淺談采空區治理注漿研究

王新春

摘 要：以紅檸鐵路小窯采空區注漿為實例，分析了采空區注漿的種類、特征和技術參數。在此基礎上分析得出采用全充填法對采空區進行治理的方案和對策，并實施了治理工程。

關鍵詞：采空區注漿；技術參數；施工方案；對策研究

中圖分類號：P634.8 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）02-0070-02

小型采空區的特點一般都是人工開挖、采空范圍較窄、開采深度較淺、無規劃且少支撐。地下礦層被開采后，其上部巖層失去支撐，平衡條件被破壞，隨之產生彎曲、塌落，以至于地表下沉變形，且變形常常突然發生，這是鐵路運營中的隱患所在。現如今，采空區的治理成為新的課題，采空區注漿是比較關鍵的工序。

1 國內采空區注漿漿液使用現狀

我國在治理采空區注漿中一般以單液水泥類漿液為主，添加一定量的附加劑。由于附加劑的加入量比水泥的使用量要多，所以需單列分類。地域不同，附加劑的經濟性也不相同，主要分為三類，即水泥粉煤灰漿液、水泥黏土漿液和水泥砂漿漿液。

根據設計要求，紅檸鐵路小煤窯采空區需采用水泥砂漿進行灌注處理。

2 采空區治理常用的注漿方法及特征

采空區治理常用的注漿方法有三種，分別是托盤鋼管法、套管澆筑法和裸孔法。托盤鋼管法和套管澆筑法適用于有覆蓋層的地層，裸孔法一般適宜用在基巖地層。

套管澆筑法一般是在鉆至完整基巖3～5 m以下后使用。首先要提升鉆具，經驗收合格后，迅速下入直徑為127 mm的套管，然后將1∶1.5的稠水泥漿注入孔中約5 m。為使漿液快速將套管和孔壁固結，需在漿液中加入體積分數為3%～5%（水泥重）的速凝劑。固管完成后，變徑為?110 mm或?91 mm鉆具鉆進至成孔。這種方法的優點是：在成孔階段實施，隔離覆蓋層，降低成孔事故率，骨料投入粒徑的選擇性增大；缺點是：如遇實孔，套管不能重復利用，投入成本較高。

托盤鋼管法一般在成孔后進行使用。經驗收合格后，將下部帶有托盤的鋼管下入基巖3～5 m的孔中，先在托盤上部澆筑一些較干的砂漿，用以封閉托盤和孔壁間隙，再用稠水泥漿封孔。注漿時，只需將泥漿泵管路與孔口管路對接便可執行工藝方案。如果需要投入骨料，在管路三通上連接漏斗即可完成。這種方法的優點是：成孔結束后，對于沒有采空的實孔可直接用鉆桿作為注漿通道封孔，不必投入孔口管，操作簡單且成本低；缺點是：投入骨料粒徑不宜超過5 mm，選擇范圍較小。

根據設計要求和現場實際情況，我們采用裸孔法進行注漿。

3 采空區治理選用的注漿設備

采空區治理常用的注漿設備有BW系列往復式泥漿泵、SNS系列柱塞式砂漿泵、PN系列離心式泥漿泵和UBJ系列擠壓式灰漿泵。SNS系列柱塞式砂漿泵出現故障后維修比較煩瑣。PN系列離心式泥漿泵使用比較廣泛，泵量較大，維修保養比較簡單，缺點是只能在注漿孔負壓或無壓時使用。

該項目采空區設計灌漿采用純壓式全孔一次灌漿法，灌漿壓力控制由小到大，逐漸升高，最后達到設計壓力，最大壓力以300 kPa為宜。根據設計和工期要求，我們選用河南產GHB6型擠壓泵，每小時注漿量為6 m3，最大壓力為3 MPa，水平距離為100 m，垂直輸送高度為50 m。這既能滿足設計要求，又能滿足現場和工期要求。

4 紅檸鐵路小煤窯采空區治理注漿施工方案

2007年，我單位施工的紅檸鐵路就出現小煤窯采空區，所采用的注漿方案如下。

4.1 漿液的配制

依據設計圖紙可知，注漿漿液為水泥砂漿漿液，其固相比為（水泥∶砂子∶石子）1∶4∶8（重量比），水灰比為0.7∶1～1∶1，水玻璃（速凝劑）摻入量為水泥重量的3%. 在正式施工之前，按設計配比在試驗室做漿液配比試驗。試驗內容包括每立方米漿液干料含量、加水量、漿液濃度、初終凝時間、結石率、試塊無側限抗壓強度、漿液比重等。

