采空区注浆治理工程设计及施工浅析

采空区注浆治理工程设计及施工浅析

杨贺荣1, 王宁2, 赵菲2

1.河北建研工程技术有限公司  河北石家庄 050021

2.河北建研建筑设计有限公司  河北石家庄  050021

摘  要：由于我国在工程建设中经常遇到对工程建设不利的采空区，因此有关采空区治理的问题也倍受重视。通过对多个采空区注浆治理工程的总结，对工程中普遍关注的问题，如注浆孔的布置、注浆材料的选择、注浆量的设计、注浆压力的计算、浆液配合比设计、钻孔和注浆施工工艺、工程质量检测等，进行了比较系统的分析。由于是对多个工程的总结，因此所有的分析理论是建立在一般条件下采空区注浆治理的基础上的。旨在为类似的工程在方案设计、施工组织设计时提供参考。

关 键 词：采空区，注浆，钻孔，注浆压力

1．引 言

我国是煤炭开采大国，存在范围广泛的煤层采空区。随着我国工程建设的快速发展，很多工程建设项目要坐落在采空区上，尤其是高速公路经常要经过采空区。为满足工程建设场地地基的承载力要求，通常对采空区进行注浆治理，并针对其特点及地质条件等设计合理的施工方案。通过对类似工程的总结，本文仅对一般条件下的采空区注浆治理工程中的设计及施工问题进行探讨和分析。

2．场地的稳定性评价

2.1．理论分析

当建筑物建在影响范围以内时，可按下式验算地基的稳定性。设拟建建筑物基底单位压力为P0，则作用在采空区顶板上的压力Q为：

式中：G——巷道单位长度顶板上岩层所受的总重力(kN/m)

B——巷道宽度(m)

f——巷道单位长度侧壁的摩阻力(kN/m)

H——巷道顶板的埋藏深度(m)

γ——岩层的重度

φ——岩体的内摩擦角

当H增大到一定深度，是顶板岩层恰好保持自然平衡（即Q=0），此时的H称为临界深度H0，则

当H＜H0时，地基不稳定；H0＜H＜1.5H0时，地基稳定性差；H＞1.5H0时，地基稳定。

2.2．工程分析

根据已有工程实例分析可知，采空区对地基的影响可通过煤层开采深厚比和煤层开采宽深比作简单地定性分析。

①煤层开采深厚比

深厚比=H/M ，H为煤层开采深度，M为煤层厚度

根据经验，深厚比必须大于150，地面才稳定；深厚比小于20，地面为连续变形，可能出现坍塌陷坑。

②煤层开采宽深比

宽深比=D/H，D为采空区倾向宽度（D1），走向宽度（D2）；H为煤层平均开采深度。走向宽度和倾向宽度是指煤层开采后形成的采空区沿煤层延伸的水平方向长度和垂直于水平方向的长度。

根据经验，宽深比大于1.4时为充分采动，小于1.4时为不充分采动。

3．采空区注浆设计

3.1．钻孔布置

依据工程经验，注浆孔一般可分为三类：①帷幕孔，为封堵采空巷道，防止注浆过程中浆液流失而布置在基础两侧治理边界上的孔；②为冒落带充填孔，布置在采空区煤层治理范围内的孔；③为裂隙带注浆孔，平面布置为三角形，孔距20~25m，排距30~35m不等，当裂隙带较大时，孔距和排距宜较小取值。在实际工程中，根据工程特点及采空区情况合理布置以上三类钻孔。

