采空区注浆材料配合比试验研究

张 磊，李其锐

(1.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001；2.中国能源建设集团投资有限公司山西分公司，山西 太原 030021)

0 引言

利用采空区上部土地作为建设用地前需对采空区进行安全性评价与治理。采空区工程治理方法分为注浆法、干(浆)砌支撑法、开挖回填法、巷道加固法、强夯法、跨越法和穿越法等。对于深部采空区，注浆法治理是最有效且广泛使用的方法。采用注浆法治理煤矿采空区时，注浆材料、配合比的选择存在诸多不确定性，其参数取值对工程造价影响较大。本文利用目前常用的注浆材料，按多种配合比对强度、凝结时间等进行试验，并与注浆后实测的抗压强度对比，得到配合比规律，为采空区注浆治理提供技术支撑。

1 注浆材料配合比试验

我国陕西省和河南省交界处的某新建变电站站址地处小窑采空区，回采率较低，需进行采空区治理。采空区治理采用注浆法，注浆材料为水泥、粉煤灰、速凝剂和水等。其中，水采用普通自来水，水泥为42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为Ⅲ级粉煤灰，均从工地现场提取。在配合比试验前对材料进行了原材检验，水泥符合我国GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》相关规定，粉煤灰符合我国GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》相关规定，用水玻璃作为速凝剂，检测符合相关标准规定。由于采空区治理一般要求将空洞填充，对强度要求较小，故目前配合比中的水泥含量普遍较小，根据采空区上部不同结构选取不同的水泥含量及配合比[1]。为得出规律性结果，本文将目前常用和不常用的配合比均考虑到，得到不同配合比下的强度、结石率和凝结时间等参数，具体的质量配合比见表1～表3所列，表中均为基本配合比，在此基础上另有不添加水玻璃、添加2%水玻璃、添加3%水玻璃、添加5%水玻璃等配合比[1-2]。

表1 水泥粉煤灰固相2∶8基本配合比

表2 水泥粉煤灰固相3∶7基本配合比

表3 水泥粉煤灰固相4∶6基本配合比

2 试验结果

根据试验情况，得出了不添加水玻璃及添加多种剂量水玻璃情况下的凝结时间、结石率及抗压强度等试验结果。限于篇幅原因，本文只列出了不添加水玻璃情况下的试验结果，详见表4～表6所列。由表4～表6可知，水固比中的固态物质含量越大，其凝结时间越短，结石率越大，抗压强度越大；水泥粉煤灰中的水泥含量越大，其凝结时间越短，结石率越大，抗压强度越大。

表4 水泥粉煤灰固相2∶8试验结果

表5 水泥粉煤灰固相3∶7试验结果

表6 水泥粉煤灰固相4∶6试验结果

3 试验结果分析

3.1 凝结时间

不添加水玻璃情况下，相同水泥粉煤灰固相比下浆液初凝时间随着水固比从1∶0.8～1∶1.3均呈线性减小。水泥粉煤灰固相为2∶8时，水固比1∶0.8时浆液初凝时间为21.08 h，水固比为1∶1.3时，初凝时间为17.27 h。相同的水固比情况下浆液初凝时间随水泥粉煤灰固相比从2∶8～4∶6逐渐减小。水固比为1∶0.8时，水泥粉煤灰固相比为2∶8时浆液初凝时间为21.08 h，水泥粉煤灰固相比为4∶6时浆液初凝时间为18.33 h。

添加2%水玻璃、添加3%水玻璃、添加5%水玻璃情况下，水泥粉煤灰固相比为2∶8时，水固比为1∶0.8时的浆液初凝时间为20.17 h、19.20 h和17.03 h，水固比为1∶1.3时的浆液初凝时间分别为17.10 h、16.46 h和14.13 h。水玻璃在添加到5%时，浆液初凝时间有明显缩短。在不添加水玻璃、添加2%水玻璃及添加3%水玻璃情况下，浆液初凝时间变化不大。浆液终凝时间随水泥粉煤灰固相比及水固比的变化规律与初凝时间相同，浆液终凝时间在相同条件下较初凝时间增加2～3 h。浆液凝结时间随水固比变化及随水玻璃变化如图1～图4所示。

