采空区注浆孔口封闭工法关键技术应用分析

王新建，付 和，卞 潇

（1.中色资源环境工程股份有限公司，北京101300；2.中色蓝图科技股份有限公司，北京 101300）

资源枯竭型城市的产业升级型式各种各样[1]，如地坑酒店、农业生态园和地质环境公园等，这些产业模式无不适应了当地的特点。阜新市新邱区采取了国际赛道公园的型式，无非是为了适应附近城市汽车行业的特点。而建设这些赛道公园，必须先要治理矿区的采空区。采空区治理通常采用自上而下或自下而上法灌注浆液充填，但是孔口封闭工法注浆[2]的优越性越来越受到重视。

孔口封闭工法出现于1983年，是我国自行研发的国家级工法[3]，其目的是为了实现高压注浆。形成过程是从预埋花管法依次转变成循环注浆法，后来为了适应地质条件，发展成为孔口封闭工法注浆。孔口封闭工法在水利工程界[4]应用越来越广泛，如乌江渡工程、青海龙羊峡水电站、贵州东风水电站、辽宁观音阁水库、湖北隔河岩水电站和青海积石峡水电站。

按照孔口封闭工法注浆的原理，孔口封闭工法适用于水电站大坝、水库、防洪大坝、风化岩体及软弱地基中的固结灌浆[5]和帷幕注浆[6]。目前已经有很多孔口封闭器的发明，使用孔口封闭器可以更方便地加大灌浆压力等，工艺先进，可以提高注浆质量和注浆效果，所以孔口封闭器的应用会越来越广泛，但本次治理并未使用孔口封闭器。

关于孔口封闭工法的应用，夏可风早已在《孔口封闭灌浆法讨论》中详细论述并列表比较。经过多年应用实践，该工法已经逐渐成熟，积累了不少施工经验。但是在矿区采空区充填治理过程[7]中，却很少采用孔口封闭法注浆。鉴于拟治理的采空区的地质情况和煤层分布情况，以中国阜新百年国际赛道城一期采空沉陷区的治理过程为例，详细分析了注浆充填治理采空区孔口封闭法的关键技术。

1 采空区治理的背景和概况

1.1 产业转型要求

露天煤矿在阜新市分布较广，新邱区赛道城建设区位于辽宁省阜新市新邱区露天煤矿开采区。阜新市地处辽西北生态脆弱地区，是典型的矿产资源枯竭城市。阜新市曾是国家建国初期重要的一大工业基地，为我国经济及工业发展作出巨大的贡献。新邱区曾为辽宁第一锹煤的开采地，区域遗留下的诸多巨大矿坑、沉陷区及大面积堆积的煤矸石山，带来了一系列生态与地质环境破坏问题。随着能源枯竭，为积极推进矿山地质环境恢复和综合治理工作，探索城市发展新道路[8-9]，新邱区人民政府提出：利用煤矿废弃矿坑建设赛道，规划、建设百年赛道城。根据《新邱区环境治理修复规划方案》，该城市将新邱区废弃露天矿区建设成阜新百年国际赛道城项目，采用“边治理边建设，以赛道为载体，以汽车赛事为核心”的理念，将生态环境独特的矿坑景观进行开发利用，以成就“百年阜新——中国赛道第一城”为发展愿景，着力打造成集巅峰赛事竞技场、赛事服务汇集地、汽车文化体验区和汽车科创引领级四位一体的特色城。

阜新市的转型目标非常宏伟，但矿区确实存在着一些采空区。由于项目开工时尚存的煤矿仍在开采，导致矿区发生了大面积的地裂缝、滑坡，给建设规划中的建筑工程带来了严重的安全隐患，必须采取有效的治理技术快速处理整治[10]。

1.2 采空区概况

矿区存在的矿山环境问题主要包括地质灾害隐患、自然灾害隐患、空气扬尘污染和采空区隐患等，其中采空区的治理是新邱区矿区治理的难点。

采空区位于生态治理科普展示中心及赛事服务中心采空区、汽车后市场孵化中心东南侧、3#采坑西北侧。采空区宽480.94 m，平均高度57.5 m，坡度35～60°，坡向70°，滑移方向为西北—东南；体积约为1120347.86 m3；物质构成分为2部分，上部为煤矸石及碎石土，下部为全风化或强风化泥岩、砂质泥岩及砂岩，岩层中间夹杂煤层。