現場施工時，嚴格按照試驗室給定的配合比配制漿液，并對配制漿液所用的各項原材料準確計量。水用定量容器計量，水泥按袋計量，砂子用容器計量，并隨時用磅秤抽查水泥、砂子的重量和漿液的各項指標。

配制漿液時，先按水灰比配置水泥漿液，將其在自行加工的大攪拌機中攪拌均勻，然后按配合比加入砂子進行二次攪拌，每次攪拌時間不少于5 min。將攪拌均勻的水泥砂漿輸入集料器，為防止砂漿中大粒徑的骨料堵塞注漿管路，集料器上應安放一層過濾篩網。篩網孔徑不大于10 mm，這樣可將大粒徑骨料過濾出來，水泥砂漿則通過集料器與注漿泵注入采空區。

制漿工藝流程如圖1所示。

4.2 石子投放工藝

采空區的石料投放使用石料投放器來完成，工作原理如圖2所示。

依據設計要求，對有掉鉆的空洞按配合比進行石料投放。

投放時，將石料投放器居中放置孔口，向孔內伸入1～2 m送料管，并與砂漿泵連接。啟動砂漿泵注入砂漿，砂漿在孔內下落時，孔口產生負壓力（吸力），向梯形料斗內加入石料。在負壓的作用下，石料經過喉管與砂漿混合，在孔內翻滾注入空洞，石料與砂漿的配合比由閥門控制砂漿的注入量完成。但這樣投放石料很容易把喉管堵塞，石料投入量滿足不了設計要求，于是取消了投料器。把擠壓泵輸送管口直接對準采空孔，并保持20 cm左右的垂直距離，一邊注漿一邊投放石料，碎石借著砂漿的沖滾會增大其流動性。

圖1 制漿工藝流程圖 圖2 石料投放器工作原理圖

4.3 注漿的原則和順序

用鉆孔充填注漿法治理采空區，主要是依靠漿液良好的流動性，有效充填采空空洞、冒落巖體的空隙、巖柱或頂板的裂隙，特別是經過多個鉆孔數次的注漿使得漿液互相搭接、交叉、竄插，使得采空空洞或冒落巖體空隙和圍巖裂隙得到充分的膠結加固。

具體到該項目，我們是按照以下原則和順序進行施工的：①嚴格遵循先帷幕后中間的原則。為使帷幕和路肩范圍內的空洞注滿，線路中心和左右三排孔采用間歇、定量的方法注漿，間歇時間為12 h左右。②單孔注漿嚴格遵循逆地層傾向方向推進、先稀后濃的注漿原則。在避免漿液產生不必要浪費的前提下，要防止冒落巖體的空隙、巖柱或頂板的裂隙注不飽滿的情況，盡量不影響注漿質量。③嚴格遵循鉆孔檔案制度。通過各鉆孔資料科學地分析采空結構，合理選擇注漿方法、漿液配方、石料和速凝劑的摻入時間，以提高注漿質量。

4.4 注漿系統的配置

注漿系統由料場、攪拌機、二級集料器、供水系統、GHB6擠壓式注漿泵、注漿管道、封孔栓塞裝置和石料投放器等組成。

4.5 注漿施工工藝

注漿采用純壓式全孔一次灌注法施工。

4.5.1 沖孔

注漿開始前，先用清水進行沖孔，沖洗掉孔壁上的殘留物質，并使采空孔產生負壓。

4.5.2 注漿

采用漿液濃度先稀后濃的方法。注漿開始后，要定時觀測泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發生的各種情況，收集原始數據，并根據情況及時調整注漿量和漿液濃度。注漿過程中若出現地表裂隙大量跑漿時，要采用間歇式注漿、減小泵量或地表充填裂隙的措施，阻止漿液從地面大量流失。當單孔有采空或漿量過大且是負壓時，要及時注入砂漿，并加入水泥重量3%的速凝劑（水玻璃）。

4.5.2.1 帷幕孔注漿

帷幕孔注漿的施工是確保整個處治工程質量的關鍵，同時也是整個處治工程施工最困難的環節。

為保證帷幕孔注漿的質量，帷幕孔注漿施工采用多次間歇式注漿，以控制漿液擴散半徑。根據漿液擴散半徑計算出每次注漿的數量，達到該數量時就停歇，過12 h后再次灌注。

4.5.2.2 中間采空孔注漿

中間注漿孔注漿施工采用一次止漿、一次注漿的施工方案。注漿時，應避免在短時間內注入大量的稀砂漿。如果單孔注漿量較大時，應采用間歇式注漿法，并向孔內投放粗骨料。

4.5.3 封孔

在注漿孔的注漿末期（負壓現象消失），在孔口安裝栓塞，泵壓逐漸升高，當泵量小于50 L/min時，孔口壓力為300 kPa，穩定10～15 min，可結束該孔的注漿施工。

