采空区处治成套注浆系统工艺改进及效益分析

武 恒 张晶亮 刘云江

(山西建设投资集团有限公司，山西太原 030000)

0 引言

随着环境形势的日益严峻，新时期的工程建设不仅要满足社会要求，更要注重环境保护，节能减排。注浆充填技术作为国内外治理采空区最为常用的处治手段［1］，一般选用水泥、粉煤灰作为充填材料［2］，通过浆液的凝固形成支撑体保证上覆岩层的稳定［3］。注浆工艺及注浆站的建设是整个注浆过程的核心。成套注浆系统是指运用全充填压力注浆法注浆时，从浆站选址、水源选取、材料存储、浆池水池建设、注浆等整套施工系统。传统成套注浆系统由于成本、环保等问题，已不能满足现代施工要求。

本文分析了进行工艺优化和改进后的新型成套注浆系统，从浆站的选址到注浆设备的更新，充分应用数字化系统，解决了传统注浆系统存在的诸多问题。

1 工程概况

国道G342晋城市过境段改线工程采空区治理段总长12.1 km，东起 K6+800，西至 LK6+840，K10+824 ～K11+600 段采空区处治地段地处山西省东南部，晋城市西北部，受区域构造控制，区内地貌按成因可分为构造剥蚀地貌、山麓斜坡堆积地貌、河流侵蚀堆积地貌三大类型，河流侵蚀堆积地貌地形宽阔平缓，微地形以河床、河漫滩、Ⅰ，Ⅱ级阶地为主，地貌形态简单。地下大面积的采空区已存在塌陷和裂隙。K10+824～K11+600段采用全充填压力注浆法［4，5］，设计钻孔总数 855 个，其中帷幕孔130个，注浆孔707个，检查孔18个，钻孔总延米数为161 694 m，注浆量为247 551 m3。桥梁段帷幕孔孔距为10 m，路基段帷幕孔孔距为15 m。注浆孔孔距为15 m～20 m。

2 成套注浆系统工艺改进

以往成套注浆系统在确定浆站位置后，采用砖、石等材料进行浆池、水池砌筑，水源选取一般选用自来水、井水进行钻孔、注浆施工。水泥、粉煤灰露天或建设厂棚进行大面积存储，通过铲车和人工配合进行上料和计量。这种系统在机械、人工使用方面成本投入巨大，建设厂站等设施所需材料达不到循环使用，工期较长，质量难以把控，很难满足国家提倡的绿色、生态、节能、环保等要求。基于此对传统成套注浆系统进行改进，并运用于K10+824～K11+600采空区处治段，取得了显著的经济效益和社会效益。

2.1 浆站选址和水源选取

浆站选取位置时考虑选取在注浆范围的中部位置，且尽可能选择在地势平坦的高处，既节约输送管道的平均长度，又可充分利用地势优势通过浆液的重力流作用输送到注浆区域，大量减少用泵用电量的同时防止管道堵塞，减少冲洗疏通管道次数。

水源应尽量寻找周边的地表水，如河流、湖泊或水库等，确保水源充足。另外，也可充分利用附近厂矿企业排放的工业废水，要求其所排出废水的pH＞4，且不具有污染土壤的性质，即可作为采空区处治的工程用水水源。

2.2 浆池水池制作

浆池选用5 mm厚钢板统一焊接成圆柱筒体(也可考虑采用塑料、铝制作)，周边环形钢筋加固，直径约为2.5 m，池高2.5 m，最大储量约为12 m3。浆池上口封闭防护采用钢筋篦子，篦子四周焊接挂钩，预制钢池的边缘可焊接小圆管，挂钩直接挂到小圆管内，有效保证钢筋篦子稳固。钢池预先做成直径大小不一的“套娃式”，根据钢板厚度相邻大小直径相差20 mm为最佳，运输和存放时可由内而外连环相套，节约空间。

水池采用5 mm钢板焊接成矩形，浆站设一大一小两个钢水池，大水池放置在地势较高处，为钻孔和小水池提供水源，矩形水池周边堆土防护和加固，内部采用［10槽钢、L50×5角钢和DN50钢管拉结支撑加固，并涂刷防锈漆。小水池放在搅拌浆站旁边，为拌制浆液提供水源。水池容积应满足日需水量要求，大水池通过DN150钢管连接水源地和小水池，小水池与搅浆池通过时间流量控制系统管道控制拌合用水量，见图1。

