花管注浆在全充填采空区治理工程的应用

杨明星

（山西省第三地质工程勘察院，山西晋中 030620）

0 引言

山西长期煤矿开采遗留的采空塌陷区众多，带来大面积土地塌陷、地裂缝、山体滑坡、泥石流、地下水位下降、水资源严重枯竭、煤层自燃等地质灾害。公路、铁路、房建等建设工程为确保建设质量，必须有效治理采空区。目前，国内外尚未建立采空区勘察设计与施工治理技术规程和标准，仅依据山西地方行业标准《高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册》，在部分领域还须深入研究，设计、施工技术仍处于探索阶段。

山西煤矿采空区的治理已有15年的历史，在山西长（治）-晋（城）、太（原）-长（治）、阳（泉）-侯（马）、离（石）-军（渡）高速公路煤矿采空区治理工程中，作者对各工程设计、施工、检测各环节进行对比分析和总结。对空洞掉钻孔、冒落孔、煤柱孔注浆，一律设计为常规裸孔注浆法，存在致命弊病——实际注浆量严重不足，因堵塞表观假象已达到注浆终止条件，必须优化改进。

全充填压力注浆法是目前治理采空区的主要方法，治理质量取决于注入采空区及其上覆岩体裂隙带浆液的充填率和结石率。然而，常规采用的裸孔注浆法，致使冒落带和裂隙带通道经常被浆液材料堵塞；致使边缘煤柱孔壁应高压突破的通道却丝毫未通；致使排风空洞掉孔钻孔主通道封闭。这三种注浆孔几乎占总注浆孔的70％ ～80％，严重影响治理区的充填率和结石率，严重影响治理质量。如何解决是治理采空区的关键和重要研究课题。

1 全充填压力注浆的机理和要求

在地表钻孔，通过注浆泵、注浆管、孔口封孔装置、钻孔（或孔内注浆花管），将水泥粉煤灰浆液（或其它充填液材料）注入采空区及其上覆岩体裂隙中，浆液经过固化，胶结岩层裂隙带，同时采空区的浆液结石体对其上覆岩层形成支撑作用，阻止沉降，保证地基的稳定。充填率越高，各钻孔所注浆液在采空区形成的结石支撑面越大，裂隙胶结率越高，治理质量越有保证。［1］

钻孔至采空区底板终孔，终孔孔径不小于φ91cm，在进入完整基岩6m以上至地表段水泥浆浇铸封闭套管与孔壁间隙。注浆前后泵入清水洗孔，浆液先注稀浆后注稠浆，稀浆约占单孔注浆量的30％，注浆量过大可采取间歇注浆、在浆液中添加速凝剂、孔口投砂等措施，直到当封闭孔口灌浆量小于70L/min，孔口压力在1.0～1.5MPa，并稳定10～15min；或当注入一定浆量，孔口压力不小于0.3MPa，若出现地表裂隙仍大量跑浆时，单孔注浆结束。设计制浆材料重量配比为水泥∶粉煤灰=30∶70或25∶75或20∶80；水固比=1∶1.0～1∶1.4。6个月后钻探和物探检测，要求结石体岩芯强度不小于0.3MPa，横波波速大于 160m/s。［1］

2 浆液正循环花管注浆与裸孔注浆对比

传统的注浆方法是孔口封闭裸孔注浆，浆液从孔口直接向裂隙带冒落带单向流动。对冒落注浆孔，如果孔底浆液流动不畅通，孔内积聚浆液中的粉煤灰在重力作用下沉淀，很快堵死浆液通道，孔口压力急剧升高，不能再注浆，无法疏通，造成注浆孔报废。对排风空洞掉钻孔，浆液在孔内受高压气流阻挡，流量小，黏附在孔壁的浆液不断凝结，直至封闭钻孔主通道，不能注浆，造成注浆孔报废。对煤柱边缘钻孔，孔内沉淀的水泥柱（裸孔注入的水泥浆遇孔内清水后稀释沉淀造成）隔断压力向孔底煤柱孔壁的传递，不能高压突破边缘孔壁通道。据不完全统计，采用裸孔注浆法治理采空区，最多有15％的空洞掉钻钻孔，除排风孔外，注浆量很大，适合使用；70％的冒落带钻孔，钻进终孔时漏失量严重、终孔无水位、清水洗孔20分钟孔内仍无水位，而注浆时吃浆量轻微，出现堵塞事故；15％的煤柱钻孔中，煤柱边缘钻孔100％不能高压突破孔底煤柱孔壁。

