高掺量粉煤灰水泥浆在采空区处理工程中的应用

石艳军，张栋，张玉平

（葛洲坝集团基础工程有限公司，宜昌 443002）

1 前言

1.1 采空区处理的意义和施工现状

随着国家基础建设的大力发展，工程选址和地质条件越来越复杂，而大量的矿产开采，使得地下采空区面积越来越大。许多工程，甚至是国家大型工程，进行工程选址时不得不穿过采空区。

大部分采空区关停时间较长、埋深较大，且不具备井下处理条件，只能在地面采用钻孔注浆方式进行处理。其工艺原理为：采用液压回转钻机，或潜孔钻机等钻孔设备钻穿采空区后，通过压力注浆法向岩层的空隙和采空区断裂带、冒落带和采空部分，注入具有较好充填性能和胶结性能的浆液材料，浆液硬化后形成具有一定强度的支撑体，对采空区上覆岩体形成支撑作用，以阻止上覆岩体的进一步冒落，防止地面沉降或塌陷，保证穿过采空区建筑物（构筑物）的运行安全。

国内外在采空区上修建工程的经验很少，采用地面钻孔注浆的方式进行采空区处理，更是无相关的规程、规范和技术标准可循。因此，对采空区处理工程的原材料、施工方法、技术标准进行研究，显得迫在眉睫。

1.2 采空区工程灌浆材料研究方向

采空区灌浆不同于水利工程上的防渗灌浆和固结灌浆，而是以充填采空部分和冒落带、断裂带大的空腔、孔洞为主，以形成具有一定强度的支撑体，没有工程防渗和基岩固结的要求。采空区处理对灌浆材料的强度和细度方面要求较低，若使用单液水泥浆灌注，形成的结石体强度高，灌浆效果虽好，但工程造价较高；若仅使用粘土或粉煤灰进行灌注，其可灌性较差，强度不够，施工质量难以保证。

在我国所有发电电源中，火力发电依然是我国电力的主力，其发电量在全部发电量中所占比重保持在80%以上，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，其工程造价低，且粉煤灰中活性Si O2、活性Al2O3和f－Ca O（游离氧化钙）是活性的有利成分，因此，采用高掺粉煤灰的水泥粉煤灰浆液进行采空区灌浆既经济、又有效。

根据目前国内外的施工情况，高掺量粉煤灰的灌浆材料应用不广，且没有相关的规程、规范可循，因此，通过室内试验和现场试验，确定粉煤灰的掺量、浆液的水灰比、变浆标准等，对采空区处理工程，具有重要的意义。

2 工程概况

2.1 概述

南水北调中线工程总干渠工程选址经过河南禹州段时无法避开采空区，采空区总长3.11 k m，包括原新峰矿务局二矿、禹州市梁北镇郭村煤矿、梁北镇工贸公司煤矿、梁北镇福利煤矿等4个采空区。上述采空区地面沉陷盆地已经或正在形成，无法在井下处理，只能采用地面充填方式进行处理。

南水北调中线工程总干渠禹州长葛段某标段采空区钻孔总量30×104m，灌浆总量近20×104t，灌浆材料采用粉煤灰掺量高达85%的水泥粉煤灰浆液，为验证浆液的可灌性、经济性和施工质量，在现场进行了大量的试验研究，最终将高掺粉煤灰的水泥粉煤灰浆液应用于采空区处理工程中，取得了较好的施工效果。

2.2 工程地质情况

南水北调禹州段渠道地处三峰山周边丘前坡洪积群与平原的过渡地带，地形较平缓，地面高程120～133 m。渠道为填方段和半挖半填段，渠底板以下为30～40 m厚的粘性土，下伏岩层为二迭系煤系地层上石盒子组（P12）软质泥岩夹砂岩，软硬岩互层组合比例约3∶1～5∶1，其中软质泥岩以中厚－厚层状为主，砂岩多为薄层－中厚层。地层走向105°左右，倾向195°，地层倾角10°～19°，一般14°左右。

本区煤系地层为一套单斜地层（景家洼向斜的东北翼组成部分），构造断裂主要为前第四纪断裂，第四纪断裂构造不发育。其中规模较大、对煤层分布起控制作用的主要有虎头山断层，虎头山断层位于矿区相邻边界（采空区分布在断层两侧），为横贯梁北井田中部的一条主要断层，在平面或剖面上呈波状，为近东西向走向的正断层，倾向北，倾角70°，北侧下降。地表仅在新峰煤矿厂部北虎头山上见P22“平顶山砂岩”与六4煤组下部地层接触，其余均为黄土覆盖。地表断距117～427 m，变换较大。

