淺談粉煤灰在公路采空區中的應用

楊傳永

(安徽省交通規劃設計研究院,安徽合肥 230041)

淺談粉煤灰在公路采空區中的應用

楊傳永

(安徽省交通規劃設計研究院,安徽合肥 230041)

公路采空區治理方法主要有注漿法和非注漿法。本文僅對注漿法的應用作研究分析。根據我省多年的煤層采空區治理工程經驗,采用水泥粉煤灰注漿治理具有技術可行、經濟合理的特點。供同行參考。

公路采空區;水泥粉煤灰注漿;應用

0 引言

我國金屬與非金屬礦產分布范圍廣、儲量豐富,其開發開采的規模也很大。尤其是煤炭儲量和產量,分別居世界第三位和第一位。煤炭是我國當前的主要能源。據統計,國內能源的生產和消費中,煤炭約占四分之三。預計今后30～50年里,煤炭作為我國第一能源的地位不會改變。據調查,我國除上海市外,各省(區)、直轄市都有煤炭儲存及其煤礦(層)采空區的分布。以我省淮南市為例,境內面積有1/3左右為煤田,這樣造成許多公路路線不能穿越煤礦采空區。為保證穿越采空區公路的工程質量和安全使用,必須對采空區進行治理[1]。根據我省多年的煤層采空區治理工程經驗,采用水泥粉煤灰注漿治理具有技術可行、經濟合理的特點。

1 公路采空區治理技術概況

公路采空區治理方法主要有注漿法和非注漿法。本文僅對注漿法的應用作研究分析。

隨著工程建設發展的需要,注漿法適用范圍不斷地擴大,根據注漿法的應用情況[2],其主要適用范圍如下:(1)提高地基承載力的注漿;(2)防止地表下沉的注漿;(3)防止滑坡的注漿;(4)封堵井下突水口或垂向導水通道的注漿;(5)加固、加厚底板隔水層的注漿。

2 注漿材料

2.1 材料選擇

采空區注漿治理工程采用水泥、粘土、粉煤灰、砂等材料進行充填加固。如采用代用材料,應盡量采用那些價格低廉,就地取材,灌入工藝方法簡單,具有一定固結強度的代用材料。我省淮南市境內電廠較多,多年的粉煤灰排量驚人,如在材料選擇上多應用粉煤灰,具有明顯的技術經濟效益[3]。

2.2 用粉煤灰作為主要充填材料進行采空區地基處理的可行性

①原材料充足

我省境內有大量的火力發電廠,電廠所產生的粉煤灰數量巨大,沒能有效利用,浪費了企業大量的人力、物力、財力,懸浮的粉煤灰顆粒還對環境造成了嚴重污染。

②采空區面積大,急需治理

我省煤田面積占國土煤田面積的1/3,許多公路路線選線不得不穿越采空區,且隨著開采范圍擴大,需要治理的采空區面積日益擴大。采空區的塌陷及可能塌陷的采空區不僅給橋梁結構,也會對路基穩定性造成破壞,為了保證公路正常運營通行必須對煤礦采空區進行治理。

③粉煤灰與煤炭理化性能接近,結構穩定。

粉煤灰作為煤炭開發利用所產生的工業垃圾,當作為充填材料注到采空區后,易形成穩定的結石,不會對地下資源造成污染,而且由于粉煤灰漿液具有流動性,能夠最大程度地流填巖隙,使之處理的地基具有較強的承載力,為處理后采空區的有效利用解除了后顧之憂。

④減少污染,節約成本

粉煤灰漿液流入采空區,使大量的地面懸浮顆粒以液態形式儲于地下,形成具有承載力的結石。粉煤灰的有效處理,不僅減少了污染,而且企業大量使用粉煤灰作為建筑充填材料,成本低廉,效果好,降低了工程造價。

