潘立文，伍 松

（湖北省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，湖北武漢 434000）

0 引言

煤礦采空區(qū)影響范圍內(nèi)出現(xiàn)的地裂縫、地面沉陷是一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，它嚴(yán)重影響地表建筑物地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，采空區(qū)的地基基礎(chǔ)變形問(wèn)題倍受人們關(guān)注，下面就富晉精密工業(yè)有限公司二期生產(chǎn)項(xiàng)目A區(qū)采空區(qū)運(yùn)用全膠結(jié)注漿法進(jìn)行工程治理的具體設(shè)計(jì)及施工介紹如下。

1 工程概況［1］

富晉精密工業(yè)有限公司二期生產(chǎn)項(xiàng)目選址于山西省晉城市金村鎮(zhèn)侯匠村北，項(xiàng)目區(qū)建設(shè)用地面積0.34km2。根據(jù)勘查資料，場(chǎng)地內(nèi)分為上下兩層采空區(qū)（圖1、2、3），上層9#采空區(qū)高度 1.10 ～1.30m，埋深約50m，為小煤窯開(kāi)采，采空區(qū)分布無(wú)規(guī)律；下層15#采空區(qū)高度3.0～3.2m，埋深約80m，分布較穩(wěn)定，但巷道較長(zhǎng)，且停采年代較久，存在地下水、巷道變形等不良環(huán)境條件（圖2）。受下伏煤礦采空區(qū)的影響，采空區(qū)上部巖體裂隙發(fā)育，整體性差，自拱能力降低，導(dǎo)致地表出現(xiàn)大量地裂縫，場(chǎng)地穩(wěn)定性不能滿(mǎn)足生產(chǎn)項(xiàng)目的要求。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件［1］

根據(jù)勘查報(bào)告，場(chǎng)區(qū)主要地層巖性如下：

（1）第四系中上更新統(tǒng)（Q2+3）

巖性為淺棕-棕紅色粉質(zhì)粘土，局部相變?yōu)檎惩?，富含鈣質(zhì)結(jié)核，稍濕，堅(jiān)硬，較致密。厚度1.50-3.0m

圖1 9#采空區(qū)及影響范圍分布圖Fig.1 Mined Area No.9 and its affecting area

（2）石炭系上統(tǒng)太原組（C3t），其分為上、中、下三段：

①上段（C3t3）：巖性主要為深灰色泥巖、薄煤層、石灰?guī)r、砂巖等組成，富含植物化石。揭露厚度平均35m。

圖2 15#采空區(qū)及影響范圍分布圖Fig.2 Mined Area No.15 and its affecting area

圖3 9#、15#煤炭采空區(qū)分布示意圖Fig.3 Cross section of Mined Areas 9 and 15

②中段（C3t2）：巖性主要為灰、深灰、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、中細(xì)粒砂巖、9#煤層和數(shù)層石灰?guī)r組成。9#煤層中段，煤層厚度不穩(wěn)定，平均厚度0.80m，采空區(qū)高度1.10～1.30m，頂板為石灰?guī)r，底板為灰質(zhì)泥巖，底板平均埋藏深度40～61m。

③下段（C3t1）：巖性主要由泥質(zhì)砂巖、15#煤層和灰?guī)r組成。15#煤層位于下段，煤層厚度連續(xù)、穩(wěn)定，平均厚度3.0m，采空區(qū)高度3.0～3.20m，頂板為石灰?guī)r，底板為砂質(zhì)泥巖，底板平均埋藏深度80～91m。

（3）石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）

巖性為灰白色鋁土質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，揭露最大厚度9.50m。

區(qū)內(nèi)地層總體走向北北東、傾向北西，地層傾角5°～8°，構(gòu)造簡(jiǎn)單。

3 全膠結(jié)注漿法的注漿機(jī)理［2］

全膠結(jié)注漿法的注漿機(jī)理為：在煤礦采空區(qū)影響范圍內(nèi)，按一定孔距和排列方式，布設(shè)足量的注漿孔，用鉆機(jī)成孔后，通過(guò)注漿泵、注漿管，將水泥粉煤灰漿注入采空區(qū)及其上覆巖體裂隙中，漿液固化后膠結(jié)巖層裂隙帶，同時(shí)采空區(qū)內(nèi)的漿液形成的結(jié)石體對(duì)其上覆巖層形成支撐作用，阻止上覆巖體的進(jìn)一步冒落，防止地面因冒落而引起的沉陷變形，保證擬建建筑物的穩(wěn)定，從而達(dá)到治理目的。

