花管注漿在全充填采空區(qū)治理工程的應(yīng)用

楊明星

（山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西晉中 030620）

0 引言

山西長期煤礦開采遺留的采空塌陷區(qū)眾多，帶來大面積土地塌陷、地裂縫、山體滑坡、泥石流、地下水位下降、水資源嚴(yán)重枯竭、煤層自燃等地質(zhì)災(zāi)害。公路、鐵路、房建等建設(shè)工程為確保建設(shè)質(zhì)量，必須有效治理采空區(qū)。目前，國內(nèi)外尚未建立采空區(qū)勘察設(shè)計與施工治理技術(shù)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，僅依據(jù)山西地方行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高速公路采空區(qū)（空洞）勘察設(shè)計與施工治理手冊》，在部分領(lǐng)域還須深入研究，設(shè)計、施工技術(shù)仍處于探索階段。

山西煤礦采空區(qū)的治理已有15年的歷史，在山西長（治）-晉（城）、太（原）-長（治）、陽（泉）-侯（馬）、離（石）-軍（渡）高速公路煤礦采空區(qū)治理工程中，作者對各工程設(shè)計、施工、檢測各環(huán)節(jié)進行對比分析和總結(jié)。對空洞掉鉆孔、冒落孔、煤柱孔注漿，一律設(shè)計為常規(guī)裸孔注漿法，存在致命弊病——實際注漿量嚴(yán)重不足，因堵塞表觀假象已達到注漿終止條件，必須優(yōu)化改進。

全充填壓力注漿法是目前治理采空區(qū)的主要方法，治理質(zhì)量取決于注入采空區(qū)及其上覆巖體裂隙帶漿液的充填率和結(jié)石率。然而，常規(guī)采用的裸孔注漿法，致使冒落帶和裂隙帶通道經(jīng)常被漿液材料堵塞；致使邊緣煤柱孔壁應(yīng)高壓突破的通道卻絲毫未通；致使排風(fēng)空洞掉孔鉆孔主通道封閉。這三種注漿孔幾乎占總注漿孔的70％ ～80％，嚴(yán)重影響治理區(qū)的充填率和結(jié)石率，嚴(yán)重影響治理質(zhì)量。如何解決是治理采空區(qū)的關(guān)鍵和重要研究課題。

1 全充填壓力注漿的機理和要求

在地表鉆孔，通過注漿泵、注漿管、孔口封孔裝置、鉆孔（或孔內(nèi)注漿花管），將水泥粉煤灰漿液（或其它充填液材料）注入采空區(qū)及其上覆巖體裂隙中，漿液經(jīng)過固化，膠結(jié)巖層裂隙帶，同時采空區(qū)的漿液結(jié)石體對其上覆巖層形成支撐作用，阻止沉降，保證地基的穩(wěn)定。充填率越高，各鉆孔所注漿液在采空區(qū)形成的結(jié)石支撐面越大，裂隙膠結(jié)率越高，治理質(zhì)量越有保證。［1］

鉆孔至采空區(qū)底板終孔，終孔孔徑不小于φ91cm，在進入完整基巖6m以上至地表段水泥漿澆鑄封閉套管與孔壁間隙。注漿前后泵入清水洗孔，漿液先注稀漿后注稠漿，稀漿約占單孔注漿量的30％，注漿量過大可采取間歇注漿、在漿液中添加速凝劑、孔口投砂等措施，直到當(dāng)封閉孔口灌漿量小于70L/min，孔口壓力在1.0～1.5MPa，并穩(wěn)定10～15min；或當(dāng)注入一定漿量，孔口壓力不小于0.3MPa，若出現(xiàn)地表裂隙仍大量跑漿時，單孔注漿結(jié)束。設(shè)計制漿材料重量配比為水泥∶粉煤灰=30∶70或25∶75或20∶80；水固比=1∶1.0～1∶1.4。6個月后鉆探和物探檢測，要求結(jié)石體巖芯強度不小于0.3MPa，橫波波速大于 160m/s。［1］