3 灌浆材料配比试验研究与应用

3.1 灌浆材料配比及变浆标准设计

充填灌浆初始选择了配比A、配比B、配比C进行现场试验，以选择适宜的灌浆配合比。灌浆配合比见表1。

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

充填灌浆，启灌采用配合比A，当泵量明显下降（为初始阶段的1／3），改用配比B；当泵量再次明显下降（为配比B初始注浆泵量1／3），改用配比C，直至灌浆结束。

3.2 现场试验情况分析

掺用外加剂对比分析，在进行1＃试验区充填灌浆时有针对性的添加了外加剂，2＃试验区充填灌浆没有添加外加剂，以验证外加剂对浆液流动性的影响。

试验过程中我部进行了大量的资料分析，建立了灌浆流量与灌浆时间的对应关系，绘制了典型灌浆孔单孔灌浆过程曲线，典型单孔灌浆曲线取值的原则为：灌浆过程中每0.5～2 h取一个有代表性的时间节点上的流量和压力，灌浆结束前一段时间加大取值的数量。

1＃试验区共布置有30个灌浆孔，分两序进行，典型灌浆孔单孔灌浆曲线见图1和图2。2＃试验区共布置有31个灌浆孔，分两序进行施工，典型灌浆孔单孔灌浆曲线见图3和图4。

灌浆过程曲线显示：以100～130 l／min的流量进行灌浆，灌浆过程中基本呈流量100～130 l／min、压力为0～0.2 MPa，而最后5～30 min内流量骤降至0～10 l／min，压力升至1.0～1.5 MPa，无论添加外加剂与否，没有出现预先考虑的流量慢慢下降的过渡阶段。对于灌浆过程曲线上的个别流量较小的取点，属于灌浆流量跳变的正常现象。

从对比情况来看，无论添加外加剂与否，浆液的流动性均比较好，能满足充填灌浆质量要求。同时，从灌浆过程曲线可以看出，随着灌浆的进行，灌浆流量骤降，压力骤增，从而灌浆结束。实际的施工情况是外加剂还没来得及添加灌浆已于5～30 min内达到结束标准。

因此，水固比1∶1（重量比）水泥粉煤灰浆液的流动性较好，浆液扩散度能够满足充填灌浆的需要，同时，添加外加剂对于施工中浆液的扩散度没有明显改善，因此充填灌浆浆液添加外加剂的必要性不大。

4 进行止浆位置试验，分析浆液的经济性

4.1 止浆位置试验的必要性

图1 1＃试验区典型灌浆孔单孔灌浆曲线（CS8 1－6－Ⅱ－2＃孔）Fig.1 Filling curve of the typical CS8 1－6－Ⅱ－2＃ hole in the experimental area

采空区采空部分埋深较深，采空区钻孔深度较大，关于采空区单孔耗浆量孔内分布情况就值得研究了。因采空区注浆范围主要针对断裂带、冒落带、采空部分，而非对整个基岩段进行固结灌浆，若上覆基岩内耗去大量的浆液，将造成浆液的浪费，若上覆基岩内吸浆量较大，出于经济的考虑，需将阻塞位置移至断裂带、冒落带和采空部分的顶部，约为孔底以上50 m范围，而阻塞位置的下移，将会导致施工难度加大，工效大大降低。因此，有必要进行止浆位置试验，以选择合理的阻塞方式。

4.2 止浆位置试验情况分析

为了验证灌浆在孔内消耗情况，根据止浆位置的不同，我部进行了以下试验：

（1）止浆位置在深入基岩5 m处，采用全孔一次性灌浆。

（2）止浆位置分别在深入基岩5 m处和终孔深度以上50 m处，采用自上而下分段钻进、分段灌浆法进行。钻孔至终孔深度以上50 m处，将阻塞器（法兰盘）阻塞在深入基岩5 m处，进行上覆基岩段灌浆；第一段灌浆结束后，继续钻进至终孔，继续将阻塞器（法兰盘）阻塞在深入基岩5 m处，进行断裂带、冒落带和采空部分灌浆，因上覆基岩段已进行灌浆处理，可以认为进行第二段灌浆时止浆位置在终孔深度以上50 m。

图3 2＃试验区典型灌浆孔单孔灌浆曲线（CS8 2－4－Ⅰ－7＃孔）Fig.3 Filling curve of the typical CS8 2－4－Ⅰ－7＃ hole in the experimental area

图4 2＃试验区典型灌浆孔单孔灌浆曲线（CS8 2－5－Ⅰ－6＃孔）Fig.4 Filling curve of the typical CS8 2－5－Ⅰ－6＃ hole in the experimental area