4 工藝流程及質(zhì)量控制

4.1 工藝流程概述

采空區(qū)治理工藝流程包括成孔、制漿、注漿等一系列前后連續(xù)、配合緊密的環(huán)節(jié)。

采空區(qū)治理工藝流程內(nèi)各環(huán)節(jié)的相互關(guān)系如圖4所示：

4.2 成孔工藝

4.2.1 定點(diǎn)

注漿孔采用經(jīng)緯儀、皮尺進(jìn)行實(shí)地測(cè)量放樣，鉆孔實(shí)際位置原則上不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)位置0.5m，當(dāng)因地面影響，鉆機(jī)不能就于設(shè)計(jì)位置時(shí)，可視具體情況進(jìn)行調(diào)整。

4.2.2 成孔及技術(shù)要求

（1）成孔

鉆進(jìn)初始階段，各采空區(qū)治理區(qū)域內(nèi)分別布設(shè)2～3個(gè)取芯鉆孔，對(duì)地層情況進(jìn)行勘測(cè)和驗(yàn)證，指導(dǎo)周邊鉆孔的鉆進(jìn)層位，其余鉆孔可參照取芯鉆孔的鉆進(jìn)情況實(shí)施不取芯鉆進(jìn)。

為保證按時(shí)完成治理施工任務(wù)，須采用相應(yīng)的施工工藝和施工設(shè)備。

在施工工藝方面，土層及強(qiáng)風(fēng)化基巖選用合金鉆頭鉆進(jìn)，泥漿或套管護(hù)壁；中等及微風(fēng)化基巖選用復(fù)合體鉆頭鉆進(jìn)。

施工設(shè)備需采用J10或XY300型工程地質(zhì)鉆機(jī)，并配備大功率空氣壓縮機(jī)實(shí)施潛孔錘鉆進(jìn)。

成孔工藝簡(jiǎn)述如下：

①用Φ130mm鉆頭開(kāi)孔，鉆進(jìn)至基巖面下5m后，下入φ127mm套管護(hù)壁，然后變徑Φ89mm。

②用Φ89mm鉆頭，鉆進(jìn)至采空區(qū)中的塌陷冒落或煤層底板0.3～0.5m終孔。

③鉆孔經(jīng)鉆探技術(shù)員及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理驗(yàn)收同意后，澆鑄注漿管。

（2）技術(shù)要求［3］

①鉆孔位置要與測(cè)量所定孔位一致，偏差不應(yīng)超過(guò)0.5m，如因地形影響鉆孔不能就位時(shí)，報(bào)技術(shù)部視具體情況，請(qǐng)示監(jiān)理工程師變更孔位，不得擅自改變孔位。

②鉆孔測(cè)斜頻率：在終孔前測(cè)量一次孔斜（頂角、方位角），要求終孔孔斜≤2°。

③鉆進(jìn)時(shí)必須采用一定的導(dǎo)向措施，以保證成孔質(zhì)量?；鶐r面5m以下必須采取清水鉆進(jìn)，回水池巖屑要及時(shí)清理干凈。采空區(qū)底板巖芯必須取芯并拍照。

④鉆孔施工過(guò)程中，要做好鉆探原始記錄，尤其是采空區(qū)塌陷冒落帶。鉆探記錄要使用藍(lán)、黑鋼筆填寫(xiě)，記錄要整齊、清晰、真實(shí)、規(guī)范，地層分界、巖性鑒定要準(zhǔn)確，并有施鉆和記錄人員簽字。

⑤鉆孔施工過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)漏水、漏風(fēng)、掉鉆、卡鉆等異?，F(xiàn)象要詳細(xì)記錄其深度、層位和耗水量、耗風(fēng)量，并通知技術(shù)部。