浆液正循环花管注浆，如同冲洗液正循环钻孔一样，孔内注浆花管下到孔底，孔口不封闭（终止注浆时仍实行孔口封闭压力注浆），浆液自孔底注浆花管向裂隙带冒落带、孔外双向流动。对冒落注浆孔，孔底通道不畅时，浆液经孔底段注浆花管一部分流过裂隙或冒落带通道，一部分沿钻孔上返经注浆管外环状间隙流回储浆搅拌池。孔内粉煤灰在浆液上返流速携带作用下一直处于悬浮状态，不停泵就不会发生因粉煤灰沉淀堵塞事故。当孔内出现返浆或返浆量增大时，为防止通道内粉煤灰堵塞，可不停泵泵入清水从孔底直接冲刷疏通裂隙或冒落带通道。对排风空洞掉钻孔，浆液经孔内注浆管直接进入空洞，注浆管外环状间隙仍能排出气流，不影响管内浆液流量，不会因浆液黏附孔壁封闭钻孔主通道。对煤柱边缘钻孔，没有沉淀的水泥柱（从孔底注入水泥浆可把孔内清水全部排出孔外，水泥浆不会被稀释沉淀），浆液压力直接作用于孔底煤柱孔壁，利于边缘煤柱孔壁的高压突破。采用浆液正循环花管注浆法，对各试验段工程统计，排风空洞掉钻注浆孔未发现钻孔主通道封闭现象；冒落带注浆孔，均能达到和超过单孔设计注浆量要求，未发生注浆孔报废事故；边缘煤柱孔通道突破率达78.5％。

3 浆液正循环花管注浆方案

粉煤灰越多、水越少、添加速凝剂越多，浆液流动阻力越大，浆液扩散半径越小，对裂隙带冒落带越易堵塞，但越能限制过远流动造成的过大浆液浪费。因此，不同阶段选择不同浆液配比（固相比和水固比、添加剂）才能有效预防堵塞事故，提高浆液充填率，减少浆液浪费，形成一定扩散半径的浆液结石体支撑柱，保证治理质量。方案选择依据钻进过程出现的掉钻、冒落、煤柱、孔口吸风、排风等现象综合判断确定。

（1）排风掉钻孔采用浆液正循环花管注浆。掉钻高度超过30cm，起始浆液配比选用水泥∶粉煤灰=25∶75，水固比由低到高间歇注浆（每注50m3左右间歇3h），每次间歇注浆前测量空洞高度的变化，如变化轻微，则浆液配制提高一级水固比；如使用水固比=1∶1.2浆液注浆间歇后，测量空洞高度仍无明显变化，则换用水泥∶粉煤灰=20∶80浆液水固比由低到高间歇注浆；如再使用水固比=1∶1.2浆液注浆间歇后，测量空洞高度仍无明显变化，则可在浆液里添加适量速凝剂，并结合间歇措施；当空洞高度小于10cm时，停止添加速凝剂，再次换用配比水泥∶粉煤灰=25∶75、水固比=1∶1.2浆液间歇注浆；如孔口压力表显示有压力后，必须换用配比水泥∶粉煤灰=30∶70、水固比=1∶1.0浆液连续注浆，直至达到注浆结束标准停注。

（2）煤柱边缘钻孔终孔提钻前必须采用正循环清水洗孔。注浆前先孔口封闭裸孔泵清水，高压大泵量清洗裂隙通道。之后采用浆液正循环花管注浆法泵满水灰比0.5的水泥浆，排除孔内清水，再封闭孔口压力注浆，直至达到注浆结束标准停注。如突然失去压力，长时间注浆不起压，则说明高压突破边缘煤柱孔壁，打开裂隙通道，换用配比水泥∶粉煤灰=30∶70、水固比=1∶1.0浆液连续注浆，直至达到注浆结束标准停注。

（3）冒落注浆孔必须采用浆液正循环花管注浆。起始选用水泥∶粉煤灰=30∶70、水固比由低到高间歇注浆，并在浆液中添加适量增粘剂。每间歇注浆前后必须清水冲洗钻孔，防止通道堵塞。每次间歇注浆前测量孔内浆面位置的变化，如变化轻微，则浆液配制提高一级水固比；当使用水固比=1∶1.3浆液注浆，孔内浆面位置仍不见明显提高时，则换用配比水泥∶粉煤灰=25∶75、水固比由低到高间歇注浆；一旦发现孔内浆面位置明显提高，返浆量加大，立即不停泵泵入清水冲刷疏通裂隙或冒落带通道，当孔内浆面明显下降时，换用配比水泥∶粉煤灰=30∶70、水固比=1∶1.0浆液连续注浆，直至达到注浆结束标准停注。

