论文部分内容阅读
[摘要]：注浆加固技术经常用于煤矿采空区地基加工施工中，文章主要针对注浆材料及工艺等问题进行分析，结合实际工程进一步对注浆加固技术进行分析。
[关键词]：采空区 注浆加固 材料 工艺
在采空区上方进行工业与民用建筑是一个新兴的课题，由于采空区存在塌陷、变形及沉降等变化，对地表道路、建筑有很大的影响，往往会造成道路塌陷、裂缝等，因此在施工过程中必须要对工程地质进行了解，进行必要的加固，其中注浆加固技术在实际应用中比较广泛。
1.工程概况
该工程名为承德市鹰手营子矿区矿山地质环境治理汪庄煤矿选煤厂主厂区南部采空区区注浆工程，该工程位于承德市鹰手营子矿区东部的汪庄煤矿矿区内。
选煤厂治理区位于河谷平地小区内，场地经平整后，东部标高485m，西部标高481m，相对高差较小。治理区域内的地质构成主要包含杂填土、残积土、粉质粘土、细砂等，浅部基岩主要岩性为砂岩、泥岩、砾岩等，中风化，组织结构部分破坏，岩芯短柱状，地基承载力特征值750-1500kpa。治理区原为承德市鹰手营子矿区汪庄煤矿主采煤区，现已被国家列为资源枯竭城市。承德市鹰手营子矿区规划在此处建设选煤厂，依据汪庄煤矿采空区治理勘查评价结果、各类建筑物的重要性及甲方的需求，确定选煤厂主厂区南部为治理区。
治理区煤层与采空区分布特征：分布有四、五、六、九、十层煤，主采煤层为四、五、六层煤，九、十层煤未开采。本次治理主要为四层煤采空区，采空区平均埋深50m左右，煤层均厚3.5m。
工程治理面积1426m2，注浆孔总共227个，其中帷幕孔125个，治理孔102个，注浆量21608m3。
2. 注浆材料及工艺选择
拟采用水泥粉煤灰浆液进行注浆。水泥粉煤灰浆液，就是在水泥浆液中加入一定量的粉煤灰，这种浆液成本低，流动性及稳定性好，结石率高，适宜于充填注浆。
依据采空区勘查“活化”评价结果，确定主厂区南部治理区的六层煤采空区与给煤机房的四层煤采空区为重点治理区，治理方法采用压力注浆法。压力注浆法是在地表对已确定采空区治理范围内合理布设一定数量的钻孔，钻至采空区底板，然后通过具有一定压力的注浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰混合浆液注入采空区及其上覆岩石裂隙中，让浆液充分充填采空区的冒落带、裂隙带。浆液与冒落、裂隙带的岩块经过固化胶结后，形成具有一定强度的结石体，对冒裂带内的岩层形成支撑作用，进而阻止岩层的进一步变形，防止采空区在地面荷载情况下的进一步变形，从而保证地面建筑物地基的稳定。
3. 设计参数
灌浆是采空区治理工程施工的核心，其施工顺序：先帷幕孔，后注浆孔，按采空区的倾斜方向，先施工采空区底板标高较低位置，再沿倾斜方向由低向高，由边部向中心展开施工。
3.1采空区剩余空隙体积计算公式如下：V=s·m·k·△V
式中：
V—采空区剩余空隙体积（m3）；
s—采空区治理面积（m2）；
m—采空区煤层厚度（m）；
k—煤层回采率；
△V—采空区剩余空隙率。
主厂区治理区面积11426m2，煤层平均厚3.5m；治理区煤层回采率均取70%；采空区剩余空隙率取0.5。
经计算，主厂区南部治理区剩余空隙体积约为13997m3。
3.2采空区注浆量计算公式为：Q总 = V·N·η/C
式中：
Q总—采空区总浆液量（m3）；
N—浆液损失系数；
η—注浆充填系数；
C—浆液结石率。
注浆过程中的浆液损失取1.3，浆液对采空区及上覆岩层中的裂隙、裂缝的充填系数取0.95，注浆浆液的结石率取0.8。