2.3 材料規格

在注漿過程中,對注漿原材料的規格要求見表1。

表1 注槳材料的規格要求

原料 規格要求紙漿廢液 酸法木漿廢液(濃度40%以上)或其他干粉其他化學藥品 工業品試劑細料:砂 天然砂或人工砂,粒徑不宜大于2.5mm,有機物含量不宜大于3%

3 治理方法

3.1 治理方法選擇

應根據公路等級及其不同地段(或構造物)等條件加以選擇。一般路段的采空區,可采用以充填為主的水泥粉煤灰注漿法治理,其水泥用量可不大于20%;橋涵下采空區地段,采用以加固地基為主的水泥漿或水泥含量大于50%的水泥粉煤灰的注漿法處理,高等級公路下采空區,可采用注漿法治理。

3.2 水泥粉煤灰漿液

在水泥漿液中加入一定量的粉煤灰,稱這種漿液為水泥粉煤灰漿液。水泥粉煤灰漿液較單液水泥漿成本低、流動性及穩定性好、結石率高。由于粉煤灰的加入其抗壓強度下降,這種漿液適于充填注漿。水泥選用我省鳳臺縣水泥廠生產的32.5級礦渣硅酸鹽水泥,粉煤灰為淮南電廠的Ⅲ級粉煤灰。在灌漿充填工程中,將粉煤灰作為水泥的一部分代用材料,它與水泥、水混合后具有一定的活性,且后期強度較高:粉煤灰的相對密度為2.2。

4 某一級公路采空區治理工程

4.1 工程設計概況

該一級公路地處黃土高原,氣候干燥,公路沿線地表多為第四紀松散層覆蓋,下伏基巖由新至老依次為石炭系上統太原組石灰巖、煤層、泥巖;石炭系中統本溪組石灰巖,砂巖、砂質泥巖及粘土巖和鋁質粘土巖、硫鐵礦;奧陶系中統峰峰組石灰巖。該地區地震烈度為Ⅵ～Ⅶ度。

公路沿線分布有煤礦、鋁質粘土礦、硫鐵礦采空區,需要治理的采空區集中分布在擬建公路 K2+305～K8+585段,自南向北共分5個區20段。在 K4+100-K4～500區段內賦存有硫鐵礦層,埋藏深度均在30m以上,采厚多數在1.5m以下,硫鐵礦采空區對路基穩定性不會造成影響,因而可以不考慮處理。

4.2 注漿材料

注漿材料有水泥、粉煤灰、砂、水及速凝劑,其中水泥選用32.5級礦渣水泥(因礦井水中含SO2較高),砂的粒徑最大不超過5mm,砂漿強度按M15要求。水泥粉煤灰漿的水固比1∶1.2～1∶1.7,水泥與粉煤灰比為2∶8～3∶7。砂漿的水砂比為7∶1～10∶1,水固比1∶1.5～1∶2.5。

4.3 施工工藝

4.3.1 鉆進及成孔工藝

注漿鉆孔(含注漿孔和帷幕注漿孔)開孔直徑為φ168mm,鉆入基巖風化帶底界之后,下φ146mm套管護壁,變徑φ127mm鉆頭鉆進,煤礦鉆至灰巖 K2或冒落裂縫帶上界(沖洗液大量漏失后)換徑,黏土礦鉆至粘土巖和鋁質粘土巖處換徑,換徑用φ89mm鉆頭鉆進,換徑后要求清水鉆進。一般注漿鉆孔不要求測斜,注漿注砂的帷幕孔要求每孔測斜一次,終孔孔斜要求不超過2度。

4.3.2 注漿工藝

(1)注漿段長度為變徑后至煤層或黏土礦采空區底板的那段長度。

(2)注漿前注水沖洗鉆孔,將受注段巖石裂縫中的填充物帶走,使漿液擴散范圍加大。

(3)漿液的稠度,一般是先稀后稠,逐漸變濃地進行。

(4)注漿孔采用連續注漿和間歇注漿相結合的方法;帷幕孔采用間歇注漿,但當吃漿量很小或采空區裂縫、空隙不發育時,也可采用連續注漿法注漿。

(5)當注漿量大或采空區裂隙、空隙較大時,采用間歇注漿法注漿,或利用注砂管注漿,用漿液將砂帶入孔內,有時或在漿液中加入少量速凝劑(1%～2%的水玻璃)。灌注時進行定壓慢擋灌注。