⑥鉆孔施工過(guò)程中和終孔后要進(jìn)行水位觀(guān)測(cè)，并記錄。

⑦鉆進(jìn)過(guò)程中要及時(shí)觀(guān)察并記錄耗水量。

⑧終孔后經(jīng)技術(shù)人員檢查鉆探原始記錄和巖芯編錄后，報(bào)監(jiān)理驗(yàn)收并簽發(fā)終孔通知書(shū)后，方可轉(zhuǎn)入下一道工序。

4.3 澆鑄孔口管

鉆孔結(jié)束后，采用Φ50mm鋼管，在管子前端20～30cm處焊接一圓形法蘭托盤(pán)（托盤(pán)直徑120～130mm），下入孔內(nèi)變徑處，松動(dòng)原Φ127mm護(hù)壁管，再灌入水灰比為1∶1.5～1∶1.2的稠水泥漿，澆鑄長(zhǎng)度為4～6m，然后拔起護(hù)壁管。澆鑄質(zhì)量要求達(dá)到注漿過(guò)程中漿液不會(huì)從孔口管外溢出。水泥漿液中應(yīng)加入水泥重量2％的速凝劑，快速將注漿管與孔壁固結(jié)。Φ50mm鋼管要高出地面0.50m，并在管口安裝堵頭。

4.4 制漿工藝［4］

4.4.1 注漿材料

注漿材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝劑等組成，水為甲方提供，參照《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ-89），其 SO-24含量＜1.0％，pH＞5；水泥采用質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)號(hào)為P·O 32.5的普通硅酸鹽水泥；粉煤灰質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)～三級(jí)，SiO2、Al2O3和Fe2O3的總含量大于70％，SO3含量不大于3％，其它方面應(yīng)符合注漿工程的要求；速凝劑可選用水玻璃，水玻璃模數(shù)2.4～3.0，濃度 30°Be～40°Be；砂、碎石可就近取材。

4.4.2 漿液配合比

參照以往采空區(qū)治理工程的經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)?shù)夭牧瞎?yīng)情況，通過(guò)配比試驗(yàn)，漿液為水泥粉煤灰漿，水固比一般取為1∶1.0～1∶1.4，本次以1∶1為主，漿液稠稀隨注漿情況進(jìn)行調(diào)整。水泥占固相30％，粉煤灰點(diǎn)固相70％。帷幕孔的漿液中摻和加水泥重量2％～5％速凝劑，使灌入采空區(qū)內(nèi)的漿液盡快凝固，以形成帷幕，防止?jié){液流失。

正式施工前，應(yīng)按施工時(shí)使用的水泥、粉煤灰，在試驗(yàn)室作漿液配合比試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)包括每立方米漿液干料含量、漿液濃度、初、終凝時(shí)間，結(jié)石率、抗壓強(qiáng)度等。

4.4.3 注漿材料的配制

（1）漿液配制應(yīng)按設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行，并隨機(jī)抽查漿液的各項(xiàng)指標(biāo)。

（2）原材料：

水用水表或定量容器計(jì)量；水泥按袋計(jì)量；粉煤灰用容器計(jì)量，并要求用磅稱(chēng)抽查水泥、粉煤灰的數(shù)量；

（3）漿液拌制過(guò)程如圖5所示：

4.4.4 攪拌過(guò)程

配制漿液時(shí)，水泥與粉煤灰準(zhǔn)確計(jì)量后混入一級(jí)攪拌池中攪拌，然后經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)注入二級(jí)攪拌池?cái)嚢琛Ｃ看螖嚢钑r(shí)間不得低于10分鐘，待漿液攪拌均勻后，通過(guò)注漿泵注入采空區(qū)。

圖5 制漿工藝流程圖Fig.5 Process of pulp making

注漿開(kāi)始后，要定時(shí)觀(guān)測(cè)泵的吸漿量和泵壓，及時(shí)記錄灌漿過(guò)程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和原始數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整漿液配比和注漿方法。

