煤田采空区注浆治理试验工程中的注浆材料和浆液配合比技术探讨

刘 震，陈淑强，陈 鑫

（新疆建筑科学研究院（有限责任公司）工程勘察测绘院，新疆 乌鲁木齐 830002）

1 工程概况

乌鲁木齐市外环路东北段道路工程K9+350-K10+400段，从六道湾煤田采空区预留安全煤柱上通过。受煤田采空区的影响，目前状态下该路段场地、地基稳定性均不能满足道路工程安全使用的要求，必须进行加固治理。该路段为地面城市快速路，主线设计车速80 km/h，两侧辅道为城市主干路，设计车速为40 km/h。路幅宽度47.0 m。

采空区上部第四系松散层及顶板已基本垮落，但地表仍可见塌陷坑及裂缝，采空区大部分被充填，地表陷落盆地被生活垃圾、建筑垃圾充填，深部由上部未开采煤层，煤层顶底板冒顶垮落的岩块及表层第四纪松散粉土及回填土充填，充填较松散且局部仍有空洞存在。地貌属丘陵区。

2 注浆材料的选择

根据该工程岩土工程条件和工程特性，尤其是预留安全煤柱岩体破碎，注浆目的以固结注浆为主，确定注浆浆液为纯水泥浆，同时添加部分添加剂，改善浆液性能。在此基础上，确定选用以下材料作为室内浆液试验的材料。

2.1 水泥品种

选用52.5R、42.5R普通硅酸盐水泥、G级中抗硫酸盐油井水泥作为该项岩体灌浆加固材料进行比较。其化学成分见表1所列、水泥物理力学性质见表2所列。

2.2 注浆用水

根据《水工混凝土施工规范》规定：凡符合国家标准的饮用水，均可用于拌合和养护水泥制品。

2.3 附加剂

根据实际工程的需要，在水泥浆液中掺入一些附加剂来调整水泥浆的性能，以满足工程对注浆效果的要求。具体附加剂比较方案如下。

2.3.1 水玻璃方案

水玻璃不是单一的化合物，而是氧化钠和二氧化硅结合的化合物，分子式为Na2O·SiO2水泥浆中加入水玻璃起到速凝的作用，注浆对水玻璃的模数和浓度有一定要求，模数M是水玻璃性能的一个重要参数，模数大小对注浆的影响很大。模数小时，二氧化硅含量低、凝结时间长、结石强度低；模数大时，二氧化硅含量高、凝结时间短、结石强度高。模数过大过小对注浆都不利。

根据室内配置稳定浆液试验：选用模数为3.1、浓度为400Be1的水玻璃溶液作为灌浆材料外加剂。掺量为3.0%（占水泥量）。其性能指标见表3所列。

2.3.2 膨润土加减水剂方案

膨润土是高分散性材料，向普通水泥浆中加入粘性土和某些矿物质，增加浆液粘度，可以阻止浆体的沉降分离。它的作用主要是提高浆液的稳定性，作为稳定剂使用的膨润土宜为Ⅰ级土或Ⅱ级土。

水泥浆液是一种不均匀的混合体，减水剂能吸附在水泥颗粒表面，在一定时间内起着阻碍和破坏水泥颗粒间凝聚作用。加入减水剂能改善浆液的流动性能，浆液的流变参数粘度和凝聚力随减水剂掺量的增加而减少，但减到一定程度后，再增加减水剂的掺量，降粘幅度减缓。

根据室内配置稳定浆液试验：选用膨润土0.8%、减水剂0.8%作为灌浆材料外加剂。其性能指标见表4、表5所列。

表1 水泥化学成分表（单位：%）

表2 水泥物理力学性质一览表

表3 水玻璃性能指标一览表

表4 水泥和膨润土细粒部分的含量一览表

表5 FDN-2混凝土高效减水剂（掺量0.8%）主要技术性能一览表

2.3.3 纤维素方案

通过试验方案，检测羧甲基纤维素对注浆材料泌水、流动度、凝结时间，以及水泥净浆流变性的影响，羧甲基纤维素对注浆材料都具有良好的保水性，在0.2%(质量分数)掺量(相对于减水剂用量)下，羧甲基纤维素可提高注浆材料的流动度和稳定性。此外，羧甲基纤维素具有促凝作用，掺加羧甲基纤维素的注浆材料初凝时间均为13 h左右，比未掺加高聚物的注浆材料的初凝时间缩短了。其性能指标见表6所列。

