公路采空区处治浆液扩散分析研究

窦随兵，张永波

（1.山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032；2.太原理工大学，山西 太原 030024）

1 研究意义

《采空区公路设计与施工技术细则》[1]（D 31-03—2011）注浆量公式：

式中：R 为浆液有效扩散半径，m，取 1/2 孔距；M 为矿层平均采出厚度，m；ΔV 为采空区剩余空隙率，%；K 为回采率，%；A 为浆液损耗系数；η 为充填率，%；c 为浆液结石率，%；α 为岩层倾角，（°）。

可以看出，浆液的有效扩散半径（浆液扩散距离），直接影响采空区注浆量，进而决定采空区处治工程规模与工程造价。因此，研究浆液的扩散规律，控制影响浆液扩散距离的因素，具有重要的意义。

2 公路采空区处治浆液扩散分析研究

2.1 试验装置与材料要求

试验装置由实验箱、注浆系统、量测系统等三部分组成。

注浆材料由水、水泥、粉煤灰组成。

2.2 浆液扩散距离影响因素

在采空区注浆中，影响浆液扩散距离的主要因素有注浆压力、受注体的空隙率及浆液水固比三方面。

2.2.1 注浆压力对浆液扩散距离的影响

试验选取水固比0.5 与空隙率24.8%、水固比1.1 与空隙率35.1、水固比1.7 与空隙率45.2%，研究浆液扩散距离随注浆压力不同而发生变化的规律。

表1 浆液扩散距离与注浆压力关系表

图1 浆液扩散距离与注浆压力关系

从表1 和图1 看出，随着注浆压力的增加，浆液扩散距离随之增加，以水固比1.1，孔隙率35.1%为例，注浆压力每增加单位压力（0.01 MPa），浆液扩散距离约增加0.09 m，扩散距离受注浆压力影响较小。

2.2.2 水固比对浆液扩散距离的影响

试验选取注浆压力0.2 MPa 与空隙率24.8%、注浆压力 0.3 MPa 与空隙率 35.1%、注浆压力0.4 MPa 与空隙率45.2%三种压力与空隙率条件下，研究浆液扩散距离与不同水固比而发生变化的规律。

表2 浆液扩散距离与水固比关系表

图2 扩散距离与水固比的关系图

从表2 和图2 看出，随着水固比的增加，浆液扩散距离越远，但扩散距离随浆液水固比的增大而增大，以注浆压力0.3 MPa，孔隙率35.1%为例，注浆水固比每增加1 个单位（0.1 m），浆液扩散距离约增加0.29 m，即浆液的扩散距离受水固影响比较大。

2.2.3 介质空隙率对浆液扩散距离的影响

试验选取注浆压力0.2 MPa 与水固比1.0、注浆压力0.3 MPa 与水固比1.5、注浆压力0.4 MPa 与水固比2.0 三种条件下，研究浆液扩散距离随空隙率不同而发生变化的规律。

表3 浆液扩散距离与空隙率关系表

从表3 和图3 看出，浆液扩散距离随介质空隙率的增加而增加，以注浆压力0.3 MPa，水固比1.5为例，空隙率每增加1 个单位（1%），浆液扩散距离增加0.13 m，浆液的扩散距离受介质空隙率的影响也较大，但增加的幅度介于水固比和注浆压力增加幅度之间。

图3 扩散距离与介质空隙率的关系图

将试验结果进行多项式回归分析，即可得注浆扩散距离T 与水固比m、介质空隙率n、注浆压力P之间的关系：

在注浆压力、水固比和介质空隙率3 种因素中，影响浆液扩散距离最为显著的因素是水固比，其次是介质空隙率，注浆压力对浆液的扩散半径影响相对较小。

2.3 浆液扩散距离影响因素的分析

试验过程中，某钻孔注浆时, 当孔口压力在0.2 MPa 时，浆液由该孔西侧约 20 m 处水沟冒出；另外钻孔注浆时，当孔口压力在0.5 MPa 上下波动时，浆液自邻近孔喷出；喷出孔注浆时, 当孔口压力达到0.4 MPa ，在距该孔40 m 地表处出现冒浆。说明当孔口压力达到0.5 MPa，浆液通过采空区或上覆岩层裂隙能充填到20 m 以外，即浆液扩散半径能达到 20 m 以上[2]。

3 注浆量公式的修正

通过以上分析研究，结合公路采空区注浆工程实例，《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/T D 31-03—2011）采空区单孔注浆量公式修正为：

式中：B 为注浆压力、空隙率及水固比综合修正系数，%，取值0.95～1.15，注浆压力、空隙率及水固比增大时，B 取高值；反之，取小值。

公式其他符号意义同前。

该修正后采空区注浆量公式，通过多个采空区处治工程项目检验，其设计值与实际注浆量接近。

4 结论

通过研究与工程检验，浆液扩散距离T 与浆液水固比m、介质空隙率n、注浆压力P 之间的关系：

比较注浆压力、水固比和介质空隙率3 种因素影响规律，影响浆液扩散距离最为显著的因素是水固比，其次是介质空隙率，注浆压力对浆液的扩散半径影响相对较小。根据理论计算与工程实例验证，把规范中注浆量计算公式进行了补充与修正。