绿色注浆充填材料采空区处治效果评价

陈汝先，荣亚鹏

（1.山西交控汾石高速公路有限公司，山西吕梁 032300；2.山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032）

0 引言

山西省作为产煤大省，地下煤矿被开采后造成的采空区，对高速公路和其他地面建筑物的建设和安全使用有很大的威胁，工程实践证明，采空区治理最常用的手段仍是以注浆为主[1-2]。目前应用于采空区注浆回填的材料主要是水泥浆类材料，这些材料应用于采空区注浆工程时，不同程度地存在析水率高、稳定性差和结石率低等性能缺陷。尤其是对空洞型采空区进行注浆充填施工时，由于填补空间大、深度大、环境复杂，采用传统注浆材料和工艺所需要的注浆量非常大，工程造价方面难以接受，因此，降低注浆材料的造价具有重要的经济意义[3-4]。

该研究在梳理既有技术的基础上，利用电厂循环流化床粉煤灰（以下简称“CFB 灰”）与钢渣微粉基材耦合机理[5]，自主研发了复合改性钢渣微粉∕CFB 灰全固废类绿色注浆充填材料，不仅解决了CFB 灰应用于采空区注浆中黏度过高的问题，还大大降低了处治材料的成本，依托汾阳至石楼高速公路采空区处治工程，选取合适的试验路段，采用自主研发的绿色注浆充填材料进行处治，并对处治效果进行检测评价，为后续的规模化推广应用提供条件。

1 依托工程概况

汾阳至石楼高速公路（以下简称“汾石高速”）项目路线全长82.364 km，采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度100 km∕h。汾石高速下堡连接线LK0+820—LK1+560，属于昔颉堡私挖乱采铝土矿造成的采空区域，开采9～11 号煤层。根据勘察结果，该区域采空区长740 m，开采年限属于2008年以前，采厚2～3 m，埋深23.2～98 m，采空区内存在少许积水，巷道式开采方式，回采率为30%，剩余空隙率70%，岩性杂乱，由残留煤块、泥岩碎屑及石灰岩等组成，地表变形已湮灭。该区采空区治理归属汾石高速采空区施工总承包第四工区，下设5、6、7、8、9 五个处治区域，浆站位于兑镇东庄里村。

该试验段位于LK0+847—LK1+560 中间一段，归属下堡连接线路基下伏采空区，注浆空位选取以9Z1-7、9Z2-9、9Z2-11 为中心，向四周辐射，形成一定封闭区域，便于后续检测和监测。其中，9Z1-7、9Z2-9、9Z2-11为典型冒落孔，平均埋深为40 m 左右。

2 处治方案设计参数

a）注浆材料 材料选用复合改性钢渣微粉、CFB灰。

b）复合改性钢渣微粉∕CFB 灰浆液配比 水固比为1∶1.1～1∶1.3，路基下伏采空区复合改性钢渣微粉占固相35%，CFB 灰占固相65%。

c）注浆压力 路基下伏采空区终孔压力为1.0 MPa～1.5 MPa。

d）浆液充填率 路基下伏采空区充填率不小于90%。

e）浆液结石体强度 路基下伏采空区浆液结石体强度不小于0.6 MPa。

f）波速 路基下伏采空区检测孔内横波波速应大于250 m∕s。

3 试验段处治

3.1 原材料

a）水 施工拌制用水符合《混凝土拌合用水标准》即可。

b）CFB 灰 CFB 灰由晋能大土河热电有限公司生产，具体技术指标检测如表1。

表1 CFB灰检测结果 单位：%

c）复合改性钢渣微粉 所用钢渣微粉需满足《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》GB∕T 20491—2017 的要求。比表面积不小于550 m2∕kg。采用硅矿粉等作为钢渣微粉的激发剂，需要超细化预处理，然后再与钢渣微粉一起通过研磨超细化、均质化处理，得到复合改性钢渣微粉。

试验段原材料采用太钢哈斯科科技公司生产的钢渣微粉，比表面积达570 m2∕kg，并与自研的激活矿粉进行复配，得到复合钢渣微粉，具体技术指标检测如表2。

表2 复合改性钢渣微粉检测结果

3.2 浆液制备及注浆

工艺流程如图1。

图1 浆液制备工艺

a）浆液配制按设计浆液配合比，采用工区既有浆站进行配制，其中复合改性钢渣微粉∕CFB 灰浆液配比：水固比为1∶1.2，路基下伏采空区复合改性钢渣微粉占固相35%，CFB 灰占固相65%，采用微机自动控制进行原材料进量的控制，包括CFB 灰、复合钢渣微粉和水，并随机抽检每批次浆液的各项指标，包括密度、黏度、无侧限抗压强度。现场抽检结果如表3。

