采空区治理水玻璃掺量试验研究与应用

何军芳 王 平 杨 鹏

(1.中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710075；2.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 611130； 3.西安长庆科技工程有限责任公司，陕西 西安 710021)

采空区治理水玻璃掺量试验研究与应用

何军芳1王 平2杨 鹏3

(1.中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710075；2.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 611130； 3.西安长庆科技工程有限责任公司，陕西 西安 710021)

主要阐述了水玻璃掺量在不同浆液配合比下各项指标的变化规律，对浆液配合比的各项指标在不同水玻璃掺量下进行了系统的试验研究，得出的结论能够对采空区治理提供浆液添加剂应用研究、设计和施工的实用性建议。

采空区治理，浆液配合比，水玻璃，临界值

采空塌陷区广泛分布于我国矿山及其周围地区,采空区塌陷不仅对人民群众的生活、生存条件构成威胁,而且经常对公路建设、房屋建筑等造成严重破坏,对人民的生产生活产生极大影响。采空区治理的主要对象为采空区工作面、巷道、冒落带及裂隙带等。而目前对采空区的注浆设计尚无标准，也没有很好的施工工艺控制办法[1]。采空区地表因煤炭的开采而产生较大的沉降变形，当前我国主要采用压力注浆法对采空区进行治理[2]。

浆液的各项性能指标即是检验注浆质量好坏的一个很重要的手段，其性能指标主要有密度、粘度、结石率、抗压强度、初终凝时间等[3]。粘度是至关重要的品质性参数，直接关系到浆液质量的好坏，注浆材料必须有良好的流动性；浆液的初凝时间和单孔灌注时间相适应，能够对采用间歇法注浆的间歇时间提供理论依据；结石率反映了注浆的充填程度，直接影响到施工质量的好坏。采空区在注浆过程中，浆液要充分的充填采空区，所以浆液要有较高的结石率，能确保浆液固结形成的结石体充分充填采空区的空洞和裂隙。此外，还要满足地基承载力和地表变形的要求，因此其结石体要有足够的强度，能和采空区破碎岩块胶结并形成稳定而又具有一定承载力的整体结构[4]。

1 试验材料及试验方案

试验材料主要有：水泥(32.5号矿渣硅酸盐水泥)、粉煤灰(Ⅲ级)、水、水玻璃(波美度为35～38，模数为2.4)。采用不同的水玻璃掺量在不同水固比、固相比下进行对比试验，寻求适合于不同设计和施工对浆液质量要求的水玻璃掺量的方案。配合比总体试验方案见表1。

表1 配合比总体试验方案

用标准法维卡仪测其初凝时间，其他采用浆液指标测试的常用方法。

2 试验结果分析

2.1 水玻璃掺量对浆液各项性能指标的影响

为了得到浆液各项性能指标随水固比、固相比的变化规律以及水玻璃掺量对浆液各项性能指标的影响，本文设计了1号配合比试验方案(由于水固比为1∶1.3的灌注量占注浆总量的绝大部分，故只对水固比为1∶1.3的浆液进行了水玻璃掺量试验)，见表2。根据1号试验方案测得各水固比、固相比浆液性能指标的数值汇总如表3所示。

由表3可得如下结论：1)同一固相比的浆液各项性能指标均随水固比的减小而增大。2)当水固比相同时，密度随固相比的增大而增大，粘度随固相比的增大而减小，7 d抗压强度随固相比的增大而增大。3)当在浆液中加入3%的水玻璃时，其结石率明显增加(固相比为15∶85的浆液结石率提高2.1%，固相比为3∶7的浆液结石率提高4.8%)，强度基本没有发生变化。这说明在注浆过程中，加入3%这个比例的水玻璃是比较合适的(尤其是对于固相比为3∶7的浆液结石率的提高是很明显的)。在不降低结石体抗压强度的前提下，提高了浆液的结石率，使其填充作用大大加强。4)当在浆液中加入3%的水玻璃时，浆液粘度有所增加，可使浆液不致四处蔓延，造成不必要的材料浪费。

表2 1号配合比试验方案

表3 各水固比、固相比浆液的性能指标

2.2 水玻璃掺量对浆液初凝时间及填充效果的影响

水玻璃掺量除了对浆液的粘度、结石率有较大影响外，还对浆液的初凝时间有较大影响。在浆液中加入水玻璃可使其初凝时间减少，在帷幕孔注浆过程中可加快其凝结时间，使其快速形成帷幕，防止浆液的四处蔓延，保证施工质量的同时节省施工成本。

在注浆过程中，对于个别帷幕孔注浆量过大，无法在短时间内“终孔”的主要解决方法为投砂或者加入适量的速凝剂，但是投砂易导致孔口堵塞，造成假“终孔”的现象；浆液中加入适量的速凝剂，使其快速凝结形成帷幕就可以避免假“终孔”现象的出现。

水玻璃掺量越大初凝时间越短，帷幕的形成时间越短，但是掺量过大会造成采空部位及裂隙填充不足，达不到帷幕的效果。为了找到这一合适的速凝剂掺量，本文设计了2号配合比试验方案，其试验方案内容如表4所示。