3.2．注浆材料

注浆材料以水、水泥、粉煤灰为主剂，以复合型早强剂和水玻璃为外加剂。当灌浆量较大时，还要用到砂或矿渣等其它材料（如粘土、黄土等）作为充填材料。

3.3．注浆量计算

（1）总的注浆量计算可采用以下公式

Q=S×H×K×λ

式中Q——注浆量(m3)；

S——采出煤层的面积(m2)；

H——采出煤层的厚度；

K——回采率，%；

λ——地区经验系数。

注：以上参数可根据勘探资料、煤矿开采情况调研资料及本地区类似工程资料取得。

（2）单孔注浆量计算宜根据以下公式计算：

Q（单）＝A·π·R2·H·△V·k·η/C

式中Q（单）——单孔注浆量(m3)；

A——单孔注浆量浆液损耗系数，取值在1.0~1.5之间；

R——浆液有效扩散半径，按孔距的一半计算(m)；

H——采空区煤层厚度(m)；

△V——采空区剩余空隙率：即煤层被采出后，原空间经塌陷冒落岩块充填后剩余的空隙，其取值在0.2~1.0之间；

k——煤层采取率，一般通过矿山实际情况调查确定；

Η——注浆充填系数，取值在0.75~0.95之间；

C——浆液结石率，取值在0.70~0.95之间。

注：以上参数取值是根据部分地区经验取得，在计算采用时需根据实际情况进行必要的修正。

3.4．浆液配合比设计

注浆浆液为水泥粉煤灰浆，水固比为1:0~1:1.4，对于帷幕孔注浆采用水固比较大的浆液，在固相中水泥约占30%，粉煤灰约70%。对于注浆孔注浆可采用水固比较小的浆液，在固相中水泥约20%，粉煤灰约占80%。

根据配合比计算水、水泥、粉煤灰用量时，应先对粉煤灰进行试验分析，测得其含水量w（%）。假设水量为S，水泥量为N，粉煤灰量为F，则

水固比=(S+F×w)/（N+F×(1-w)）

根据水固比和水泥、粉煤灰的固相比计算配制一定体积浆液所需水、水泥、粉煤灰的量。

由于各个工程所要求达到的地基承载力不同，所以在采空区注浆施工中，通常是在对浆液的技术指标进行试验分析后选择合适的浆液配合比。浆液的技术指标主要包括：初凝时间、粘度、结实率、抗压强度、比重等。

3.5．注浆压力计算

（1）注浆时的孔口压力可按以下经验公式进行简单计算：

P=0.2+0.03h

式中P——注浆孔口压力(MPa)；

h——从浆液面到孔口的深度(m)。

（2）注浆时的孔口压力也可按以下公式计算：

Pb=P-(Hcρc-Hwρw)/10×0.1

式中Pb——孔口注浆压力(MPa)；

P——钻孔有效全压力(MPa)，该值可随注浆深度增加而增大，一般依据现场钻孔内具体情况确定，取钻孔内含水层静水压力的1.5~2.0倍；

Hc——受注层段1/2处至孔口压力表的浆液柱高度(m)；

ρc——浆液相对密度；

Hw——静水位至受注层段1/2处的水柱高度(m)；

ρw——水的相对密度。

注：根据实际施工情况选择合适的公式进行计算。

4．施工工艺

4.1．钻孔施工工艺

（1）钻探开孔时采用Φ130mm孔径钻进，钻至完整基岩6m后，换不小于Φ91mm孔径钻进至终孔。取芯钻进可采用硬质合金钻头，非取芯钻进可采用全面合金钻头或人造金刚石钻头，正循环清水冲孔。为防止上部塌孔，变径部位以上，下入Φ127mm或Φ114mm套管护壁。

（2）钻孔每百米孔斜度不应超过1.5度，终孔时应测孔斜度。对3%~10%的注浆孔进行全取芯。对于全取芯孔，第四系松散层可不取芯。采空区上部覆岩部位岩芯采取率＞60%，空塌陷区部位岩芯宜根据钻进过程中采空区中的塌陷情况确定，采取率应＞l5-30％。在钻进过程中，做好钻探原始记录和岩芯编录工作。钻孔施工过程中，如发现漏水、掉钻、埋钻等现象要详细记录其深度、层位和耗水量。对于不取岩芯孔，应尽量在预计采空区位置之上15-20m处至采空区底板1m范围内，提取岩芯，以判断采空塌陷程度，指导注浆施工。

（3）浇铸孔口管：将一端带有Φ120~Φ130mm法兰盘的Φ50mm注浆管下入孔内变径处，孔内投入20cm厚砾石，以堵塞大的缝隙，再投入30cm的厚粘土，然后加入水灰比1:1.5~1:1.2的稠水泥浆，浇铸4~6m，浇铸要求以注浆过程中浆液不会从注浆孔孔壁周围溢出为标准。