4.5.4 注漿技術要求

注漿技術要求主要有：①注漿或間歇注漿前必須用清水洗孔，壓水時間不得小于10 min；②稀漿灌注量取單孔注漿量的30%；③間歇注漿的間隔時間不得小于12 h；④對沒有采空現象的鉆孔，應將注漿管下置孔底，及時灌漿封堵。

5 紅檸鐵路小窯采空區治理注漿疑難點

紅檸鐵路小窯采空區治理注漿施工的疑難點是：裸孔無壓注漿注滿后，不能及時加壓。

通過分析和多次實驗，我們革新了傳統栓塞，解決了裸孔無壓注漿注滿后不能及時加壓的難題，栓塞結構如圖3所示。

圖3 栓塞結構圖

6 結束語

本次采空區的注漿工作由于方案選擇合理、工藝恰當，達到了預期效果，注漿質量可從以下三個方面進行評價。

6.1 工程量

紅柳林至神木西鐵路專線采空區注漿理論計算充填空間為：水泥量1 226 t，砂子2 453 m3，石子4 906 m3，速凝劑37 t，共計 8 009 m3。實際注漿量為 8 406 m3，潛伏采空區計 4 038 m3。這就說明，不僅治理范圍內采空區得到全部充填，冒落帶和老窯潛伏采空區也得到了充分的填充。

6.2 鉆孔驗證

注漿工作結束后，根據設計要求，必須保證打5%的檢查孔。根據現場鉆孔數量可知需要打6個檢查孔，由業主、設計單位、監理單位和我施工單位現場共同布置了6個檢查孔。根據設計院的要求，6個檢查孔要求全孔取芯驗證。6個檢查孔取芯完畢后，業主、設計單位和監理單位共同對芯樣進行了全面檢測。檢測結果表明，巖層取芯率達到95%以上，水泥砂漿碎石膠凝體芯樣完成且密實，取芯率也達到95%以上。

6.3 多處冒漿

煤層露頭出處多處冒漿，如注ZK-47號鉆孔2 d后，在距ZK-47號鉆孔20 m護坡上多處冒漿。

本次采空區治理方案為以后相類似的情況提供了很好的借鑒，也為一些特殊要求下的軟地基處理提供了新思路。

〔編輯：曹月〕

On Gob Governance Research Grouting

Wang Xinchun

Abstract： Red Lemon railway gob area grouting as an example， analyzes the types of grouting goaf， features， and technical specifications. Based on this analysis come with full backfill mined areas and Solution of governance and the implementation of a management project.

Key words： gob grouting； technical parameters； construction program； strategies

具體到該項目，我們是按照以下原則和順序進行施工的：①嚴格遵循先帷幕后中間的原則。為使帷幕和路肩范圍內的空洞注滿，線路中心和左右三排孔采用間歇、定量的方法注漿，間歇時間為12 h左右。②單孔注漿嚴格遵循逆地層傾向方向推進、先稀后濃的注漿原則。在避免漿液產生不必要浪費的前提下，要防止冒落巖體的空隙、巖柱或頂板的裂隙注不飽滿的情況，盡量不影響注漿質量。③嚴格遵循鉆孔檔案制度。通過各鉆孔資料科學地分析采空結構，合理選擇注漿方法、漿液配方、石料和速凝劑的摻入時間，以提高注漿質量。

4.4 注漿系統的配置

注漿系統由料場、攪拌機、二級集料器、供水系統、GHB6擠壓式注漿泵、注漿管道、封孔栓塞裝置和石料投放器等組成。

4.5 注漿施工工藝

注漿采用純壓式全孔一次灌注法施工。

4.5.1 沖孔

注漿開始前，先用清水進行沖孔，沖洗掉孔壁上的殘留物質，并使采空孔產生負壓。

4.5.2 注漿

采用漿液濃度先稀后濃的方法。注漿開始后，要定時觀測泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發生的各種情況，收集原始數據，并根據情況及時調整注漿量和漿液濃度。注漿過程中若出現地表裂隙大量跑漿時，要采用間歇式注漿、減小泵量或地表充填裂隙的措施，阻止漿液從地面大量流失。當單孔有采空或漿量過大且是負壓時，要及時注入砂漿，并加入水泥重量3%的速凝劑（水玻璃）。