采用标准法维卡仪对其初凝时间进行测定，得到上述条件下浆液的初凝时间汇总于表5。

表4 2号配合比试验方案

表5 不同水玻璃掺量下浆液的初凝时间 min

将上述数据绘成初凝时间与水玻璃掺量的关系曲线，见图1，图2。

通过以上图表可知：

1)水玻璃掺量越高，浆液初凝时间缩短的幅度越小。即随着水玻璃掺量的增加，其速凝效果是逐渐减小的。当水玻璃掺量达到一定浓度的时候，其速凝效果已不明显(固相比为3∶7的水玻璃掺量速凝临界值为40%，浆液呈流态固相比为5∶5的水玻璃掺量速凝临界值为20%)。暂将“水玻璃掺量速凝临界值”定义为：浆液达到最短初凝时间所需的最少水玻璃掺量值。2)由图1，图2

可见，固相比为3∶7的浆液初凝时间随水玻璃掺量的增大而缩短，当水玻璃掺量达到40%时，继续增加水玻璃掺量，其初凝时间基本无变化；固相比为5∶5的浆液初凝时间随水玻璃掺量的增大而缩短，当水玻璃掺量达到20%时，继续增加水玻璃掺量，其初凝时间基本无变化。3)对于固相比分别为3∶7和5∶5的浆液来说，水玻璃掺量的速凝临界值并不随水固比的变化而变化(固相比为3∶7的浆液水玻璃掺量的速凝临界值均为40%，固相比为5∶5的浆液水玻璃掺量的速凝临界值均为20%)。4)浆液水玻璃掺量的速凝临界值随固相比的增大而减小(固相比为3∶7的浆液水玻璃掺量的速凝临界值为40%，固相比为5∶5的浆液水玻璃掺量的速凝临界值为20%)。5)从现场试验现象来看，对于固相比为3∶7的浆液，当水玻璃掺量小于40%时，浆液呈流态，对于固相比为5∶5的浆液，当水玻璃掺量小于20%时，浆液呈流态；当水玻璃掺量分别大于40%和20%时，在搅拌浆液的数十秒之内浆液呈塑态，搅拌较吃力。反映到实际施工情况，即为当固相比为3∶7和5∶5的浆液水玻璃掺量分别大于40%和20%时，在注浆孔内浆液出现稠糊状可能导致孔内堵塞。因此，为了保证在最短时间内注满帷幕孔使其形成帷幕，固相比为3∶7的浆液采用35%～40%掺量的水玻璃，固相比为5∶5的浆液采用15%～20%掺量的水玻璃具有可行性和实效性。

3 结论及施工控制

1)同一固相比的浆液各项性能指标均随水固比的减小而增大。2)当水固比相同时，密度随固相比的增大而增大，粘度随固相比的增大而减小，7 d抗压强度随固相比的增大而增大。3)当在浆液中加入3%的水玻璃时，在不降低结石体抗压强度的前提下，提高了浆液的结石率，使其填充作用大大加强。4)水玻璃掺量越高，浆液初凝时间缩短的幅度越小。5)浆液初凝时间随水玻璃掺量的增大而缩短，当水玻璃掺量达到一定浓度时，继续增加水玻璃掺量，其初凝时间基本无变化，即存在一个“水玻璃掺量速凝临界值”。6)水玻璃掺量的速凝临界值并不随水固比的变化而变化。7)浆液水玻璃掺量的速凝临界值随固相比的增大而减小。8)为了避免因水玻璃掺量过大而引起注浆孔内浆液出现稠糊状而导致孔内堵塞，并保证采空区部位及裂隙注浆效果，固相比为3∶7的浆液采用35%～40%的水玻璃掺量，固相比为5∶5的浆液采用15%～20%的水玻璃掺量具有实效性。

[1] 蒋天花.水泥粉煤灰灌浆的探索与应用[J].浙江水利水电专科学报，2000(1)：37-38.

[2] 童立元.建筑下老采空区塌陷区地基注浆充填材料试验研究[J].建筑技术，2003,36(6)：456-459.

[3] 张曙光.采空区注浆配合比试验优化分析[J].西部探矿工程，2008(8)：114-116.

[4] 童立元，邱 钰，杜广印，等.高速公路下伏多层采空区注浆充填法治理试验研究[J].公路交通科技，2002，19(5)：19-27.

Research on water glass mixing amount test in mined out area treatment

He Junfang1Wang Ping2Yang Peng3

(1.ChinaCommunicationTongliConstructionCo.,Ltd,Xi’an710075,China; 2.ChinaBuildingSouthwestSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd,Chengdu611130,China; 3.Xi’anChangqingScience&TechnologyEngineeringCo.,Ltd,Xi’an710021,China)

The paper mainly describes water glass admixture alteration law under various slurry mixing proportions, and carries out systematical experimental research of various slurry mixing proportions under various water glass mixing amount. The research results will provide some applicable suggestions for slurry admixture agent application research, design and construction in mined out area treatment.

mined-out area treatment, slurry mixture proportion, water glass, critical value

2015-01-06

何军芳(1982- )，男，工程师； 王 平(1982- )，男，工程师； 杨 鹏(1979- )，男，工程师

1009-6825(2015)08-0133-02

TU502

A