经计算，治理区总注浆量21608m3，
3.3将总注浆量换算成重量，公式为：
W1/（W2+W3）=R1 ①
W3/W2=R2 ②
+ + =V ③
式中：W1—水的重量（t）；
W2—水泥的重量（t）；
W3—粉煤灰的重量（t）；
R1—水固比；
R2—固相比（W3/W2）
D1—水的比重，取1；
D2—水泥的比重，取3；
D3—粉煤灰的比重，取2.4；
V—预配制混合料浆液的体积（m3）
由式①、②、③可导出水、水泥、粉煤灰重量换算公式：
W1=R1（W2+W3）
W3=R2W2
W2=V/〔R1（1+R2）+1/D2+R2/D3〕
经计算（浆液配比按平均1∶1.2计），主厂区治理区共需清水14649t，水泥4395t，粉煤灰13185t，此外帷幕孔需水玻璃26.9t（按帷幕孔所需水泥重量的2%计）。
4. 注浆技术及工艺
4.1 灌浆加固施工。
（1）灌浆孔的施工。采空区灌浆孔的施工深度为开孔至采空区底板以下1.5m，孔径≥75mm。
（2）帷幕孔布设。为了防止在压力注浆过程中浆液的四处蔓延，为此设计了帷幕孔。帷幕孔布在处理区周边，重点是路基左侧边坡外缘，孔距4m。
（3）注浆孔布设。注浆孔在帷幕孔范围内按6～8m左右间距按梅花形布设，在采空区或采掘巷道密集、地面变形严重段按小值布设，采掘巷道稀疏、变形轻微段按大值布设。
（4）边坡外缘注浆施工时，先注帷幕孔，形成帷幕，防止浆液流失。
4.2浆液配合比设计。
注浆液为水泥粉煤灰浆，其水固比为1：1.4～1：1.0，水泥占固相的25%，粉煤灰占固相的75%，帷幕孔根据具体情况，采用较稠的浆液或在浆液中掺加水泥重量的2%速凝剂，使注入采空区的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。 4.3注浆施工工艺。
（1）工艺流程如图1所示：
图1 注浆施工工艺流程
5.采空区注浆检测
根据设计文件要求，在治理区布置取芯检测孔3个，孔位由建设单位及监理人员现场确定，在每个取芯检测孔内均分段进行压水试验、孔内取试件进行抗压试验及孔内波速测井法检测。注浆前波速测试利用已有注浆孔进行，注浆后波速测试利用取芯检测孔进行。
5.1 钻探取芯
本次检测钻探取芯使用GY-150型拆装钻机，清水循环钻进，全孔取芯，现场进行地质描述，准确观察记录循环液的消耗量及其层位与深度，钻孔开孔直径108mm，钻至基岩后变径为89mm。检测孔详细情况表4-1及钻孔柱状图。
照片1 钻孔岩芯水泥固结体 照片2 钻孔岩芯水泥固结体
5.2钻孔压水试验
压水试验方法采用三级压力、五个阶段[即P1-P2-P3-P4（= P2）-P5（= P1）]的五点法，试段长度5.0m，三级试验压力采用0.3MPa、0.6Mpa和1.0Mpa。
压水试验全压力的组成和计算： P=P1+P2
P---试段全压力，MPa
P1--压力表指示压力，MPa
P2--压力表中心至压力计算零线的水柱压力，MPa，
压力和流量观测：在规定的压力下观测压入孔内的流量，每隔5 min进行一次，连续4次流量读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min时，本段压水试验结束，取最终值作为计算值。
5.3抗压强度试验
本次检测由现场监理见证，在JCK1孔48.5-49.2m和JCK2孔44.1-44.8m分别取1组（3块）浆液结石体岩芯，委托承德中天建设工程检测试验有限公司进行室内抗压强度试验，检验其天然状态下的抗压强度是否满足设计要求。