2 漿液正循環(huán)花管注漿與裸孔注漿對比

傳統(tǒng)的注漿方法是孔口封閉裸孔注漿，漿液從孔口直接向裂隙帶冒落帶單向流動。對冒落注漿孔，如果孔底漿液流動不暢通，孔內(nèi)積聚漿液中的粉煤灰在重力作用下沉淀，很快堵死漿液通道，孔口壓力急劇升高，不能再注漿，無法疏通，造成注漿孔報廢。對排風(fēng)空洞掉鉆孔，漿液在孔內(nèi)受高壓氣流阻擋，流量小，黏附在孔壁的漿液不斷凝結(jié)，直至封閉鉆孔主通道，不能注漿，造成注漿孔報廢。對煤柱邊緣鉆孔，孔內(nèi)沉淀的水泥柱（裸孔注入的水泥漿遇孔內(nèi)清水后稀釋沉淀造成）隔斷壓力向孔底煤柱孔壁的傳遞，不能高壓突破邊緣孔壁通道。據(jù)不完全統(tǒng)計，采用裸孔注漿法治理采空區(qū)，最多有15％的空洞掉鉆鉆孔，除排風(fēng)孔外，注漿量很大，適合使用；70％的冒落帶鉆孔，鉆進終孔時漏失量嚴(yán)重、終孔無水位、清水洗孔20分鐘孔內(nèi)仍無水位，而注漿時吃漿量輕微，出現(xiàn)堵塞事故；15％的煤柱鉆孔中，煤柱邊緣鉆孔100％不能高壓突破孔底煤柱孔壁。

漿液正循環(huán)花管注漿，如同沖洗液正循環(huán)鉆孔一樣，孔內(nèi)注漿花管下到孔底，孔口不封閉（終止注漿時仍實行孔口封閉壓力注漿），漿液自孔底注漿花管向裂隙帶冒落帶、孔外雙向流動。對冒落注漿孔，孔底通道不暢時，漿液經(jīng)孔底段注漿花管一部分流過裂隙或冒落帶通道，一部分沿鉆孔上返經(jīng)注漿管外環(huán)狀間隙流回儲漿攪拌池?？變?nèi)粉煤灰在漿液上返流速攜帶作用下一直處于懸浮狀態(tài)，不停泵就不會發(fā)生因粉煤灰沉淀堵塞事故。當(dāng)孔內(nèi)出現(xiàn)返漿或返漿量增大時，為防止通道內(nèi)粉煤灰堵塞，可不停泵泵入清水從孔底直接沖刷疏通裂隙或冒落帶通道。對排風(fēng)空洞掉鉆孔，漿液經(jīng)孔內(nèi)注漿管直接進入空洞，注漿管外環(huán)狀間隙仍能排出氣流，不影響管內(nèi)漿液流量，不會因漿液黏附孔壁封閉鉆孔主通道。對煤柱邊緣鉆孔，沒有沉淀的水泥柱（從孔底注入水泥漿可把孔內(nèi)清水全部排出孔外，水泥漿不會被稀釋沉淀），漿液壓力直接作用于孔底煤柱孔壁，利于邊緣煤柱孔壁的高壓突破。采用漿液正循環(huán)花管注漿法，對各試驗段工程統(tǒng)計，排風(fēng)空洞掉鉆注漿孔未發(fā)現(xiàn)鉆孔主通道封閉現(xiàn)象；冒落帶注漿孔，均能達到和超過單孔設(shè)計注漿量要求，未發(fā)生注漿孔報廢事故；邊緣煤柱孔通道突破率達78.5％。

3 漿液正循環(huán)花管注漿方案

粉煤灰越多、水越少、添加速凝劑越多，漿液流動阻力越大，漿液擴散半徑越小，對裂隙帶冒落帶越易堵塞，但越能限制過遠(yuǎn)流動造成的過大漿液浪費。因此，不同階段選擇不同漿液配比（固相比和水固比、添加劑）才能有效預(yù)防堵塞事故，提高漿液充填率，減少漿液浪費，形成一定擴散半徑的漿液結(jié)石體支撐柱，保證治理質(zhì)量。方案選擇依據(jù)鉆進過程出現(xiàn)的掉鉆、冒落、煤柱、孔口吸風(fēng)、排風(fēng)等現(xiàn)象綜合判斷確定。

