 m，變換較大。

3 灌漿材料配比試驗(yàn)研究與應(yīng)用

3.1 灌漿材料配比及變漿標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

充填灌漿初始選擇了配比A、配比B、配比C進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，以選擇適宜的灌漿配合比。灌漿配合比見表1。

表1 水泥粉煤灰充填灌漿材料配合比Table 1 Grout mix of cement and flyash

充填灌漿，啟灌采用配合比A，當(dāng)泵量明顯下降（為初始階段的1／3），改用配比B；當(dāng)泵量再次明顯下降（為配比B初始注漿泵量1／3），改用配比C，直至灌漿結(jié)束。

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)情況分析

摻用外加劑對比分析，在進(jìn)行1＃試驗(yàn)區(qū)充填灌漿時(shí)有針對性的添加了外加劑，2＃試驗(yàn)區(qū)充填灌漿沒有添加外加劑，以驗(yàn)證外加劑對漿液流動(dòng)性的影響。

試驗(yàn)過程中我部進(jìn)行了大量的資料分析，建立了灌漿流量與灌漿時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系，繪制了典型灌漿孔單孔灌漿過程曲線，典型單孔灌漿曲線取值的原則為：灌漿過程中每0.5～2 h取一個(gè)有代表性的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的流量和壓力，灌漿結(jié)束前一段時(shí)間加大取值的數(shù)量。

1＃試驗(yàn)區(qū)共布置有30個(gè)灌漿孔，分兩序進(jìn)行，典型灌漿孔單孔灌漿曲線見圖1和圖2。2＃試驗(yàn)區(qū)共布置有31個(gè)灌漿孔，分兩序進(jìn)行施工，典型灌漿孔單孔灌漿曲線見圖3和圖4。

灌漿過程曲線顯示：以100～130 l／min的流量進(jìn)行灌漿，灌漿過程中基本呈流量100～130 l／min、壓力為0～0.2 MPa，而最后5～30 min內(nèi)流量驟降至0～10 l／min，壓力升至1.0～1.5 MPa，無論添加外加劑與否，沒有出現(xiàn)預(yù)先考慮的流量慢慢下降的過渡階段。對于灌漿過程曲線上的個(gè)別流量較小的取點(diǎn)，屬于灌漿流量跳變的正常現(xiàn)象。

從對比情況來看，無論添加外加劑與否，漿液的流動(dòng)性均比較好，能滿足充填灌漿質(zhì)量要求。同時(shí)，從灌漿過程曲線可以看出，隨著灌漿的進(jìn)行，灌漿流量驟降，壓力驟增，從而灌漿結(jié)束。實(shí)際的施工情況是外加劑還沒來得及添加灌漿已于5～30 min內(nèi)達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

因此，水固比1∶1（重量比）水泥粉煤灰漿液的流動(dòng)性較好，漿液擴(kuò)散度能夠滿足充填灌漿的需要，同時(shí)，添加外加劑對于施工中漿液的擴(kuò)散度沒有明顯改善，因此充填灌漿漿液添加外加劑的必要性不大。

4 進(jìn)行止?jié){位置試驗(yàn)，分析漿液的經(jīng)濟(jì)性

4.1 止?jié){位置試驗(yàn)的必要性

圖1 1＃試驗(yàn)區(qū)典型灌漿孔單孔灌漿曲線（CS8 1－6－Ⅱ－2?？祝〧ig.1 Filling curve of the typical CS8 1－6－Ⅱ－2＃ hole in the experimental area

采空區(qū)采空部分埋深較深，采空區(qū)鉆孔深度較大，關(guān)于采空區(qū)單孔耗漿量孔內(nèi)分布情況就值得研究了。因采空區(qū)注漿范圍主要針對斷裂帶、冒落帶、采空部分，而非對整個(gè)基巖段進(jìn)行固結(jié)灌漿，若上覆基巖內(nèi)耗去大量的漿液，將造成漿液的浪費(fèi)，若上覆基巖內(nèi)吸漿量較大，出于經(jīng)濟(jì)的考慮，需將阻塞位置移至斷裂帶、冒落帶和采空部分的頂部，約為孔底以上50 m范圍，而阻塞位置的下移，將會(huì)導(dǎo)致施工難度加大，工效大大降低。因此，有必要進(jìn)行止?jié){位置試驗(yàn)，以選擇合理的阻塞方式。