根据现场观察，采空区已发生滑塌，整体滑移方向为西南—北东方向。采空区表面分布多条裂缝，其大小、长度、顶面宽度、深度和走向均不一致。采空区的东部区域，地裂缝大多呈现东西向，而在西部区域则又呈南北向。裂缝宽度在0.1～1500 mm。地裂缝分布在东段，开裂较大，超过20 cm的宽缝较多；在西段，缝宽大都低于20 cm。区后缘下挫3.0～7.0 m；坡脚滑动距离最远为36.0 m。总体采空区的地基问题相当不乐观[11]。

2 采空区治理要求

生态治理科普展示中心及赛事服务中心采空区（简称“双中心”）和汽车后市场孵化中心的采空区治理，采取了充填注浆的方法。

2.1 总体要求

总体上，按照GB 51180—2016《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》的要求，采空区治理采取三角形钻孔治理，其目的是便于控制采空区的注浆范围达到密实的标准，故拟治理的采空区采取A孔、B孔和C孔三级钻孔注浆治理[12-13]。采空区治理采用充填法注浆，依靠浆液良好的流动性，能有效充填采空区的空洞和裂缝，特别是多个钻孔在经过多个期限次的注浆后，浆液互相搭接、交叉和串插，使采空区空洞和围岩裂隙得到填充或胶结加固，从而阻止了采空区的冒落变形，使采空区治理范围的地基承载力达到稳定状态，保证了所治理的采空区内建筑物的安全稳定。钻孔分布相对比较简单，其难点在于检验效果的确定。

2.2 采空区治理钻孔布置

施工设计的钻孔分为A、B和C 3个次序进行注浆。首先在上山方向底部先布孔，为A孔，孔间距60 m，依次上山布孔。首批次注浆完成后根据注浆检验结果再确定是否进行第二批次加密注浆孔的布设；第二批次注浆孔为B孔，在A孔之间设置，孔间距为30 m，在第二批次注浆孔完成后，根据注浆检验效果，确定是否实施第三批次注浆加密孔；第三批次注浆孔为C孔，在B孔之间设置，孔间距为15 m。钻孔均匀排列布置，成“品”字型布置。钻孔间距的设置，首先是从质量方面考虑，主要考虑采空区注浆的有效填充，采空区达到密实的效果；其次是节约投资造价，如果前一次成功，后一次则可以不做钻孔注浆，以节省成本。

在钻孔过程中，应先围绕拟建的建筑物基础周边和采空区注浆范围边缘，先进行钻孔注浆。本次注浆在地层倾向边缘处设置帷幕孔，掺加少量粉煤灰，其目的是将钻孔周围固结[14]，防止上部注浆流入下部采空区范围，然后再进行充填注浆。充填注浆是该采空区的主要治理方式。

2.3 钻孔布置及钻孔深度

本次治理采空区面积为217247.84 m2，首批注浆孔为73个，以A孔标识；第二批加密孔为209个，以B孔标识；第三批加密孔为847个，以C孔标识；共计1129个孔。每个注浆孔深度在30～150 m之间，钻孔深度至揭露采空区底板深度以下3.0 m。

采用2次钻孔，首次采取双中心建筑区深度20 m，孵化中心建筑区内30 m，其他区域采用20 m。第二次钻孔直接钻到设计深度。

2.4 注浆材料

由于采空区治理施工采用充填式注浆，其目的主要是为了使采空区充实，强度不是重点选项，试块强度满足1.5 MPa、钻孔取芯强度大于0.6 MPa即可。依据GB 51180—2016《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》灌注充填法的要求，同时为了节约造价，采取添加粉煤灰的方法，以改善浆液性能。所以浆液材料主要由水、水泥和粉煤灰[15]组成，水泥采用42.5#普通硅酸盐水泥，水可用3号矸石山蓄水池中的天然湖水，粉煤灰为火力发电厂准Ⅱ级粉煤灰。浆液水泥与粉煤灰固相比（重量比）调整为建筑物基础范围内1∶2.5，其他区域采用1∶3，浆液水灰比（重量比）为1∶1.2～1.5∶1。

注浆主要围绕双中心、汽车后市场孵化中心进行施工。首次注浆应从顺岩层倾向底部，逐排钻孔进行，不可漏注或少注，推进到岩层的上坡位置。

2.5 注浆方式

设置2个注浆泵站，用耐压输送管将浆液送到各钻孔。单孔注浆方式分2次注浆，采用注浆泵，顺序同钻孔顺序，首层双中心建筑区20 m，孵化中心建筑区30 m，其他区域20 m，其他各层一次注浆到底。