4.5.2.1 帷幕孔注漿

帷幕孔注漿的施工是確保整個處治工程質量的關鍵，同時也是整個處治工程施工最困難的環節。

為保證帷幕孔注漿的質量，帷幕孔注漿施工采用多次間歇式注漿，以控制漿液擴散半徑。根據漿液擴散半徑計算出每次注漿的數量，達到該數量時就停歇，過12 h后再次灌注。

4.5.2.2 中間采空孔注漿

中間注漿孔注漿施工采用一次止漿、一次注漿的施工方案。注漿時，應避免在短時間內注入大量的稀砂漿。如果單孔注漿量較大時，應采用間歇式注漿法，并向孔內投放粗骨料。

4.5.3 封孔

在注漿孔的注漿末期（負壓現象消失），在孔口安裝栓塞，泵壓逐漸升高，當泵量小于50 L/min時，孔口壓力為300 kPa，穩定10～15 min，可結束該孔的注漿施工。

4.5.4 注漿技術要求

注漿技術要求主要有：①注漿或間歇注漿前必須用清水洗孔，壓水時間不得小于10 min；②稀漿灌注量取單孔注漿量的30%；③間歇注漿的間隔時間不得小于12 h；④對沒有采空現象的鉆孔，應將注漿管下置孔底，及時灌漿封堵。

5 紅檸鐵路小窯采空區治理注漿疑難點

紅檸鐵路小窯采空區治理注漿施工的疑難點是：裸孔無壓注漿注滿后，不能及時加壓。

通過分析和多次實驗，我們革新了傳統栓塞，解決了裸孔無壓注漿注滿后不能及時加壓的難題，栓塞結構如圖3所示。

圖3 栓塞結構圖

6 結束語

本次采空區的注漿工作由于方案選擇合理、工藝恰當，達到了預期效果，注漿質量可從以下三個方面進行評價。

6.1 工程量

紅柳林至神木西鐵路專線采空區注漿理論計算充填空間為：水泥量1 226 t，砂子2 453 m3，石子4 906 m3，速凝劑37 t，共計 8 009 m3。實際注漿量為 8 406 m3，潛伏采空區計 4 038 m3。這就說明，不僅治理范圍內采空區得到全部充填，冒落帶和老窯潛伏采空區也得到了充分的填充。

6.2 鉆孔驗證

注漿工作結束后，根據設計要求，必須保證打5%的檢查孔。根據現場鉆孔數量可知需要打6個檢查孔，由業主、設計單位、監理單位和我施工單位現場共同布置了6個檢查孔。根據設計院的要求，6個檢查孔要求全孔取芯驗證。6個檢查孔取芯完畢后，業主、設計單位和監理單位共同對芯樣進行了全面檢測。檢測結果表明，巖層取芯率達到95%以上，水泥砂漿碎石膠凝體芯樣完成且密實，取芯率也達到95%以上。

6.3 多處冒漿

煤層露頭出處多處冒漿，如注ZK-47號鉆孔2 d后，在距ZK-47號鉆孔20 m護坡上多處冒漿。

本次采空區治理方案為以后相類似的情況提供了很好的借鑒，也為一些特殊要求下的軟地基處理提供了新思路。

〔編輯：曹月〕

On Gob Governance Research Grouting

Wang Xinchun

Abstract： Red Lemon railway gob area grouting as an example， analyzes the types of grouting goaf， features， and technical specifications. Based on this analysis come with full backfill mined areas and Solution of governance and the implementation of a management project.

Key words： gob grouting； technical parameters； construction program； strategies

具體到該項目，我們是按照以下原則和順序進行施工的：①嚴格遵循先帷幕后中間的原則。為使帷幕和路肩范圍內的空洞注滿，線路中心和左右三排孔采用間歇、定量的方法注漿，間歇時間為12 h左右。②單孔注漿嚴格遵循逆地層傾向方向推進、先稀后濃的注漿原則。在避免漿液產生不必要浪費的前提下，要防止冒落巖體的空隙、巖柱或頂板的裂隙注不飽滿的情況，盡量不影響注漿質量。③嚴格遵循鉆孔檔案制度。通過各鉆孔資料科學地分析采空結構，合理選擇注漿方法、漿液配方、石料和速凝劑的摻入時間，以提高注漿質量。

