煤層采空區注漿投砂全充填處治施工工藝

高文宗

(中鐵二局股份公司工程部,四川成都610031)

高速公路下伏采空區危害性大、治理技術眾多[1]，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》[2]規定，高速公路下伏采空區治理一般采用充填法治理。充填法狹義上只指從坑內外通過車輛運輸或管道輸送廢石、河砂、尾砂等充填采空區，廣義上還包括垃圾、粉煤灰、廢液等充填采空區[3]。

煤層采空區注漿投砂全充填處治施工工藝，是在地表打孔，將水泥粉煤灰混合漿液注入采空區及其上覆蓋層巖體裂隙(若采空區冒落)中，利用漿液將大量的砂(占總注漿量的50%以上)帶入采空區，對采空區全充填。漿液經過固化可膠結巖層裂隙帶，同時采空區內的漿液形成結石體對其上覆蓋層形成支撐作用，達到降低地基變形提高地基穩定性的一種方法[4]。

1 工藝特點及應用范圍

該施工工藝簡單，所需機械設備簡單，施工作業簡便。相對其他工藝，成本較低，效果顯著。施工周期短，有利于后續工程的施工。本工藝適用于尚未或局部冒落塌陷的采空區和其他較大的地下空洞。

2 工藝原理及設計要求

2.1 工藝原理

通過對采空區注入水泥粉煤灰混合漿液和砂，采用速凝劑控制漿液擴散半徑，用加壓注漿的方法達到全充填的效果；漿液和砂形成的結石體，對其上覆蓋層形成支撐作用，達到降低地基變形提高地基穩定性的作用，從而確保地面結構物的穩定和安全。

2.2 工藝設計要求

成孔采用二序鉆孔，間隔鉆孔，成孔后用水泥砂漿澆注孔口管。

注漿投砂工藝要求如下。

(1)漿液材料：水、水泥、粉煤灰、速凝劑(采用水玻璃)等材料以滿足結石體強度和方便投入孔為宜。由試注試驗獲得漿液流量、投砂速度、間隙注漿的時間、機具型號等指標參數，用以指導施工。

(2)終孔標準。當注漿壓力達到設計要求值(1～1.2 MPa)，泵漿量達到設計要求(70～100 L/min)且穩定10～15 min時，該孔注漿結束。

3 工藝流程及操作要點

煤層采空區注漿投砂的全充填處治施工工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

3.1 施工準備

3.1.1 臨時設施建設

清理平整場地，確保道路暢通，合理布設蓄水池、一級和二級攪拌池，鋪設好漿液管路。

3.1.2 施工放樣

按設計孔位施工放樣，偏差值≤1.0 m。

3.1.3 計劃備料

根據每孔所需材料數量和施工進度，計算儲備材料數量，設計庫房大小，做好防雨防潮。

3.1.4 制備漿液

詳見制漿流程圖2。

圖2 制漿流程

3.2 施工工藝

3.2.1 計算單孔注漿量

Q=A·π·R2·m·ΔV·K·η/C

式中：Q為單孔注漿量(m3)；A為單孔注漿量漿液損耗系數，取值1.0～2.0之間；R為漿液有效擴散半徑，按孔距的一半計算(m)；m為采空區煤層厚度(m)；ΔV為采空區剩余空隙率，取值在0.2～1.0之間。K為煤層采取率。η為注漿充填系數，取值在0.75～0.95之間。C為漿液結石率，取值在0.7～0.95之間。

3.2.2 成孔

(1)使用φ146 mm鉆頭開孔，鉆至穩定基巖3～5 m處，變徑為89 mm，繼續鉆至塌陷冒落帶或采空區頂板終孔，用鉆桿測量掉鉆深度，用以推測采空區高度，驗證調整設計。