表6 羧甲基纤维素主要技术性能一览表

3 稳定浆液配合比试验

在确定注浆主要材料和添加剂后，对3种主材均进行不同水灰比的浆液试验，同时对各浆液进行不同添加剂的浆液试验。共计进行61组的稳定浆液配合比试验。

其试验成果的具体数据，本文省略。

4 浆液试验结果分析

4.1 水泥品种对浆液性能的影响

通过三种水泥净浆试验的对比，发现三种水泥比重差别不大，52.5R普通硅酸盐水泥浆液的粘度高于其他两种水泥浆液，凝结时间也小于其他两种水泥；G级中抗油井水泥浆液的流动度最大，这是由于它的细度最小造成的。结石率方面52.5R普通硅酸盐水泥浆液和42.5R普通硅酸盐水泥浆液差别不大，均高于G级中抗油井水泥浆液。在强度方面3种水泥浆液强度均大于5.0 MPa,满足稳定浆液要求。

4.2 水灰比对浆液性能的影响

水灰比由0.6∶1到1.5∶1变化时，浆液的流动度、凝结时间递增，而粘度、比重、结石率、抗压强度递减。现以52.5R普通硅酸盐水泥净浆为例，其性能指标变化如图1所示。

图1 水灰比对浆液各种性能变化示意图

4.3 不同外加剂对浆液性能的影响

在相同品种水泥，相同水灰比的条件下，发现以水玻璃为外加剂的浆液其结石率明显高于其他外加剂的浆液。结石率是稳定浆液的一个重要指标，由于水玻璃具有促凝、早强作用，所以加入水玻璃的泥浆的结石率远高于不添加任何外加剂的水泥净浆。

现以52.5R普通硅酸盐水泥为例其结石率随3种外加剂的变化如图2所示。

图2 结石率随外加剂的变化曲线图

5 浆液试验主要结论

根据对浆液试验结果的分析，可以得出以下结论：

（1）3种试验的水泥品种中，浆液性能指标排序为①52.5R普通硅酸盐水泥、②42.5R普通硅酸盐水泥、③G级油井水泥。

（2）进行试验的3组添加剂，以加入3%水玻璃的浆液性能最好。

（3）不同水灰比的试验，以水灰比为1∶1浆液性能最符合注浆要求。

根据浆液试验主要结论，并结合现场实验，结合该项注浆试验工程对注浆浆液的技术要求，确定以42.5R普通硅酸盐水泥为主要材料，水灰比1∶1，添加剂为3%水玻璃的浆液为现场注浆试验浆液。

根据最初的现场注浆试验设计方案，注浆孔全部为充填固结注浆孔，但在现场试验过程中发现，最外侧注浆孔（靠近加固区边界）注浆量均很大。经分析认为，由于煤柱两侧采空区的存在，大量注浆浆液向加固区外扩散，造成无效加固，因此确定在注浆加固区最外侧增设2排帷幕孔，确定使用水灰比为0.9∶1的以42.5R普通硅酸盐水泥为主要注浆材料的浆液为帷幕孔注浆浆液（见表 9）。

表9 最终确定的施工浆液配合比和浆液性能一览表

6 结论

（1）通过三种水泥净浆试验的对比结果，发现52.5R普通硅酸盐水泥浆液的粘度高于其他两种水泥浆液，凝结时间也小于其他两种水泥；G级中抗油井水泥浆液的流动度最大。结石率方面52.5R普通硅酸盐水泥浆液和42.5R普通硅酸盐水泥浆液差别不大，均高于G级中抗油井水泥浆液。在强度方面3种水泥浆液强度均大于5.0 MPa，满足稳定浆液要求。

（2）水灰比由0.6:1到1.5:1变化时，浆液的流动度、凝结时间递增，而粘度、比重、结石率、抗压强度递减。

（3）在相同品种水泥，相同水灰比的条件下，发现以水玻璃为外加剂的浆液其结石率明显高于其他外加剂的浆液。

（4）工程实践证明该项实验工程得出的实验浆液在乌鲁木齐市外环路东北段煤矿采空区预留安全煤柱段道路工程中使用的效果非常好。

[1]SJ137-1999，土工试验规程[S].

[2]蒋硕忠.灌浆材料和灌浆工艺研究[J].水利水电技术，2001，32（9）.

[3]孙纪正.常用灌浆材料性能试验研究[D].济南：山东大学.

[4]胡安兵.新型注浆材料及灌浆工艺的试验研究[D].长春：吉林大学.

[5]张剑.灌浆法治理路基不均匀沉降研究[D].重庆：重庆交通大学.