4.2 止?jié){位置試驗(yàn)情況分析

為了驗(yàn)證灌漿在孔內(nèi)消耗情況，根據(jù)止?jié){位置的不同，我部進(jìn)行了以下試驗(yàn)：

（1）止?jié){位置在深入基巖5 m處，采用全孔一次性灌漿。

（2）止?jié){位置分別在深入基巖5 m處和終孔深度以上50 m處，采用自上而下分段鉆進(jìn)、分段灌漿法進(jìn)行。鉆孔至終孔深度以上50 m處，將阻塞器（法蘭盤）阻塞在深入基巖5 m處，進(jìn)行上覆基巖段灌漿；第一段灌漿結(jié)束后，繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔，繼續(xù)將阻塞器（法蘭盤）阻塞在深入基巖5 m處，進(jìn)行斷裂帶、冒落帶和采空部分灌漿，因上覆基巖段已進(jìn)行灌漿處理，可以認(rèn)為進(jìn)行第二段灌漿時(shí)止?jié){位置在終孔深度以上50 m。

圖3 2＃試驗(yàn)區(qū)典型灌漿孔單孔灌漿曲線（CS8 2－4－Ⅰ－7?？祝〧ig.3 Filling curve of the typical CS8 2－4－Ⅰ－7＃ hole in the experimental area

圖4 2＃試驗(yàn)區(qū)典型灌漿孔單孔灌漿曲線（CS8 2－5－Ⅰ－6＃孔）Fig.4 Filling curve of the typical CS8 2－5－Ⅰ－6＃ hole in the experimental area

（3）止?jié){位置在終孔深度以上50 m處，進(jìn)行斷裂帶、冒落帶和采空部分灌漿。采用埋設(shè)雙套管法，開孔孔徑φ130 mm，鉆至深入完整基巖5 m后，埋設(shè)φ127 mm護(hù)壁套管，然后變徑為φ110 mm鉆至煤層以上50 m，埋入φ108 mm護(hù)壁套管，然后變徑φ91 mm鉆至終孔，灌漿時(shí)阻塞器阻塞在護(hù)壁套管內(nèi)，只對終孔深度以上50 m范圍內(nèi)灌漿。

止?jié){位置示意圖見圖5。

上述3種止?jié){位置試驗(yàn)灌漿情況統(tǒng)計(jì)詳見表2～4。

通過表2～4分析可以看出：

（1）采用自上而下分段鉆進(jìn)、分段灌漿施工時(shí)，上覆基巖段灌漿干耗灰量占全孔灌漿干耗灰量的1.0%～3.4%，終孔深度以上50 m范圍灌漿干耗灰量占全孔灌漿干耗灰量的96.6%～99.0%，說明采空區(qū)灌漿主要針對斷裂帶、冒落帶和煤礦采空部分。

圖5 采空區(qū)復(fù)核補(bǔ)充試驗(yàn)止?jié){位置示意圖Fig.5 Sealing positions and grouting methods

表2 止?jié){位置試驗(yàn)灌漿情況統(tǒng)計(jì)（全孔一次性灌漿法）Table 2 Statistics of sealing positions and grout amounts（whole grouting）

（2）采用全孔一次性灌漿時(shí)，平均單孔干耗灰量為350.03 t／孔；采用自上而下分段鉆進(jìn)、分段灌漿時(shí)，平均單孔干耗灰量為341.08 t／孔，其中上覆基巖段平均單孔耗灰量為5.44 t／孔，斷裂帶、冒落帶和采空部分平均單孔耗灰量為335.63 t／孔。采用全孔一次性灌漿和采用自上而下分段鉆進(jìn)、分段灌漿，平均單孔干耗灰量基本一致，且對比分析可以看出灌漿主要是針對斷裂帶、冒落帶和煤礦采空部分。說明采用上述兩種施工方法均能滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）采用雙套管法施工時(shí)，只針對斷裂帶、冒落帶和煤礦采空部分，平均單孔干耗灰量為429.83 t／孔，對比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了采空區(qū)處理灌漿漿液主要消耗在斷裂帶、冒落帶和采空區(qū)部分。

表3 止?jié){位置試驗(yàn)灌漿情況統(tǒng)計(jì)（自上而下分段鉆進(jìn)、分段灌漿）Table 3 Statistics of sealing positions and grout amounts（segmented grouting）

表4 止?jié){位置試驗(yàn)灌漿情況統(tǒng)計(jì)（雙套管灌漿法）Table 4 Statistics of sealing positions and grout amounts（double－pipe grouting）