(2)在鉆進過程中，第四系松散層采用泥漿護壁；基巖中應采用清水鉆進。

(3)鉆孔施工過程中，如發現漏水、掉鉆、埋鉆等現象要詳細記錄其深度、層位和耗水量。

3.2.3 澆注孔口管

注漿投砂管采用φ76PVC管(鋼管)，下端2 m處接φ130 mm法蘭盤，下至孔內變徑處，放入少量黃土后灌入水灰比為1∶1.5的水泥砂漿(加2 %速凝劑)，澆鑄長度為8 m。

3.2.4 注漿投砂工藝

(1)連通管路。在孔口連接兩通(連接投砂器和注漿管)。試驗證明將注漿管口位適當下移，培土成土漏斗，既方便又能大大加快投砂速度。

(2)先稀后濃法注漿。①采用先稀后濃法注漿。稀漿灌注量取單孔注漿量的30 %，但平均水固比不宜低于設計最小水固比。當灌注量達到30 %左右時，孔口若無壓力，則改用濃漿灌注；當注漿量達到60 %時，孔口仍無壓力，采用間隙注漿或在漿液中加入水泥重量2 %的速凝劑。②帷幕孔施工時，在漿液中加入水泥重量2 %的速凝劑，加速凝固，若仍不起壓，可加入適當的砂或加大速凝劑的用量。③在注漿的末期，采用加壓注漿，僅注漿液。

(3)投砂工藝。①投砂方式：采用裝載機運輸，人工配合投砂，以漿液帶砂的方法投入到采空區。②投砂量的控制：根據設計投砂量和漿液流量計算單位時間的投砂量，漿液流量決定投砂的速度，單位時間的投砂量控制總的投砂量。③用裝載機將砂堆積在土漏斗上方，高度以方便人工操作為宜，因采空區大且氣體流通，加之漿液的下墜，幾乎沒有發生堵管。④隨著漿液濃度的增加，逐漸減少投砂量，孔口起壓后，停止投砂。

3.2.5 封孔

用鉆機拔起注漿管，對于埋深較深的孔，用價格便宜的PVC注漿管較為經濟。用水泥砂漿封孔，防止雨水及地表水和采空區上伏含水層滲入采空區。

3.2.6 工后注漿質量檢測

工后質量檢測采用為鉆探和物探結合的綜合評價法。

4 質量控制措施

(1)定時觀測泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發生的各種現象，收集原始數據。

(2)個別鉆孔尤其是帷幕孔如果長時間不起壓，可加大投砂量或速凝劑的用量。若仍然不起壓，應停止注漿，分析是否有漏漿等原因，采取間歇注漿等相應的措施。

(3)為防止堵孔，應避免在短時間投入大量的砂，投砂量應控制在設計規定值內。

(4)當注漿量較大采用間歇式注漿法施工時，間歇前后需用清水沖洗孔10～15 min。

(5)注漿中后期，個別鉆孔會出現吃漿量減少，壓力上升較快的情況，應減少或停止投砂，可采取稀漿小泵量長時間注漿，以確保漿液均勻壓入。

(6)為確保帷幕孔止漿效果，帷幕孔的注漿量可根據具體的孔內情況進行調整。對第一序次鉆孔，其注漿量根據鉆孔資料，按理論計算量的1.3～1.5倍考慮。

(7)注漿投砂過程中若出現地表裂隙大量跑漿，相鄰鉆孔串漿時，應立即采取間歇式注漿、多孔交替注漿或多泵同時注漿工藝。

采用此工藝施工，在榆神高速公路采空區的治理中取得了良好效果，各項指標滿足設計要求，證明了該工藝是一種簡單、經濟、適用、高效的采空區治理施工方法。

[1] 童立元，劉松玉，邱鈺.高速公路下伏采空區危害性評價與處治技術[M].南京：東南大學出版社，2006

[2] 國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京：煤炭工業出版社,2000

[3] 李俊平，肖旭峰，馮長根.采空區處理方法研究進展[J].中國安全科學學報，2012,(3)

[4] 河南高速公路發展有限責任公司，河南省地球物理工程勘察院.高速公路下伏采空區治理工程——勘察設計、施工、監理、招投標[M].北京：人民交通出版社，2008