表3 现场浆液抽检结果

上述指标符合设计要求，密度大于1.5 g∕cm3，黏度小于35 s，无侧限抗压强度大于0.6 MPa。

b）制浆分两级搅拌。一级搅拌池的搅拌时间不应少于3 min，随后放入二级搅拌池。浆液进入二级搅拌池时必须用筛网过滤，停留时间不应超过4 h。

c）采用TBW-850∕5A 泥浆泵，将制备好的浆液通过高压管送到二级浆站搅拌池，搅拌加压后对附近注浆孔位进行注浆。当孔口压力在1.0 MPa～1.5 MPa，稳定15 min 之后，可结束该孔的注浆施工。

4 处治效果检测

新型注浆充填材料采空区试验段处治施工自2022年5月28日至2022年6月8日，前后累计耗时12 d，共计消耗复合钢渣微粉540.96 t，CFB 灰1 176.70 t。注浆孔位选取以9Z1-7、9Z2-9、9Z2-11 为中心，向四周辐射，共计处治15 个孔位，利用兑镇东庄里村现有浆站及注浆设备，浆液总计消耗方量为1 700 m3左右。

2022年9月9日，按照相关规范规程及设计文件要求，采用钻孔取芯、波速测试、注浆体强度检测等手段对试验段处治效果评价。

4.1 检测目的

a）通过钻孔取芯，对所取全固废浆结石体进行物理测试，确定其无侧限抗压强度是否满足设计要求。

b）通过注浆效果的检测，与传统水泥粉煤灰浆液注浆效果进行对比。

4.2 检测方法

按照相关规范规程及设计文件要求，该次检测采用钻孔取芯、波速测试、结实体强度对处理效果进行检测。

a）钻孔取芯 主要检测浆液对采空区和裂隙带的充填率及注浆浆液的结石率。通过全孔取芯直接观察采空区的浆液充填情况，并结合钻探过程中钻进速度、循环液的消耗情况、孔内静止水位观测结果及孔壁的稳定性等，直观定性评价注浆的质量。

b）波速测试 通常情况下，孔内波速检测有单孔法和跨孔法，该次采空区检测主要采用单孔法，单孔法又分为弹性波速度测井和剪切波速度测井，两者各有优缺点，在现场检测过程中需要根据实际情况配合使用。目前测试深度一般不超过100 m。试验段注浆孔设计深度均小于100 m，该次波速检测采用剪切波速度测井。

c）孔内电视 孔内电视可以直观地观察孔壁岩体的空洞、裂隙、浆液的充填情况以及岩体的完整程度，根据图像的形态、颜色及光亮等信息，综合评价采空区的处治效果。采用的仪器为武汉长盛工程检测技术开发有限公司开发JL-IDOI（C）智能钻孔三维电视成像仪。

5 结果与分析

该次检测共布置了2 个检测孔，位于注浆孔9Z2-9（检测孔1）和9Z2-11（检测孔2）旁边50 cm 处。

5.1 钻孔取芯

通过全孔取芯直接观察采空区的浆液充填情况，主要检测浆液对采空区和断裂带的充填率，直观定性评价注浆的质量。

检测孔设计采用短进尺多回次取芯钻探工艺。土层采用泥浆护壁，基岩采用清水钻进。钻进过程中详细记录孔内异常情况，成孔后对全孔岩芯拍照，钻探过程中主要就孔内地层岩性变化、含煤或采掘情况、裂隙发育程度、岩芯形态、完整或破碎程度、采空区与冒落带裂隙或空洞内浆液结石体的充填情况、循环液的漏失或循环情况、注浆后裂隙的充填和闭合情况、采取的结石体（颜色、硬度、敲击声音）等物理性质、孔壁的稳定性等各项要素进行观察、记录和描述。

检测孔1：终孔深度41.0 m，在28.0～30.0 m 冒落孔隙内见浆液结石体，混杂有松散冒落碎屑物，如图2。煤层顶板较破碎，岩性为灰岩，灰黑色，较坚硬，钻进过程中较平稳，孔壁较稳定，采空冒落带孔隙中有结石体充填，未见掉钻空洞，孔隙闭合较好，钻进过程中在22.0 m 出现循环液少量漏失情况。

图2 检测孔1钻探芯样

检测孔2：终孔深度42.0 m，在20.0～22.0 m 冒落孔隙内见浆液结石体，混杂有松散冒落碎屑物，如图3。煤层顶板较破碎，岩性为灰岩，灰黑色，较坚硬，钻进过程中较平稳，孔壁较稳定，采空冒落带孔隙中有结石体充填，未见掉钻空洞，孔隙闭合较好，钻进过程中在14.0 m 出现循环液少量漏失情况。