图1 初凝时间随水固比变化图

图2 终凝时间随水固比变化图

图3 初凝时间随水玻璃变化图

图4 终凝时间随水玻璃变化图

3.2 结石率

不添加水玻璃情况下，相同水泥粉煤灰固相比浆液结石率随着水固比从1∶0.8到1∶1.3均呈近似线性增加。水泥粉煤灰固相为2∶8时，水固比1∶0.8时浆液结石率为82%，水固比为1∶1.3时，浆液结石率为97%。相同的水固比情况下浆液结石率随水泥粉煤灰固相比从2∶8到4∶6逐渐增加，但变化很小。当水固比为1∶0.8时，水泥粉煤灰固相比为2∶8时浆液结石率为82%，水泥粉煤灰固相比为4∶6时浆液结石率为84%。说明浆液结石率受水固比的影响较大，受水泥粉煤灰固相比影响小基本可忽略不计。

添加2%水玻璃、3%水玻璃和5%水玻璃情况下，水泥粉煤灰固相比为2∶8时，水固比为1∶0.8时的浆液结石率为85%、85%、85%，水固比为1∶1.3的浆液结石率为99%、98%、99%。说明水玻璃的添加量不影响结石率大小。结石率随水固比变化及随水玻璃变化如图5～图6所示。

图5 结石率随水固比变化图

图6 结石率随水玻璃变化图

3.3 抗压强度

不添加水玻璃情况下，相同水泥粉煤灰固相比结石体7d抗压强度随着水固比从1∶0.8～1∶1.3均呈近似线性增加。但水泥粉煤灰固相比为4∶6时，其斜率较大。固相比为2∶8时，水固比为1∶0.8和1∶1.3时的结石体7 d抗压强度分别为2.1 MPa和4.6 MPa。相同水固比情况下的结石体7 d抗压强度随着水泥粉煤灰固相比从2∶8到4∶6逐渐增加，但水固比3∶7较2∶8增加幅度比4∶6较3∶7增加幅度小。当水固比为1∶0.8时，固相比为2∶8、3∶7和4∶6时的结石体7 d抗压强度分别为2.1 MPa、2.2 MPa和3.1 MPa。当水固比为1∶1.3时，固相比为2∶8、3∶7和4∶6时的结石体7 d抗压强度分别为4.6 MPa、5.0 MPa和8.4 MPa。可见，当水泥粉煤灰固相比达到4∶6时，其7 d抗压强度增加较多。

添加2%水玻璃、3%水玻璃和5%水玻璃情况下，水泥粉煤灰固相比为2∶8时，水固比为1∶0.8时的结石体7 d抗压强度分别为 1.7 MPa、1.4 MPa和 1.1 MPa， 水 固 比 为1∶1.3时的结石体7 d抗压强度分别为3.1 MPa、2.7 MPa和2.5 MPa。可见，水玻璃的添加量越大，结石体7 d抗压强度越小。

不添加水玻璃的结石体7 d抗压强度是添加5%水玻璃的结石体7 d抗压强度的2倍左右，说明添加水玻璃量对结石体7 d抗压强度影响较大。结石体28 d抗压强度随水泥粉煤灰固相比及水固比的变化规律同7 d抗压强度相同，28 d抗压强度在相同条件下较7 d抗压强度增加1～3 MPa。7 d抗压强度随水固比变化及随水玻璃量变化情况如图7～图8所示。

图7 抗压强度随水固比变化图

图8 抗压强度随水玻璃变化图

水泥粉煤灰固相为3∶7和4∶6情况下各指标随水玻璃变化规律与固相2∶8的情况相同。

3.4 试验结果分析

根据试验结果可知，水固比减小时，即水泥粉煤灰含量增大时，凝结时间逐渐减小，但随着水固比减小到1∶1.1时，其凝结时间随水固比减小的程度减小，说明固相达到一定程度，其凝结时间缩短得不明显。在不同水玻璃掺量情况下，凝结时间随水玻璃掺量增大而减小，但在添加量小于3%时，对凝结时间缩短的贡献不大；添加量达5%时，凝结时间有明显缩短，较3%添加量最大缩短2 h。