（3）止浆位置在终孔深度以上50 m处，进行断裂带、冒落带和采空部分灌浆。采用埋设双套管法，开孔孔径φ130 mm，钻至深入完整基岩5 m后，埋设φ127 mm护壁套管，然后变径为φ110 mm钻至煤层以上50 m，埋入φ108 mm护壁套管，然后变径φ91 mm钻至终孔，灌浆时阻塞器阻塞在护壁套管内，只对终孔深度以上50 m范围内灌浆。

止浆位置示意图见图5。

上述3种止浆位置试验灌浆情况统计详见表2～4。

通过表2～4分析可以看出：

（1）采用自上而下分段钻进、分段灌浆施工时，上覆基岩段灌浆干耗灰量占全孔灌浆干耗灰量的1.0%～3.4%，终孔深度以上50 m范围灌浆干耗灰量占全孔灌浆干耗灰量的96.6%～99.0%，说明采空区灌浆主要针对断裂带、冒落带和煤矿采空部分。

图5 采空区复核补充试验止浆位置示意图Fig.5 Sealing positions and grouting methods

表2 止浆位置试验灌浆情况统计（全孔一次性灌浆法）Table 2 Statistics of sealing positions and grout amounts（whole grouting）

（2）采用全孔一次性灌浆时，平均单孔干耗灰量为350.03 t／孔；采用自上而下分段钻进、分段灌浆时，平均单孔干耗灰量为341.08 t／孔，其中上覆基岩段平均单孔耗灰量为5.44 t／孔，断裂带、冒落带和采空部分平均单孔耗灰量为335.63 t／孔。采用全孔一次性灌浆和采用自上而下分段钻进、分段灌浆，平均单孔干耗灰量基本一致，且对比分析可以看出灌浆主要是针对断裂带、冒落带和煤矿采空部分。说明采用上述两种施工方法均能满足设计要求。

（3）采用双套管法施工时，只针对断裂带、冒落带和煤矿采空部分，平均单孔干耗灰量为429.83 t／孔，对比分析，进一步验证了采空区处理灌浆浆液主要消耗在断裂带、冒落带和采空区部分。

表3 止浆位置试验灌浆情况统计（自上而下分段钻进、分段灌浆）Table 3 Statistics of sealing positions and grout amounts（segmented grouting）

表4 止浆位置试验灌浆情况统计（双套管灌浆法）Table 4 Statistics of sealing positions and grout amounts（double－pipe grouting）

综合以上分析，采用全孔一次性灌浆法、自上而下分段灌浆法和双套管法均能满足设计要求，但考虑自上而下分段钻进、分段灌浆耗时较长，对工程进度不利，双套管法占用大量护壁套管，且灌浆结束后护壁套管起拔困难。

因此，采空区处理工程原则上采用全孔一次性灌浆法，灌浆段长为变径后至终孔的那段长度。当钻孔遇到掉钻、塌孔、掉块、大量失水等特殊情况（一般发生在断裂带、冒落带和采空部分），钻孔无法正常进行时，可进行一次灌浆处理，以保证钻孔的顺利进行。

5 高掺量粉煤灰灌浆材料现场应用

（1）现场施工所采用的灌浆配合比及施工方法

经过现场生产性试验，充填灌浆采用配比A是适宜的，因水固比1∶1的水泥粉煤灰浆液浓度较小，进行施工时充填灌浆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）的浆液可更好的满足工程质量要求。

充填灌浆宜采用“全孔一次成孔，全孔段一次性灌浆、连续灌浆法”进行施工。

（2）所采取的结石体的强度分析

在检孔取芯过程中，多孔去除了水泥粉煤灰结石体，结石体呈短柱状，详见图6。

经室内试验，所取结石体90 d后抗压强度在2.5～3.5 MPa，可形成支撑体，有效阻止上覆岩层沉降。

6 结论

（1）通过试验，粉煤灰掺量高达85%的水泥粉煤灰浆液的流动性较好，浆液扩散度能够满足煤矿采空区充填灌浆的需要，而无需添加外加剂进行改性，且浆液凝固能够形成具有一定强度的支撑体，从而保证建筑物的安全运行。将粉煤灰掺量高达85%的水泥粉煤灰浆液应用于采空区处理工程中，大大节约了原材料成本，具有重要的经济意义和社会意义。

图6 充填灌浆材料结石体Fig.6 Concretions of filled grout

（2）根据煤矿采空区“三带型”发育特点，采空区治理主要以充填煤矿采空部分和冒落带、断裂带大的空腔、孔洞为主。现场试验显示，采用“似法兰盘法，全孔一次性灌浆”，断裂带、冒落带和煤矿采空部分的干耗灰量占全孔段灌浆干耗灰量的95%以上。试验结论一方面验证了高掺量粉煤灰浆液的经济型和适用性，同时，采用“似法兰盘法，全孔一次性钻进成孔、全孔一次性灌浆”，保证了采空区处理工程的快速高效进行。

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