5.4波速测井法检测
① 工作仪器
本次剪切波速测井采用的仪器为XG-I型贴壁式波速测井仪。仪器主要由主机、井中贴壁式探头、振板及连接电缆、信号电缆、触发电缆、触发检波器等组成。
② 原理
其原理是将波速测井探头下至孔底，自下而上逐点测试地层剪切波速，测点间隔均为1米。在现场测试过程中随时对测试曲线进行初步分析，发现异常及时分析原因并进行重复测试。
6.处理效果
通过钻探取芯、现场压水试验、室内抗压强度试验及现场波速测试结果表明：
⑴、3个检测孔施工时均未出现漏浆、塌孔、掉块卡钻等现象，未发现岩体空洞，钻孔内发现水泥固结体，充填率大于90%。
⑵、检测孔分段压水试验稳定流量均小于50L/min 。
⑶、检测孔内采取的水泥浆液结石体抗压强度均大于2.0MPa，满足设计要求。
⑷、3个检测孔（JCK1、JCK2、JCK3）内波速测试地层岩体剪切波速（横波）值为332～1382 m/s，均大于160 m/s。注浆后剪切波速（横波）最低值明显比注浆前提高了4.5～10倍。
上述结果表明，本工程在注浆治理后，通过钻探取芯、压水试验、浆液结石体抗压强度试验及波速测试等手段检测，注浆效果满足设计要求，达到了预期的目的。
7.结语
对治疗采空区时，应该根据工程特征，结合煤矿地质条件以及开采工艺等因素来选择最合理的注浆加固措施，本工程采用填充注浆加固工艺，对采用去进行治疗，在技术上经济合理可行，对于采空区的治理也提供了可靠的借鉴经验。
参考文献
[1]张有，欧阳永龙.浅议岩土注浆加固技术的发展与应用[J].中国矿业，2011（6）.
[2]韦耀琥.广西沿海铁路煤矿采空区地基加固工程研究[J].铁道工程学报，2013（7）.
[关键词]：采空区 注浆加固 材料 工艺
在采空区上方进行工业与民用建筑是一个新兴的课题，由于采空区存在塌陷、变形及沉降等变化，对地表道路、建筑有很大的影响，往往会造成道路塌陷、裂缝等，因此在施工过程中必须要对工程地质进行了解，进行必要的加固，其中注浆加固技术在实际应用中比较广泛。
1.工程概况
该工程名为承德市鹰手营子矿区矿山地质环境治理汪庄煤矿选煤厂主厂区南部采空区区注浆工程，该工程位于承德市鹰手营子矿区东部的汪庄煤矿矿区内。
选煤厂治理区位于河谷平地小区内，场地经平整后，东部标高485m，西部标高481m，相对高差较小。治理区域内的地质构成主要包含杂填土、残积土、粉质粘土、细砂等，浅部基岩主要岩性为砂岩、泥岩、砾岩等，中风化，组织结构部分破坏，岩芯短柱状，地基承载力特征值750-1500kpa。治理区原为承德市鹰手营子矿区汪庄煤矿主采煤区，现已被国家列为资源枯竭城市。承德市鹰手营子矿区规划在此处建设选煤厂，依据汪庄煤矿采空区治理勘查评价结果、各类建筑物的重要性及甲方的需求，确定选煤厂主厂区南部为治理区。
治理区煤层与采空区分布特征：分布有四、五、六、九、十层煤，主采煤层为四、五、六层煤，九、十层煤未开采。本次治理主要为四层煤采空区，采空区平均埋深50m左右，煤层均厚3.5m。
工程治理面积1426m2，注浆孔总共227个，其中帷幕孔125个，治理孔102个，注浆量21608m3。
2. 注浆材料及工艺选择
拟采用水泥粉煤灰浆液进行注浆。水泥粉煤灰浆液，就是在水泥浆液中加入一定量的粉煤灰，这种浆液成本低，流动性及稳定性好，结石率高，适宜于充填注浆。