4.4 注漿系統的配置

注漿系統由料場、攪拌機、二級集料器、供水系統、GHB6擠壓式注漿泵、注漿管道、封孔栓塞裝置和石料投放器等組成。

4.5 注漿施工工藝

注漿采用純壓式全孔一次灌注法施工。

4.5.1 沖孔

注漿開始前，先用清水進行沖孔，沖洗掉孔壁上的殘留物質，并使采空孔產生負壓。

4.5.2 注漿

采用漿液濃度先稀后濃的方法。注漿開始后，要定時觀測泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發生的各種情況，收集原始數據，并根據情況及時調整注漿量和漿液濃度。注漿過程中若出現地表裂隙大量跑漿時，要采用間歇式注漿、減小泵量或地表充填裂隙的措施，阻止漿液從地面大量流失。當單孔有采空或漿量過大且是負壓時，要及時注入砂漿，并加入水泥重量3%的速凝劑（水玻璃）。

4.5.2.1 帷幕孔注漿

帷幕孔注漿的施工是確保整個處治工程質量的關鍵，同時也是整個處治工程施工最困難的環節。

為保證帷幕孔注漿的質量，帷幕孔注漿施工采用多次間歇式注漿，以控制漿液擴散半徑。根據漿液擴散半徑計算出每次注漿的數量，達到該數量時就停歇，過12 h后再次灌注。

4.5.2.2 中間采空孔注漿

中間注漿孔注漿施工采用一次止漿、一次注漿的施工方案。注漿時，應避免在短時間內注入大量的稀砂漿。如果單孔注漿量較大時，應采用間歇式注漿法，并向孔內投放粗骨料。

4.5.3 封孔

在注漿孔的注漿末期（負壓現象消失），在孔口安裝栓塞，泵壓逐漸升高，當泵量小于50 L/min時，孔口壓力為300 kPa，穩定10～15 min，可結束該孔的注漿施工。

4.5.4 注漿技術要求

注漿技術要求主要有：①注漿或間歇注漿前必須用清水洗孔，壓水時間不得小于10 min；②稀漿灌注量取單孔注漿量的30%；③間歇注漿的間隔時間不得小于12 h；④對沒有采空現象的鉆孔，應將注漿管下置孔底，及時灌漿封堵。

5 紅檸鐵路小窯采空區治理注漿疑難點

紅檸鐵路小窯采空區治理注漿施工的疑難點是：裸孔無壓注漿注滿后，不能及時加壓。

通過分析和多次實驗，我們革新了傳統栓塞，解決了裸孔無壓注漿注滿后不能及時加壓的難題，栓塞結構如圖3所示。

圖3 栓塞結構圖

6 結束語

本次采空區的注漿工作由于方案選擇合理、工藝恰當，達到了預期效果，注漿質量可從以下三個方面進行評價。

6.1 工程量

紅柳林至神木西鐵路專線采空區注漿理論計算充填空間為：水泥量1 226 t，砂子2 453 m3，石子4 906 m3，速凝劑37 t，共計 8 009 m3。實際注漿量為 8 406 m3，潛伏采空區計 4 038 m3。這就說明，不僅治理范圍內采空區得到全部充填，冒落帶和老窯潛伏采空區也得到了充分的填充。

6.2 鉆孔驗證

注漿工作結束后，根據設計要求，必須保證打5%的檢查孔。根據現場鉆孔數量可知需要打6個檢查孔，由業主、設計單位、監理單位和我施工單位現場共同布置了6個檢查孔。根據設計院的要求，6個檢查孔要求全孔取芯驗證。6個檢查孔取芯完畢后，業主、設計單位和監理單位共同對芯樣進行了全面檢測。檢測結果表明，巖層取芯率達到95%以上，水泥砂漿碎石膠凝體芯樣完成且密實，取芯率也達到95%以上。

6.3 多處冒漿

煤層露頭出處多處冒漿，如注ZK-47號鉆孔2 d后，在距ZK-47號鉆孔20 m護坡上多處冒漿。

本次采空區治理方案為以后相類似的情況提供了很好的借鑒，也為一些特殊要求下的軟地基處理提供了新思路。

〔編輯：曹月〕

On Gob Governance Research Grouting

Wang Xinchun

Abstract： Red Lemon railway gob area grouting as an example， analyzes the types of grouting goaf， features， and technical specifications. Based on this analysis come with full backfill mined areas and Solution of governance and the implementation of a management project.

Key words： gob grouting； technical parameters； construction program； strategies