4.2．注浆施工工艺

（1）注浆施工顺序：①先进行帷幕孔注浆，再进行一般孔注浆。②注浆施工按分序加密的原则，多排孔注浆时，先边排后中排，先深孔后浅孔，在同一排上，采用间隔跳跃式或分三个次序注浆。③同一次序的孔可同时注浆，不同次序的孔按规定的次序由下而上分段进行上行性注浆，前一次序的孔全部注浆完成后再进行下一次序孔的钻进工作。

（2）注浆施工工艺流程：接通注浆管道配料制浆（加入水泥、粉煤灰，一级搅拌、二级搅拌）清水洗孔注稀浆注稠浆（间歇注浆投砂）终孔打压验收封孔

注浆前做压水试验，大约10min，以确保连接可靠，不泄漏，冲洗管道和裂隙，以使注浆通畅。

制浆搅拌过程：在搅拌池中加入适量的水、水泥、粉煤灰，进行一级搅拌和二级搅拌，高速搅拌机每次搅拌时间不得少于3min；低速搅拌机每次搅拌时间不得少于5min。

①注浆：下注浆管至基岩以下6m变径处开始注浆。注浆采用浆液浓度先稀后稠的方法，首先注入水固比1:1.0的稀浆，注入一定量后根据孔中的压力变化情况更换为下一级配比的浆液，直到达到1:1.4。注浆过程中，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种现象，收集原始数据，并根据实际情况及时调整注浆量和浆液浓度。为便于注浆质量控制，实际注浆时，每孔可选稀、稠两种配比的浆液进行灌浆，稀浆灌注量取单孔注浆量的20％～30%。当注浆量较大时，应采用间歇式注浆法施工，或用砂或矿渣等其它材料（如粘土、黄土等）作为充填材料，由浆液带入孔内。必要时，可在浆液中加入水泥重量2%的速凝剂。

②更换浆液配合比的原则：压力不升高，注入一定量后，就更换注入稠一级浆液；压力升高就不更换浆液，直到达到单孔结束注浆标准。单孔注浆结束标准一般需通过现场采空区注浆试验确定。通过对类似工程的总结，一般可按以下要求控制：在注浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当孔口注浆压力在1.0~3.0MPa，泵量在50~100L/min稳定10~15min时，或是注浆孔周围有冒浆现象时，可作为该注浆孔注浆施工的结束标准。

③间歇式注浆法施工。当单孔注浆量超过设计注浆量的20％时，若孔口仍没压力，改用间歇式注浆法施工。间歇时间控制在0~12h，二次注浆仍采用原来的方法，浆量控制在单孔设计注浆量的25%。如果孔口仍没有压力，再次间歇注浆，以此循环，直到达到单孔结束注浆要求。

④注浆过程中，若注浆孔附近冒浆，应采用减小泵量、地面充填裂隙或间歇注浆的措施，避免浆液从地面大量流失。

五．质量检测

采空区注浆工程施工质量检测的方法主要有钻探和物探两种。物探配合检查孔，在孔内布置单孔波速测试。

一般在注浆施工结束3~6个月后，进行检查孔施工和孔内波速测试。检查孔施工，通过孔内取芯直接观察采空区的浆液充填情况，并在孔内取试件进行抗压试验，检查注浆材料强度是否达到设计要求。在检查孔内进行单孔波速测试，测得的剪切波速值并与治理前的物探资料对比，检查灌浆质量是否符合设计要求。在综合考虑检查孔的钻探资料和单孔波速测试资料后，对采空区治理效果作出客观、准确的评价。

六．结语

以上有关采空区治理工程设计及施工的分析是在对多个类似工程进行分析研究后总结出来的，具有一定的普遍性。由于采空区治理工程涉及的问题较多，本文对部分问题的分析未能详尽，还需在以后的工程中做更多的总结分析。本文对类似的采空区治理工程，具有一定的参考性。但在有特殊要求或特殊情况时，还需要根据实际情况进行有针对性的分析。

参考文献：

[1] 胡茂焱等.地质灾害与治理技术.中国地质大学出版社，2009.

[2] 常士骠，张苏民等.工程地质手册（第四版）.中国建筑工业出版社，2007.

[3] 严敬.工程流体力学.重庆大学出版社，2007.

[4] 宋春青等.地质学基础.中国高等教育版社，2004.

[5] 王奎华.岩土工程勘察(第一版).中国建筑工业出版社,2005.