依据采空区勘查“活化”评价结果，确定主厂区南部治理区的六层煤采空区与给煤机房的四层煤采空区为重点治理区，治理方法采用压力注浆法。压力注浆法是在地表对已确定采空区治理范围内合理布设一定数量的钻孔，钻至采空区底板，然后通过具有一定压力的注浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰混合浆液注入采空区及其上覆岩石裂隙中，让浆液充分充填采空区的冒落带、裂隙带。浆液与冒落、裂隙带的岩块经过固化胶结后，形成具有一定强度的结石体，对冒裂带内的岩层形成支撑作用，进而阻止岩层的进一步变形，防止采空区在地面荷载情况下的进一步变形，从而保证地面建筑物地基的稳定。
3. 设计参数
灌浆是采空区治理工程施工的核心，其施工顺序：先帷幕孔，后注浆孔，按采空区的倾斜方向，先施工采空区底板标高较低位置，再沿倾斜方向由低向高，由边部向中心展开施工。
3.1采空区剩余空隙体积计算公式如下：V=s·m·k·△V
式中：
V—采空区剩余空隙体积（m3）；
s—采空区治理面积（m2）；
m—采空区煤层厚度（m）；
k—煤层回采率；
△V—采空区剩余空隙率。
主厂区治理区面积11426m2，煤层平均厚3.5m；治理区煤层回采率均取70%；采空区剩余空隙率取0.5。
经计算，主厂区南部治理区剩余空隙体积约为13997m3。
3.2采空区注浆量计算公式为：Q总 = V·N·η/C
式中：
Q总—采空区总浆液量（m3）；
N—浆液损失系数；
η—注浆充填系数；
C—浆液结石率。
注浆过程中的浆液损失取1.3，浆液对采空区及上覆岩层中的裂隙、裂缝的充填系数取0.95，注浆浆液的结石率取0.8。
经计算，治理区总注浆量21608m3，
3.3将总注浆量换算成重量，公式为：
W1/（W2+W3）=R1 ①
W3/W2=R2 ②
+ + =V ③
式中：W1—水的重量（t）；
W2—水泥的重量（t）；
W3—粉煤灰的重量（t）；
R1—水固比；
R2—固相比（W3/W2）
D1—水的比重，取1；
D2—水泥的比重，取3；
D3—粉煤灰的比重，取2.4；
V—预配制混合料浆液的体积（m3）
由式①、②、③可导出水、水泥、粉煤灰重量换算公式：
W1=R1（W2+W3）
W3=R2W2
W2=V/〔R1（1+R2）+1/D2+R2/D3〕
经计算（浆液配比按平均1∶1.2计），主厂区治理区共需清水14649t，水泥4395t，粉煤灰13185t，此外帷幕孔需水玻璃26.9t（按帷幕孔所需水泥重量的2%计）。
4. 注浆技术及工艺
4.1 灌浆加固施工。
（1）灌浆孔的施工。采空区灌浆孔的施工深度为开孔至采空区底板以下1.5m，孔径≥75mm。
（2）帷幕孔布设。为了防止在压力注浆过程中浆液的四处蔓延，为此设计了帷幕孔。帷幕孔布在处理区周边，重点是路基左侧边坡外缘，孔距4m。
（3）注浆孔布设。注浆孔在帷幕孔范围内按6～8m左右间距按梅花形布设，在采空区或采掘巷道密集、地面变形严重段按小值布设，采掘巷道稀疏、变形轻微段按大值布设。
（4）边坡外缘注浆施工时，先注帷幕孔，形成帷幕，防止浆液流失。
4.2浆液配合比设计。
注浆液为水泥粉煤灰浆，其水固比为1：1.4～1：1.0，水泥占固相的25%，粉煤灰占固相的75%，帷幕孔根据具体情况，采用较稠的浆液或在浆液中掺加水泥重量的2%速凝剂，使注入采空区的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。 4.3注浆施工工艺。