图1 预制浆池、水池

2.3 成套数字化设备

上料时将人工、铲车上料方式改进为数控台操作自动计量系统上料，在数控台键入每盘配合料投放量，水泥和粉煤灰由罐内通过螺旋输料管道到达称重料斗，当重量达到预设重量时，螺旋输送自动停止，料斗内材料在电子传感器的自动控制下打开下料阀门投入一级浆池并进行搅拌，数控台统一操作加水，由时间流量控制系统控制每盘用水量。一级搅拌完成后打开底闸通过高差流入二级浆池，添加速凝剂后(如需要时)经过安装有校核压力表的注浆泵从注浆管道经电子流量计输出浆液，进入地层之前在地表处注浆管道上安装检测压力表进行注浆压力的测试，进料、出浆均由电子计量设备把控，实现材料用量的准确，注浆浆液稠度均匀。整个注浆过程在远程监控下完成，保质保量，安全可靠，见图2。

图2 自动计量系统

3 效益分析

3.1 进度效益

在进度方面，浆站安装监控系统，可显示实时画面，从网络远程即可查看操作控制，实时掌握工程进度情况;预制浆池采用钢板焊接，如果遇到征地拆迁影响进度时，可提前预制，进度上要优先于砖砌、石砌搅拌池;粉煤灰采取立罐方式存储，罐可租赁或由水泥厂提供，进场直接吊装，比搭设厂棚快捷，大量节省时间;供料方面采用自动计量系统，无需人工、机械操作，实现供料自动化，大大减少供料所需时间，推动工程进度。

3.2 质量效益

在质量方面，预制浆池采用钢板制作，相比传统石砌、砖砌浆池，有效避免水分渗漏流失，保证浆液的配合比稳定;自动计量系统在投放水、水泥、粉煤灰等原材料方面确保准确无误，保证了材料的用量;在浆池的出浆口安装电磁流量计系统，可实时掌握注浆量，配合压力表同时控制注浆量和注浆压力，保证填充率。

3.3 安全效益

在安全方面，预制浆池可有效避免浆液渗入水泥罐地基，保证地基稳定;浆池顶部安装钢筋簏子，篦子四周焊接挂钩，钢池边缘焊接小圆管，挂钩直接挂到小圆管内，在稳定性、安全性方面要好于砖砌、石砌浆池;浆池在制作时做成大小不一的“套娃式”，由内而外连环相套，运输更加稳定、简便安全;数控系统上料避免了机械上料可能对人工造成的伤害，整个浆站处于监控系统下，发现安全隐患可及时排除。

3.4 经济效益

在经济方面，钢制浆池、水池在工程结束后可实现循环使用;自动计量系统实现了人工智能化操作，只需控制数控台即可实现配料、注浆工作，降低了人工、机械使用费;钢制水池安置在地面以上进行对接支撑加固，无需制作护栏，且安置在地面高点，在钻孔和注浆过程中大量水和浆液可通过自重流送达，减少了水泵负荷，降低了用电成本;粉煤灰采用罐装，相比较建设厂棚，费用大大降低。

3.5 节能、环保、绿色施工效益

在节能环保绿色施工方面，水源选取(有条件时可采用):一般煤矿采空区周边会有洗煤厂，可就近选取洗煤厂排出的洗煤用水，其pH＞4，符合注浆用水要求;其次，选取附近地表水(如河流)，保证用水量需求的同时，减少地下水资源消耗和污染;预制钢浆池、水池可重复周转使用，节约材料;石砌、砖砌浆池仅能实现一次性使用且对环境、土地有一定污染;水泥、粉煤灰罐装运输、现场立罐储存、螺旋管道输送、封闭式制浆站等在环保方面实现了防尘防污染控制，厂站现场可不必安装喷淋系统、雾炮系统;粉煤灰采用罐装相比较建设厂棚造价降低，且所需占地小，无需场地硬化，减少圬工作业污染土地和建厂棚钢材消耗;供水管线采用DN150钢管供水系统，确保用水量供应，且密封承压性能好，可周转使用。

3.6 智能化运用

改进成套注浆系统配置了电磁流量计、压力表、自动供料系统、监控系统等，在保证安全、提升质量、加快进度和降低成本方面效果显著，且处处能体现节能、环保和绿色施工。

4 实例分析

国道G342晋城市过境段改线工程K10+824～K11+600段采空区处治范围，运用改进的成套注浆系统，在成本上实现了极大的节约，并满足了质量、进度、安全、节能、环保、绿色施工等效益，见表1。

表1 成套注浆系统改进前后施工成本比较

5 结语

改进的成套注浆系统，投入较少的工、料、机，解决了传统成套注浆系统存在的诸多问题，实现了自动化、机械化、工厂化、集约化、智能化，达到了加快工期、确保安全、保证质量、降低成本、节能减排和绿色施工等目标，不仅为采空区处治工程提供了新的成套注浆系统，更运用到实际工程。事实证明改进的成套注浆系统可以进行推广使用，可能成为日后采空区注浆充填治理的新方式。