4 应用实例证明浆液正循环花管注浆法能保证治理质量

山西太（原）至长（治）高速公路常村煤矿段采空区治理工程，为解决冒落带注浆堵塞事故，进行3个冒落带钻孔注浆试验。三个孔终孔时均无水位，无掉钻现象，孔间距50m，泵入清水洗孔，各注100m3水，孔内仍无水位。三孔起始注浆均使用配比水泥∶粉煤灰=30∶70、水固比=1∶1.0浆液。1号孔采用浆液正循环花管注浆法，当使用水固比=1∶1.1浆液注浆，发现孔内浆面上升甚至孔口返浆，立即清水洗孔，孔内浆面下降后使用水固比=1∶1.0浆液再连续注浆，用浆1880 m3，压力逐步提高，泵量逐步减少，正常达到注浆结束标准。2号孔裸孔注浆，起始注约4 m3，孔内浆满急剧起压不能再注。2号孔原孔位重新扫孔终孔后，泵入清水洗通裂隙和冒落带通道，再用浆液正循环花管注浆，用浆1470m3，达到注浆结束标准。3号孔裸孔注浆256 m3，孔内浆满急剧起压不能再注。试验说明两种注浆方法注浆量差别悬殊，采用浆液正循环花管注浆法能保证治理质量。

山西长（治）至晋（城）高速公路池里煤矿段采空区治理工程，63号注浆孔掉钻55cm，孔内向外吹风。采用裸孔注浆法，起始注浆压力0.6MPa，泵量小，注浆慢，注浆两天后，打开孔口封闭装置时，孔口喷出6m高的浆液，套管内径由φ127mm缩到φ46mm，管壁是浆液固结体。扫孔后换用浆液正循环花管注浆法，花管下至空洞顶板下20cm处，正常注浆842m3，有效解决注浆孔封闭事故。

山西离（石）至军（渡）高速公路师婆沟煤矿段采空区治理工程，11号注浆孔是煤柱孔，钻进中冲洗液漏失轻微，从孔位坐标和煤矿开采图可确定，此孔位于保安煤柱边缘。裸孔封闭孔口清水打压，压力最高1.6MPa，泵量90L/min。换用浆液正循环花管注浆法，花管下至孔底，孔内注满水灰比0.5的水泥浆，封闭孔口打压，当压力升至4MPa时，突然失去压力，最大泵量注入孔内，边缘煤柱孔壁被高压突破，本孔最终注浆量467.5m3。本工程7个煤柱边缘孔均采用浆液正循环花管注浆法，注浆量分别为467.5m3、489.5m3、616m3、539m3、1160.1m3、56 m3、151.2 m3，前5个孔成功突破边缘煤柱孔壁，有效保证了边缘煤柱孔的注浆质量，后2个孔有效保证了裂隙带注浆质量。

5 钻探物探检查证明浆液正循环花管注浆法能保证治理质量

太（原）至长（治）高速公路常村煤矿段采空区治理试验工程，对采用裸孔注浆的3号孔钻探检查。在距原孔位1m处钻孔，钻至冒落带后，岩芯破碎，孔内完全无水位（孔内没有液体介质，不能进行波速检测），通过孔内空芯钻杆再连续注浆（与浆液正循环花管注浆的原理相同），累计注浆1422 m3，压力逐步提高，泵量逐步减少达到注浆结束标准。说明裸孔注浆裂隙带或冒落带，充填率严重不足。同样对采用浆液正循环花管注浆的1号孔钻探检查，直钻至采空区底板，冲洗液没有漏失，固结体岩芯完整。物探波速检测，冒落带和裂隙带横波波速均超过设计要求160m/s，试验检测评价（见表1）说明浆液正循环花管注浆裂隙带或冒落带，充填效果明显，保证治理质量。

表1 太长高速公路试验检测结果评价表Table 1 Results of the tests taken on Taiyun-Changtai Expressway

6 编后语

裸孔注浆工艺治理采空区的弊病愈来为广大设计者和施工者注意，但因多种原因，各采空区治理项目工程设计一直没有规范化，仍沿用裸孔注浆法没做优化改进。即使个别工程项目在施工中变更优化了设计方案，但下一工程项目另一设计者又退回原始的设计方案。设计工艺的弊病必然造成治理后仍存在大量空洞区，返修提高成本保证质量、弄虚作假牺牲质量。希望能推广全充填浆液正循环花管注浆工艺治理采空区。

［1］山西省交通厅中交通力公路勘察设计工程有限公司.高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册［M］.北京：人民交通出版社，2005：150-158.