綜合以上分析，采用全孔一次性灌漿法、自上而下分段灌漿法和雙套管法均能滿足設(shè)計(jì)要求，但考慮自上而下分段鉆進(jìn)、分段灌漿耗時(shí)較長，對工程進(jìn)度不利，雙套管法占用大量護(hù)壁套管，且灌漿結(jié)束后護(hù)壁套管起拔困難。

因此，采空區(qū)處理工程原則上采用全孔一次性灌漿法，灌漿段長為變徑后至終孔的那段長度。當(dāng)鉆孔遇到掉鉆、塌孔、掉塊、大量失水等特殊情況（一般發(fā)生在斷裂帶、冒落帶和采空部分），鉆孔無法正常進(jìn)行時(shí)，可進(jìn)行一次灌漿處理，以保證鉆孔的順利進(jìn)行。

5 高摻量粉煤灰灌漿材料現(xiàn)場應(yīng)用

（1）現(xiàn)場施工所采用的灌漿配合比及施工方法

經(jīng)過現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)，充填灌漿采用配比A是適宜的，因水固比1∶1的水泥粉煤灰漿液濃度較小，進(jìn)行施工時(shí)充填灌漿Ⅰ序孔采用水固比0.8∶1（重量比，水泥∶粉煤灰＝0.15∶0.85），Ⅱ序孔采用水固比1∶1（重量比，水泥∶粉煤灰＝0.15∶0.85）的漿液可更好的滿足工程質(zhì)量要求。

充填灌漿宜采用“全孔一次成孔，全孔段一次性灌漿、連續(xù)灌漿法”進(jìn)行施工。

（2）所采取的結(jié)石體的強(qiáng)度分析

在檢孔取芯過程中，多孔去除了水泥粉煤灰結(jié)石體，結(jié)石體呈短柱狀，詳見圖6。

經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)，所取結(jié)石體90 d后抗壓強(qiáng)度在2.5～3.5 MPa，可形成支撐體，有效阻止上覆巖層沉降。

6 結(jié)論

（1）通過試驗(yàn)，粉煤灰摻量高達(dá)85%的水泥粉煤灰漿液的流動(dòng)性較好，漿液擴(kuò)散度能夠滿足煤礦采空區(qū)充填灌漿的需要，而無需添加外加劑進(jìn)行改性，且漿液凝固能夠形成具有一定強(qiáng)度的支撐體，從而保證建筑物的安全運(yùn)行。將粉煤灰摻量高達(dá)85%的水泥粉煤灰漿液應(yīng)用于采空區(qū)處理工程中，大大節(jié)約了原材料成本，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

圖6 充填灌漿材料結(jié)石體Fig.6 Concretions of filled grout

（2）根據(jù)煤礦采空區(qū)“三帶型”發(fā)育特點(diǎn)，采空區(qū)治理主要以充填煤礦采空部分和冒落帶、斷裂帶大的空腔、孔洞為主?，F(xiàn)場試驗(yàn)顯示，采用“似法蘭盤法，全孔一次性灌漿”，斷裂帶、冒落帶和煤礦采空部分的干耗灰量占全孔段灌漿干耗灰量的95%以上。試驗(yàn)結(jié)論一方面驗(yàn)證了高摻量粉煤灰漿液的經(jīng)濟(jì)型和適用性，同時(shí)，采用“似法蘭盤法，全孔一次性鉆進(jìn)成孔、全孔一次性灌漿”，保證了采空區(qū)處理工程的快速高效進(jìn)行。

［1]童立元，劉松玉，邱鈺.高速公路下伏采空區(qū)危害性評價(jià)與處治技術(shù)［M].東南大學(xué)出版社出版，中國版本圖書館CIP數(shù)據(jù)核字（2006）第084006號.

［2]唐志新.建筑物下采空區(qū)的注漿處理［A].國際礦山測量協(xié)會(huì)（ISM）工作會(huì)議暨“數(shù)字礦業(yè)城市、數(shù)字礦山”建設(shè)信息技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集［C].2006.

［3]喬旭俊.煤礦采空區(qū)治理工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)探析［J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011，（15）：246－247.

［4]張志沛.高速公路下伏采空塌陷區(qū)的治理方法［J].中國煤田地質(zhì)，1997，9（4）：46－48.

［5]韓素平，李東勇.高摻量粉煤灰防滲漿液性能的試驗(yàn)研究［J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，35（1）：48－49.