4.5 注漿工藝

4.5.1 注漿系統(tǒng)配置

（1）注漿系統(tǒng)構(gòu)成

注漿系統(tǒng)由：料場(chǎng)、一級(jí)攪拌池（機(jī)）、二級(jí)攪拌池（機(jī)）、供水系統(tǒng)、注漿泵、注漿管道、封孔裝置等組成。注漿系統(tǒng)的平面布置如圖6所示：

（2）注漿系統(tǒng)技術(shù)要求［3］

①料場(chǎng)：堆放材料的料場(chǎng)場(chǎng)地要平整，運(yùn)料車(chē)輛能正常通行，且緊鄰攪拌機(jī)，使材料便于運(yùn)輸、搬運(yùn)；要求設(shè)有防潮、防雨措施。

②攪拌機(jī)：要求能滿(mǎn)足正常施工要求，攪拌后的漿液應(yīng)均勻，符合設(shè)計(jì)要求，一次攪拌量應(yīng)≥1.5m3。

圖6 注漿系統(tǒng)平面布置示意圖Fig.6 Layout of the grouting system

③攪拌池：修建的攪拌池應(yīng)滿(mǎn)足正常施工要求，池為圓柱體，中間設(shè)置攪拌系統(tǒng)，使得攪拌后的漿液均勻，符合要求，一次攪拌量應(yīng)≥1.5m3。

④蓄水池：制漿站應(yīng)根據(jù)施工注漿總量需要，建立數(shù)個(gè)蓄水池，以保證正常施工，蓄水池建筑規(guī)模及要求視工地具體情況而定。

⑤注漿泵：宜采用變量泵，其額定排漿量不小于200L/min，注漿泵壓力應(yīng)大于注漿最大設(shè)計(jì)壓力的1.5倍。

⑥ 壓力表：注漿孔壓力表最大指數(shù)應(yīng)大于2.0MPa。帷幕孔壓力表最大指數(shù)應(yīng)大于5.0MPa。

⑦封孔裝置：注漿孔采用Φ50mm鋼管，在管子前端20～30cm處焊接一圓形法蘭托福（托盤(pán)直徑Φ120～125mm），下入孔內(nèi)變徑處。封孔裝置也可采用球形止?jié){塞，封孔位置在基巖內(nèi)5～10m處，或采空區(qū)上方10～20m處。該封孔裝置具體封孔位置由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)定。

⑧ 注漿管：采用Φ50mm鋼管，絲扣連接。

4.5.2 注漿工藝及其有關(guān)參數(shù)

（1）施工順序：先施工帷幕孔，再施工注漿孔，注漿分二序次進(jìn)行。

（2）注漿

在注漿施工的開(kāi)始階段，注意搜集整理各地段各種配比漿液的灌注充填情況，獲取更為合理的注漿施工參數(shù)。

注漿采用漿液濃度先稀后稠的方法，注漿開(kāi)始后，要定時(shí)觀(guān)測(cè)泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過(guò)程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，收集原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整注漿量和漿液濃度。

注漿設(shè)備宜采用灰漿泵。當(dāng)?shù)叵虏煽諈^(qū)空隙較小時(shí)，可采用水灰比1：1.0的水泥粉煤灰漿，水泥為固體總量的30％，粉煤灰為固體總重的70％。制漿材料中增添水泥重量2％～5％的速凝劑。當(dāng)?shù)叵虏煽諈^(qū)空洞體積較大或向場(chǎng)區(qū)外側(cè)滲漏漿液時(shí)，可于孔口處增設(shè)一漏斗狀的投砂器，用漿液將砂或石粉帶入孔內(nèi)。防止?jié){液向場(chǎng)區(qū)外側(cè)滲漏是實(shí)現(xiàn)本期采空區(qū)治理工程經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需密切觀(guān)測(cè)場(chǎng)區(qū)邊緣帷幕孔及接近邊緣注漿孔的灌注情況，必要時(shí)及時(shí)增加漿液中砂或石粉的投送數(shù)量。