（1）工艺流程如图1所示：
图1 注浆施工工艺流程
5.采空区注浆检测
根据设计文件要求，在治理区布置取芯检测孔3个，孔位由建设单位及监理人员现场确定，在每个取芯检测孔内均分段进行压水试验、孔内取试件进行抗压试验及孔内波速测井法检测。注浆前波速测试利用已有注浆孔进行，注浆后波速测试利用取芯检测孔进行。
5.1 钻探取芯
本次检测钻探取芯使用GY-150型拆装钻机，清水循环钻进，全孔取芯，现场进行地质描述，准确观察记录循环液的消耗量及其层位与深度，钻孔开孔直径108mm，钻至基岩后变径为89mm。检测孔详细情况表4-1及钻孔柱状图。
照片1 钻孔岩芯水泥固结体 照片2 钻孔岩芯水泥固结体
5.2钻孔压水试验
压水试验方法采用三级压力、五个阶段[即P1-P2-P3-P4（= P2）-P5（= P1）]的五点法，试段长度5.0m，三级试验压力采用0.3MPa、0.6Mpa和1.0Mpa。
压水试验全压力的组成和计算： P=P1+P2
P---试段全压力，MPa
P1--压力表指示压力，MPa
P2--压力表中心至压力计算零线的水柱压力，MPa，
压力和流量观测：在规定的压力下观测压入孔内的流量，每隔5 min进行一次，连续4次流量读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min时，本段压水试验结束，取最终值作为计算值。
5.3抗压强度试验
本次检测由现场监理见证，在JCK1孔48.5-49.2m和JCK2孔44.1-44.8m分别取1组（3块）浆液结石体岩芯，委托承德中天建设工程检测试验有限公司进行室内抗压强度试验，检验其天然状态下的抗压强度是否满足设计要求。
5.4波速测井法检测
① 工作仪器
本次剪切波速测井采用的仪器为XG-I型贴壁式波速测井仪。仪器主要由主机、井中贴壁式探头、振板及连接电缆、信号电缆、触发电缆、触发检波器等组成。
② 原理
其原理是将波速测井探头下至孔底，自下而上逐点测试地层剪切波速，测点间隔均为1米。在现场测试过程中随时对测试曲线进行初步分析，发现异常及时分析原因并进行重复测试。
6.处理效果
通过钻探取芯、现场压水试验、室内抗压强度试验及现场波速测试结果表明：
⑴、3个检测孔施工时均未出现漏浆、塌孔、掉块卡钻等现象，未发现岩体空洞，钻孔内发现水泥固结体，充填率大于90%。
⑵、检测孔分段压水试验稳定流量均小于50L/min 。
⑶、检测孔内采取的水泥浆液结石体抗压强度均大于2.0MPa，满足设计要求。
⑷、3个检测孔（JCK1、JCK2、JCK3）内波速测试地层岩体剪切波速（横波）值为332～1382 m/s，均大于160 m/s。注浆后剪切波速（横波）最低值明显比注浆前提高了4.5～10倍。
上述结果表明，本工程在注浆治理后，通过钻探取芯、压水试验、浆液结石体抗压强度试验及波速测试等手段检测，注浆效果满足设计要求，达到了预期的目的。
7.结语
对治疗采空区时，应该根据工程特征，结合煤矿地质条件以及开采工艺等因素来选择最合理的注浆加固措施，本工程采用填充注浆加固工艺，对采用去进行治疗，在技术上经济合理可行，对于采空区的治理也提供了可靠的借鉴经验。
参考文献
[1]张有，欧阳永龙.浅议岩土注浆加固技术的发展与应用[J].中国矿业，2011（6）.
[2]韦耀琥.广西沿海铁路煤矿采空区地基加固工程研究[J].铁道工程学报，2013（7）.