图3 检测孔2钻探芯样

从以上检测结果综合分析，所检孔位均为采空孔，采空孔内的冒落碎屑的孔隙内普遍含有浆液结石体，钻进中冒落带未发生塌孔，未见掉钻，但上部钻进过程中普遍存在漏浆现象，说明仍有较多剩余的采空冒落带碎屑孔隙未闭合。但采空孔内的自然冒落及处治后冒落碎屑内的孔隙总体闭合程度较好。

该次钻孔取芯检测结果见表4。

表4 汾石高速采空区试验段处治工程钻芯检测结果一览表

5.2 波速测试

波速测试在终孔后一次完成，测试前要求钻探人员将钻孔内的岩粉、泥浆清理干净，尽可能保证探头能够顺利下至孔底，纵波探头耦合剂使用清水，使波传递的能量衰减量降到最低，横波探头对耦合剂无特殊要求。

设计要求公路路基采空区处治质量验收标准为检测孔内横波波速应大于250 m∕s，波速测试直接结果为纵波波速，纵波波速根据相关规范转换为横波波速，波速测试曲线由探头深度与所在的位置波速大小的函数关系形成，综合结果见表5。

表5 汾石高速采空区试验段处治工程波速检测综合结果 单位：m/s

5.3 孔内电视

孔内电视在终孔后一次完成，测试前要求钻探人员将钻孔内的岩粉、泥浆清除，孔壁清洗干净，保证孔内无水或水质清澈，具备探测条件。

通过孔内电视观察孔壁岩体的空洞、裂隙、浆液的充填情况以及岩体的完整程度，根据图像的形态、颜色及光亮等信息，综合评价采空区的处治效果。该次检测结果见表6。

表6 汾石高速采空区试验段处治工程孔内电视检测结果

该次检测采用孔内电视对采空区的钻孔岩壁进行观测，分析冒落带和裂隙带的充填治理效果，典型的带充填成像图片见图4 和图5。

图4 检测孔1 28.8～29.9 m

图5 检测孔2 20.5～21.7 m

该次检测对各检测孔注浆段进行裂隙充填率统计，通过对钻孔成像进行识别分析，通过统计注浆段未被注浆充填的裂隙面积与总裂隙面积的比值，计算裂隙充填率，具体见表7，考虑到检测孔钻进过程中冲洗液的循环作用，垮落断裂带的浆液结石体易受到冲刷，产生局部掉落，因此裂隙充填率的统计结果会略微偏小。

表7 汾石高速采空区试验段处治工程裂隙充填率统计表 单位：%

根据表7，检测孔冒落带裂隙充填率为92%、91%，平均值为91.5%，满足课题研究预计指标：空洞及裂隙充填率大于90%，远大于规范要求（路基下伏采空区处治充填率应达到80%～85%）。

5.4 结石体强度

图6 是点荷载强度测试装置，该次检测在2 个检测孔中取到浆液结实体，但由于所取结石体尺寸不能满足标准单轴抗压强度测试，因此对结石体进行天然点荷载试验，所得数值根据规范公式进行单轴抗压强度换算。

图6 点荷载强度测试装置

室内试验点荷载强度得到未经修正的岩石点荷载强度IS，根据《工程岩体试验方法标准》中的换算公式得到修正的点荷载强度IS（50），然后转化为单轴抗压强度RC，具体公式为：

式中：IS为未修正的岩石点荷载强度，MPa；F为修正系数；De为等价岩芯直径，mm；m为修正指数，可取0.40～0.45；RC为岩石单轴抗压强度，MPa。

汾石高速采空区试验段处治工程浆液结石体强度试验成果见表8。

表8 汾石高速采空区试验段处治工程浆液结石体强度试验成果表

6 结论

在该次采空区试验段处治工程质量检测中，通过钻孔取芯、孔内波速测试、孔内电视观察、芯样抗压强度测试、钻探循环液耗损量记录及钻探进尺的难易程度分析等方法，取得了详实的野外原始资料和检测数据，经认真对比分析及总结，检测结果基本达到了设计要求，检测结果见表9。

综上所述，采用CFB 灰∕复合钢渣微粉全固废类绿色采空区注浆充填材料进行采空区处治：

a）处治工艺 新型全固废类绿色采空区注浆充填材料工作性可以满足传统注浆设备要求，无需更换设备，相关工艺参数微调即可。

b）处治效果 根据该次试验段检测结果，结合室内试验研究成果，可以判断，与传统水泥∕粉煤灰浆液在浆液相比，采用新型全固废类采空区注浆充填材料对采空区进行治理：

（a）可以缩短检测周期（结石体强度符合要求的前提下，该次检测周期为3 个月，《采空区公路设计与施工技术细则（JTG∕T D31-03—2011）》要求6 个月）；

（b）提高结石率，传统水泥∕粉煤灰浆液结石率较低，该研究成果浆液结石率可达到90%以上；

（c）处治效果其余检测指标均符合相关规范要求。