效果监测，主要看试块强度是否满足1.5 MPa，钻孔取芯强度是否大于0.6 MPa。

3 施工工法的关键技术

钻孔注浆先进行双中心建筑基础部分。施工顺序是先进行该区域的A孔钻孔注浆，然后B孔钻孔注浆，最后是C孔钻孔注浆，按层次顺序进行治理。但是就单孔的钻孔注浆工法又分自下而上法注浆和孔口封闭工法注浆施工，还有一些其他的注浆方式，在此不再赘述。

3.1 施工工法对比

关于施工工法，常用的有自上而下法注浆、自下而上法注浆，一般都需要法兰盘和注浆塞。原设计图也是采取自上而下注浆方法，分段注浆，建设单位也主张这种做法。但是，施工单位根据多年的注浆经验，却选择了孔口封闭工法注浆，理由是孔口封闭工法摈弃了原来的法兰盘和卡塞，展示了其优越性。

3.1.1 自上而下法施工特点

自上而下法是一个钻孔，多次钻孔，分段注浆[16]，如图1所示。其特点是等待注浆液的凝固，中间需要法兰盘和注浆塞封堵浆液不上返，凝固时间根据注浆液的配合比不同，其结果也不同，一般应该在10～16 h之间，这样往往耽误钻孔的时间，延缓施工进度。

图1 自上而下灌浆法

3.1.2 孔口封闭工法施工特点

孔口封闭工法注浆施工技术原来最初适用于大坝、建筑地基的固结注浆，其目的是固结注浆体，提高大坝的抗渗能力和建筑地理的承载力[17]，且必须是高压状态，注浆压力一般均大于3 MPa。在采空区地表裂缝多、地下巷道分布不均匀和工期要求紧的情况下，不妨尝试使用该工法，以提高治理速度和施工质量。

孔口封闭工法注浆优点如下。

1）孔内不需下入灌浆塞，施工简便。

2）每段灌浆结束后，不需要长时间等待凝结，在原孔位附近20～30 cm位置即可开始下一段的钻孔，加快了施工进度。

3）上部孔段可得到多次重复灌注，对提高灌浆质量有利。

4）若使用孔口封闭器有利于加大灌浆压力等，提高注浆质量。其具体施工流程如图2和图3所示。

从图2和图3中可以看出，自下而上法注浆是1个地点、1个钻孔和多次注浆，孔口封闭工法是1个地点、2个钻孔和单次注浆。二者的相同点都是通过上层注浆的重量压住下层注浆，保证采空区的注浆质量。

图2 孔口封闭法剖面图

图3 孔口封闭法平面图

3.2 孔口封闭工法的关键技术

孔口封闭工法注浆虽然比较成熟，但仍然需要各孔位进行第一次测量放线、钻孔、清孔、浇筑孔口混凝土和注浆，然后进行第二次钻孔、清孔、浇筑孔口混凝土和整孔注浆，最后进行整个区域的注浆效果检测。但是由于其优越性，必须采取一定的关键技术，才可以避免通常采用的自上而下法的弊端。

3.2.1 测量放线措施

根据设计内容，主要分A孔、B孔和C孔，必须先把A孔注浆完成，才能实施B孔，而C孔作为加密孔，必须在B孔完成后才能决定是否增加。A孔、B孔应用实时动态载波相位差分技术（RTK）准确测量，C孔可以采用钢卷尺进行实地测量放样，放样钻孔实际位置与图纸规定位置之差不应超过0.5 m。

3.2.2 钻孔和验孔的关键技术

钻孔的关键技术主要在钻孔机械设备的选择和钻孔间距的确定方面。

鉴于采空区的地质情况——土质松软，采空区宜采用机械顶驱钻机，如型号JDL-3508配硬质含金钻头或人造金刚石钻头进行钻孔。正常钻孔时，必须保证施工用水，可用水箱循环使用，达到节约的目的。覆盖层内钻孔遇到特殊软弱地质，宜采用跟管钻进成孔，钻进一段后，孔内下入保护管，在管内继续钻孔。钻孔设备不宜采用气钻。施工中曾想采用气钻钻孔，属于干钻类型，结果钻孔进度极小，钻进3 m后卡钻，不得不将气钻退场。

钻孔位置与测量放样位置的偏差A孔不大于6 m，B孔不大于3 m，C孔不大于1.5 m。正是由于GB 51180—2016《煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范》[18]，才使得孔口封闭工法能得以实现，同时如果孔位遇到障碍物，可以根据该规范避让。

