煤层采空区注浆投砂全充填处治施工工艺

高文宗

(中铁二局股份公司工程部,四川成都610031)

高速公路下伏采空区危害性大、治理技术众多[1]，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[2]规定，高速公路下伏采空区治理一般采用充填法治理。充填法狭义上只指从坑内外通过车辆运输或管道输送废石、河砂、尾砂等充填采空区，广义上还包括垃圾、粉煤灰、废液等充填采空区[3]。

煤层采空区注浆投砂全充填处治施工工艺，是在地表打孔，将水泥粉煤灰混合浆液注入采空区及其上覆盖层岩体裂隙(若采空区冒落)中，利用浆液将大量的砂(占总注浆量的50%以上)带入采空区，对采空区全充填。浆液经过固化可胶结岩层裂隙带，同时采空区内的浆液形成结石体对其上覆盖层形成支撑作用，达到降低地基变形提高地基稳定性的一种方法[4]。

1 工艺特点及应用范围

该施工工艺简单，所需机械设备简单，施工作业简便。相对其他工艺，成本较低，效果显著。施工周期短，有利于后续工程的施工。本工艺适用于尚未或局部冒落塌陷的采空区和其他较大的地下空洞。

2 工艺原理及设计要求

2.1 工艺原理

通过对采空区注入水泥粉煤灰混合浆液和砂，采用速凝剂控制浆液扩散半径，用加压注浆的方法达到全充填的效果；浆液和砂形成的结石体，对其上覆盖层形成支撑作用，达到降低地基变形提高地基稳定性的作用，从而确保地面结构物的稳定和安全。

2.2 工艺设计要求

成孔采用二序钻孔，间隔钻孔，成孔后用水泥砂浆浇注孔口管。

注浆投砂工艺要求如下。

(1)浆液材料：水、水泥、粉煤灰、速凝剂(采用水玻璃)等材料以满足结石体强度和方便投入孔为宜。由试注试验获得浆液流量、投砂速度、间隙注浆的时间、机具型号等指标参数，用以指导施工。

(2)终孔标准。当注浆压力达到设计要求值(1～1.2 MPa)，泵浆量达到设计要求(70～100 L/min)且稳定10～15 min时，该孔注浆结束。

3 工艺流程及操作要点

煤层采空区注浆投砂的全充填处治施工工艺流程见图1。

图1 工艺流程

3.1 施工准备

3.1.1 临时设施建设

清理平整场地，确保道路畅通，合理布设蓄水池、一级和二级搅拌池，铺设好浆液管路。

3.1.2 施工放样

按设计孔位施工放样，偏差值≤1.0 m。

3.1.3 计划备料

根据每孔所需材料数量和施工进度，计算储备材料数量，设计库房大小，做好防雨防潮。

3.1.4 制备浆液

详见制浆流程图2。

图2 制浆流程

3.2 施工工艺

3.2.1 计算单孔注浆量

Q=A·π·R2·m·ΔV·K·η/C

式中：Q为单孔注浆量(m3)；A为单孔注浆量浆液损耗系数，取值1.0～2.0之间；R为浆液有效扩散半径，按孔距的一半计算(m)；m为采空区煤层厚度(m)；ΔV为采空区剩余空隙率，取值在0.2～1.0之间。K为煤层采取率。η为注浆充填系数，取值在0.75～0.95之间。C为浆液结石率，取值在0.7～0.95之间。

3.2.2 成孔

(1)使用φ146 mm钻头开孔，钻至稳定基岩3～5 m处，变径为89 mm，继续钻至塌陷冒落带或采空区顶板终孔，用钻杆测量掉钻深度，用以推测采空区高度，验证调整设计。

(2)在钻进过程中，第四系松散层采用泥浆护壁；基岩中应采用清水钻进。

(3)钻孔施工过程中，如发现漏水、掉钻、埋钻等现象要详细记录其深度、层位和耗水量。

3.2.3 浇注孔口管

注浆投砂管采用φ76PVC管(钢管)，下端2 m处接φ130 mm法兰盘，下至孔内变径处，放入少量黄土后灌入水灰比为1∶1.5的水泥砂浆(加2 %速凝剂)，浇铸长度为8 m。

3.2.4 注浆投砂工艺

(1)连通管路。在孔口连接两通(连接投砂器和注浆管)。试验证明将注浆管口位适当下移，培土成土漏斗，既方便又能大大加快投砂速度。

(2)先稀后浓法注浆。①采用先稀后浓法注浆。稀浆灌注量取单孔注浆量的30 %，但平均水固比不宜低于设计最小水固比。当灌注量达到30 %左右时，孔口若无压力，则改用浓浆灌注；当注浆量达到60 %时，孔口仍无压力，采用间隙注浆或在浆液中加入水泥重量2 %的速凝剂。②帷幕孔施工时，在浆液中加入水泥重量2 %的速凝剂，加速凝固，若仍不起压，可加入适当的砂或加大速凝剂的用量。③在注浆的末期，采用加压注浆，仅注浆液。

(3)投砂工艺。①投砂方式：采用装载机运输，人工配合投砂，以浆液带砂的方法投入到采空区。②投砂量的控制：根据设计投砂量和浆液流量计算单位时间的投砂量，浆液流量决定投砂的速度，单位时间的投砂量控制总的投砂量。③用装载机将砂堆积在土漏斗上方，高度以方便人工操作为宜，因采空区大且气体流通，加之浆液的下坠，几乎没有发生堵管。④随着浆液浓度的增加，逐渐减少投砂量，孔口起压后，停止投砂。

3.2.5 封孔

用钻机拔起注浆管，对于埋深较深的孔，用价格便宜的PVC注浆管较为经济。用水泥砂浆封孔，防止雨水及地表水和采空区上伏含水层渗入采空区。

3.2.6 工后注浆质量检测

工后质量检测采用为钻探和物探结合的综合评价法。

4 质量控制措施

(1)定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据。

(2)个别钻孔尤其是帷幕孔如果长时间不起压，可加大投砂量或速凝剂的用量。若仍然不起压，应停止注浆，分析是否有漏浆等原因，采取间歇注浆等相应的措施。

(3)为防止堵孔，应避免在短时间投入大量的砂，投砂量应控制在设计规定值内。

(4)当注浆量较大采用间歇式注浆法施工时，间歇前后需用清水冲洗孔10～15 min。

(5)注浆中后期，个别钻孔会出现吃浆量减少，压力上升较快的情况，应减少或停止投砂，可采取稀浆小泵量长时间注浆，以确保浆液均匀压入。

(6)为确保帷幕孔止浆效果，帷幕孔的注浆量可根据具体的孔内情况进行调整。对第一序次钻孔，其注浆量根据钻孔资料，按理论计算量的1.3～1.5倍考虑。

(7)注浆投砂过程中若出现地表裂隙大量跑浆，相邻钻孔串浆时，应立即采取间歇式注浆、多孔交替注浆或多泵同时注浆工艺。

采用此工艺施工，在榆神高速公路采空区的治理中取得了良好效果，各项指标满足设计要求，证明了该工艺是一种简单、经济、适用、高效的采空区治理施工方法。

[1] 童立元，刘松玉，邱钰.高速公路下伏采空区危害性评价与处治技术[M].南京：东南大学出版社，2006

[2] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社,2000

[3] 李俊平，肖旭峰，冯长根.采空区处理方法研究进展[J].中国安全科学学报，2012,(3)

[4] 河南高速公路发展有限责任公司，河南省地球物理工程勘察院.高速公路下伏采空区治理工程——勘察设计、施工、监理、招投标[M].北京：人民交通出版社，2008