(6)單孔注漿結束標準:當孔口管壓力在1.0～1.5 Mpa,泵量小于70L/min,穩定10～15min,即可認為孔最終注漿量達到結束標準。

4.3.3 井筒漿砌充填

擬建公路支護范圍內,分布有20個斜井井筒和4個立井井筒,這些井筒多數沒有永久性支護,對公路路基的穩定性影響比較大,因此需對這些井筒進行充填。

(1)斜井:采用漿砌片石充填。

(2)立井:以傾倒碎石進行充填,充填的同時預設注漿管,充填到井口后,通過注漿使充填體擠密、膠結。

(3)砂漿選用M7.5砂漿。

(4)漿砌片石要求填滿井筒,而且接頂接邦要好。

4.4 注漿質量檢測方法

采空區治理工程質量的檢測方法為鉆探和物探

(1)鉆探檢測孔

注漿工程結束6個月后,布設并鉆進了8個檢查孔,有5個孔取出水泥粉煤灰巖芯,其無側限抗壓強度為0.4～0.6MPa。

(2)物探檢測

在8個檢測孔中進行了彈性波速測試,橫波速度值多數在300～1320m/s之間,只有檢4孔在地表的1m處橫波速度值為209m/s:

4.5 對該工程設計施工及治理效果的分析和評價

經治理后的整個采空區路段至今安全運營。通過該采空區治理注漿工程的實施,對該工程治理效果的具體內容和評價如下:

(1)注漿鉆孔除個別因素在供水管附近不能按原孔位置施工外,其余孔均按原孔位置進行施工,現場抽查,誤差小于0.1m。注漿鉆孔的深度經變更后為采空區底板0.3m處;256個鉆孔的孔斜經測量后都小于1度,滿足設計要求。注漿效果良好,全段鉆孔未發生注漿孔孔壁與注漿管間的冒漿現象。

(2)注漿施工注漿過程中,對孔口壓力、泵量每 5～20min記錄一次;要求每班抽查兩次,制作試塊兩組,現場共制作196組試塊;同時抽查漿液比重、粘度和結石率,現場抽查356次,全部合格。現場漿液性能測試:按表2嚴格進行漿液質量的現場監控,要求質檢人員每班對不同鉆孔、不同配合比漿液分別抽查漿液密度、粘度、結石率各兩次,發現不合格漿液立即停止注漿,待漿液質量調配合格后再進行灌注。

表2 水泥、粉煤灰漿液性能試驗一覽表

(3)注漿質量檢測結論

孔內提出的結石體強度均大于0.2～0.3Mpa;注漿后孔內的彈性波速值均大于設計要求的160m/s,這表明該注漿工程達到了預期的目的[4],注漿質量及效果均較好。在該采空區治理工程中,采用粉煤灰作為代用材料成功注漿。一則可以大量應用粉煤灰,降低工程成本;再則由于粉煤灰的加入,漿液凝結時間延長,可以保證注漿工藝連續進行,且使漿液的流動性得到改善,對提高采空區治理工程質量意義重大。

[1] 孫偉,楊溢.粉煤灰三大效應在巖體注漿加固中的應用分析[J].云南冶金,2008(3).

[2] 王永民,周建仁.法國隧道工程協會對地下工程注漿的建議:二[J].隧道譯叢,1994(12).

[3] 鄒翀.盾構隧道同步注漿技術[J].西部探礦工程, 2003(4).

[4] 陳禮儀,朱宗培,吳麗,等.高活性粉煤灰注漿材料性能和應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),1999(4).

責任編輯:文 月

文獻標識碼:A

1671-8275(2010)03-0028-03

2009-07-26

楊傳永(1965-),男,安徽懷遠人,安徽省交通規劃設計研究院高級工程師,在職碩士研究生。研究方向:路橋設計與管理。