单孔注浆涉及到首段孔与第二段孔的偏差距离，一般不宜过大，常规做法一般是20～30 cm，第二段孔钻进时，必须适当等待首段孔的浆液凝结，一般为4～5 h。临时封孔，可采用木塞。

钻孔完成后，必须灌水洗孔，洗出沉渣。这一步非常关键，否则会造成孔道堵塞，必须邀请监理工程师检验合格后，方可注浆。

3.2.3 浇筑孔口混凝土的关键技术

浇筑孔口混凝土是孔口封闭工法的核心，也是关键技术，混凝土的质量直接影响注浆的效果，故必须保证钻孔上部的盖重。钻孔检验合格后，及时插入注浆管，固定牢固后，及时浇筑孔口混凝土，一般是浇筑成40 cm宽的正方形，厚度不少于25 cm，强度不低于C25。由于孔口混凝土增加了上层孔的盖重，才保证了注浆压力[19]。因为孔口封闭工法的核心就是提高注浆压力，进而保证注浆扩散半径符合设计要求，以达到充填密实采空区的目的。如图4所示。

图4 孔口浇筑混凝土

3.2.4 孔口封闭工法注浆的关键技术

孔口封闭工法注浆的关键技术是注浆盖重问题，就是说通过孔口混凝土和首段孔注浆联合达到第二次注浆加大压力后的必要盖重要求。注浆仍然分首段孔和第二段孔，其中首段孔注浆特别关键，必须严格检查配合比，严格搅拌时间，狠抓首段孔的搅拌及注浆质量。

注浆时，必须严格控制注浆压力，防止压力过大造成地面隆起，这些问题在施工工地现场是经常出现。钻孔第二段孔注浆时，首段孔的浆液必须凝结，否则盖重起不到相应的作用。正是因为第二次注浆造成了首段孔再次被注浆，保证了首段孔的重复注浆，才得以提高首段孔的质量和治理效果。

关于注浆还有其他需要注意的问题。

1）孔口必须编号，可标注在注浆用的钢管上，必须与钻孔编号保持一致，首段孔与第二段孔的编号必须一致。

2）注浆需要合适的水泥和粉煤灰配合比，通过计算，可以在配合比牌上标注加水高度。

3）注浆添加材料必须注意抑尘，尤其是粉煤灰。

4）温度过低，如果接近2℃，不得进行施工，因注浆管路较长较细，会引起管路破裂。

3.2.5 封孔的关键技术

封孔同样也分首段孔和第二段孔。注浆结束后，必须立即进行封孔。封孔的关键技术主要是注浆压力的控制[20]。注浆结束有3条标准。

1）孔口管压力升至0.5 MPa以上，稳定15 min。

2）孔口管压力未升至0.5 MPa，但吃浆量小于70 L/min，且持续15 min。

3）地表溢浆、钻孔串浆。

第二段孔注浆封孔时，最终压力不超过2 MPa时，注浆压力满足设计要求。

封孔方法采取了拧死管口的开关按钮，具体做法如下。

1）负责注浆巡视人员与搅拌机前的操作人员用对讲机沟通，确保在设计关闭注浆系统注浆压力值的要求下，注浆口周围20～50 m范围内无冒浆、地面无隆起现象，随后立即拧紧注浆管口的开关。

2）大约4～5 h后，管口不冒浆，证明浆液已经凝固，即可拆除开关件，注浆任务完成。

4 注浆效果检测分析

注浆效果检测主要采用的是跟踪试块的质量检测。由于采空区采取的是加入粉煤灰的充填式注浆，而非固结灌浆，所以注浆强度要求不高，其目的是将采空区充填密实。关于注浆效果的检测，采取跟随注浆过程，制作注浆试块，其尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7 mm，按程序交到阜新市工程质量检测有限公司检验。

施工过程中，制作了3组注浆试块。根据委托实验室的检测报告，双中心的注浆试块符合设计强度要求的1.5 MPa，见表1。

表1 试块强度值统计表

5 结论

通过对孔口封闭工法的关键技术应用分析和效果监测分析，得到以下结论。

1）孔口封闭工法施工采取关键技术后，使该工法治理速度大大加快，效率更高，2个月治理2万m2采空区，大大加快了治理工期，为后续建筑施工提供了必要条件，值得推广。

2）提高了上部注浆段的施工质量，有效保证了采空区治理的安全系数。

3）孔口封闭工法注浆技术尚存在着一些不足，如钻孔机械不能随意选择、地面盖重层因过量注浆引起隆起等问题，这些需要在以后的施工中总结经验，提出改进办法。