结石率受水固比的影响较大，受水泥粉煤灰固相比影响小，基本可忽略不计。水玻璃的添加量不影响结石率大小。

在水泥粉煤灰固相比及水玻璃相同情况下，7 d抗压强度随水固比的比值减小而增大，近似为线性变化。水泥粉煤灰固相比从2∶8到4∶6时，7 d抗压强度逐渐变大，当水泥粉煤灰固相比达到4∶6时，抗压强度增加幅度较大。水固比达到1∶1.3时，水泥粉煤灰固相4∶6时的抗压强度是3∶4时约2倍。水玻璃的添加量越大，则结石体7 d抗压强度越小。不添加水玻璃的抗压强度约为添加5%水玻璃抗压强度的2倍。水玻璃剂量对抗压强度影响较大。

3.5 经济性对比分析

根据现场询价，42.5硅酸盐水泥约416元/t，粉煤灰约124元/t，施工用水5元/t，水玻璃5元/kg，按每方浆液所采用材料数量及单价，得出每方浆液的材料价格，进行对比分析。

经过对比分析可知：水泥粉煤灰固相2∶8情况下，根据调节水固比，强度、结石率等均能满足设计要求。结石体相同强度下，水泥粉煤灰固相为3∶7和4∶6的情况下，单立方浆液材料价格比2∶8均偏贵。因此，建议固相比采用2∶8。

4 工程验证

本次试验所采用材料同某变电站注浆治理工程的材料，该工程设计文件要求采用水固比1∶1.1～1∶1.3，水泥粉煤灰固相比为2∶8，最终结石体强度要求大于0.6 MPa。经现场配合比试验，最终注浆采用水固比为1∶1.1，水泥粉煤灰固相比按2∶8。

通过钻孔取芯检测、孔内电视检测及位移沉降观测等手段对采空区治理效果进行了检测，检测结果满足设计要求。现场钻孔检测、孔内电视如图9～图10所示。

图9 现场钻孔检测代表图

图10 孔内电视效果图

通过钻孔取芯，测试结石体无侧限抗压强度Rc均值为0.89 MPa，最小值为0.65 MPa，检测结果满足要求。孔内电视判断，本次治理见岩石以下少见大张开裂隙，少见破碎掉落岩块，浆液充填较充盈，证明注浆治理有效。

在水固比为1∶1.1、水泥粉煤灰固相比为2∶8的情况下，在该新建变电站工程站址泥岩、砂岩情况下，结石体强度平均值为0.89 MPa。根据室内试验情况，在相同条件下，结石体28d抗压强度约为5.0 MPa。

5 结论

由试验结果可知，水固比越小，固态物质水泥含量越大，则浆液凝结时间、结石率及抗压强度均表现更好。但一般采空区的埋深大，上部建筑结构荷载基本不能传递到深部采空区，故对采空区结石体强度要求小，一般为0.5～0.6 MPa，上部结构为桥梁时也仅需要达到2 MPa，采空区注浆的主要作用是填充空洞，不需要大量使用水泥等材料增加强度。根据试验分析，水泥粉煤灰固相为2∶8，水固比为1∶0.9～1∶1.1时可以满足大部分采空区注浆的质量要求。

根据本次室内试验结果及对比实际注浆结果，不添加水玻璃和添加2%、3%水玻璃都对凝结时间影响较小，添加5%水玻璃时能够显著缩短凝结时间，但对结石体强度影响较大，不经济。在实际注浆过程中，如确实需要使用水玻璃建议使用量为2%～3%。考虑性价比，建议注浆配合比为水泥粉煤灰固相2∶8，水固比为1∶0.9～1∶1.1。若采空区注浆有特殊要求，可以进行现场注浆试验，以确定注浆配合比。