（3）單孔注漿孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

在注漿孔的注漿末期，泵壓逐漸升高，當(dāng)泵量小于70L/min時(shí)，孔口管壓力在1.0MPa以上穩(wěn)定10～15min后，或注漿孔周?chē)忻皾{等現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，可報(bào)監(jiān)理工程師同意后結(jié)束該孔的注漿施工。

5 注漿質(zhì)量檢測(cè)［5］

5.1 注漿質(zhì)量檢測(cè)方法

采空區(qū)治理工程結(jié)束后，采用下列方法進(jìn)行注漿質(zhì)量檢測(cè)：

（1）鉆探：注漿施工結(jié)束6個(gè)月后，進(jìn)行鉆孔檢驗(yàn)。通過(guò)孔內(nèi)取芯直接觀(guān)察采空區(qū)的漿液充填情況，并對(duì)巖芯無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合鉆探過(guò)程中循環(huán)液的漏失情況及孔壁的穩(wěn)定性等評(píng)價(jià)注漿質(zhì)量。

（2）波速測(cè)井：在檢查孔內(nèi)進(jìn)行波速測(cè)試，通過(guò)橫波波速判斷注漿質(zhì)量。

5.2 注漿質(zhì)量檢測(cè)的工作量布置

（1）注漿質(zhì)量檢測(cè)位置應(yīng)隨機(jī)布設(shè)。

（2）為檢查施工質(zhì)量，通常按注漿孔的2％ ～5％設(shè)置檢查鉆孔數(shù)量。檢查孔深度應(yīng)為原地面至采空區(qū)底板的深度。

5.3 注漿質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)及質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)

注漿質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)包括：

（1）檢查孔在采空區(qū)段巖芯采取率需達(dá)到100％；

（2）在檢查孔內(nèi)進(jìn)行波速測(cè)試時(shí)，橫波波速應(yīng)＞160m/s；

（3）采空區(qū)段巖芯無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度＞0.3MPa；

（4）檢查孔施工中不能出現(xiàn)掉塊、循環(huán)液漏失異常的情況。

上述4項(xiàng)指標(biāo)至少2項(xiàng)達(dá)到要求，才能判斷注漿質(zhì)量合格，否則為不合格，需要進(jìn)行補(bǔ)充注漿。

6 治理效果與體會(huì)

（1）該工程通過(guò)半年的施工及近一年的防治工程效果監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明地表沉陷已經(jīng)停止，該治理工程取得圓滿(mǎn)成功，經(jīng)有關(guān)部門(mén)驗(yàn)收后已交付使用。

（2）全膠結(jié)注漿法最關(guān)鍵的技術(shù)是制漿、注漿質(zhì)量。

（3）目前國(guó)內(nèi)針對(duì)煤炭采空區(qū)的治理方法主要有2種，即巷道筑砌法與全注漿膠結(jié)法。巷道筑砌法即采用漿砌石墻、柱等支撐頂板以達(dá)到防止采空區(qū)產(chǎn)生沉陷變形的目的，其具有施工成本低、工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是施工以人工為主，對(duì)施工環(huán)境要求較高。全膠結(jié)注漿法通過(guò)對(duì)采空區(qū)注入漿液形成結(jié)石體以對(duì)上覆圍巖起到支撐作用，以機(jī)械施工為主，施工不受場(chǎng)地地質(zhì)環(huán)境限制。

（4）全膠結(jié)注漿法以其經(jīng)濟(jì)、安全、快捷等優(yōu)點(diǎn)在本工程中得到了充分體現(xiàn)，在煤礦采空區(qū)治理工程中有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

［1］晉城市富晉精密工業(yè)（晉城）有限公司二期生產(chǎn)項(xiàng)目建設(shè)用地采空區(qū)勘查地質(zhì)報(bào)告［R］.2005.

［2］何國(guó)清，等.礦山開(kāi)采沉陷學(xué)［M］.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

［3］工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)（第四版）［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2007.

［4］JGJ63-1989，混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］水泥及水泥制品生產(chǎn)使用質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢測(cè)工作技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施手冊(cè)［M］.北京：中華圖書(shū)出版社，2005.