（1）排風(fēng)掉鉆孔采用漿液正循環(huán)花管注漿。掉鉆高度超過30cm，起始漿液配比選用水泥∶粉煤灰=25∶75，水固比由低到高間歇注漿（每注50m3左右間歇3h），每次間歇注漿前測量空洞高度的變化，如變化輕微，則漿液配制提高一級水固比；如使用水固比=1∶1.2漿液注漿間歇后，測量空洞高度仍無明顯變化，則換用水泥∶粉煤灰=20∶80漿液水固比由低到高間歇注漿；如再使用水固比=1∶1.2漿液注漿間歇后，測量空洞高度仍無明顯變化，則可在漿液里添加適量速凝劑，并結(jié)合間歇措施；當(dāng)空洞高度小于10cm時，停止添加速凝劑，再次換用配比水泥∶粉煤灰=25∶75、水固比=1∶1.2漿液間歇注漿；如孔口壓力表顯示有壓力后，必須換用配比水泥∶粉煤灰=30∶70、水固比=1∶1.0漿液連續(xù)注漿，直至達到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)停注。

（2）煤柱邊緣鉆孔終孔提鉆前必須采用正循環(huán)清水洗孔。注漿前先孔口封閉裸孔泵清水，高壓大泵量清洗裂隙通道。之后采用漿液正循環(huán)花管注漿法泵滿水灰比0.5的水泥漿，排除孔內(nèi)清水，再封閉孔口壓力注漿，直至達到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)停注。如突然失去壓力，長時間注漿不起壓，則說明高壓突破邊緣煤柱孔壁，打開裂隙通道，換用配比水泥∶粉煤灰=30∶70、水固比=1∶1.0漿液連續(xù)注漿，直至達到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)停注。

（3）冒落注漿孔必須采用漿液正循環(huán)花管注漿。起始選用水泥∶粉煤灰=30∶70、水固比由低到高間歇注漿，并在漿液中添加適量增粘劑。每間歇注漿前后必須清水沖洗鉆孔，防止通道堵塞。每次間歇注漿前測量孔內(nèi)漿面位置的變化，如變化輕微，則漿液配制提高一級水固比；當(dāng)使用水固比=1∶1.3漿液注漿，孔內(nèi)漿面位置仍不見明顯提高時，則換用配比水泥∶粉煤灰=25∶75、水固比由低到高間歇注漿；一旦發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)漿面位置明顯提高，返漿量加大，立即不停泵泵入清水沖刷疏通裂隙或冒落帶通道，當(dāng)孔內(nèi)漿面明顯下降時，換用配比水泥∶粉煤灰=30∶70、水固比=1∶1.0漿液連續(xù)注漿，直至達到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)停注。

4 應(yīng)用實例證明漿液正循環(huán)花管注漿法能保證治理質(zhì)量

山西太（原）至長（治）高速公路常村煤礦段采空區(qū)治理工程，為解決冒落帶注漿堵塞事故，進行3個冒落帶鉆孔注漿試驗。三個孔終孔時均無水位，無掉鉆現(xiàn)象，孔間距50m，泵入清水洗孔，各注100m3水，孔內(nèi)仍無水位。三孔起始注漿均使用配比水泥∶粉煤灰=30∶70、水固比=1∶1.0漿液。1號孔采用漿液正循環(huán)花管注漿法，當(dāng)使用水固比=1∶1.1漿液注漿，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)漿面上升甚至孔口返漿，立即清水洗孔，孔內(nèi)漿面下降后使用水固比=1∶1.0漿液再連續(xù)注漿，用漿1880 m3，壓力逐步提高，泵量逐步減少，正常達到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。2號孔裸孔注漿，起始注約4 m3，孔內(nèi)漿滿急劇起壓不能再注。2號孔原孔位重新掃孔終孔后，泵入清水洗通裂隙和冒落帶通道，再用漿液正循環(huán)花管注漿，用漿1470m3，達到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。3號孔裸孔注漿256 m3，孔內(nèi)漿滿急劇起壓不能再注。試驗說明兩種注漿方法注漿量差別懸殊，采用漿液正循環(huán)花管注漿法能保證治理質(zhì)量。

山西長（治）至?xí)x（城）高速公路池里煤礦段采空區(qū)治理工程，63號注漿孔掉鉆55cm，孔內(nèi)向外吹風(fēng)。采用裸孔注漿法，起始注漿壓力0.6MPa，泵量小，注漿慢，注漿兩天后，打開孔口封閉裝置時，孔口噴出6m高的漿液，套管內(nèi)徑由φ127mm縮到φ46mm，管壁是漿液固結(jié)體。掃孔后換用漿液正循環(huán)花管注漿法，花管下至空洞頂板下20cm處，正常注漿842m3，有效解決注漿孔封閉事故。

山西離（石）至軍（渡）高速公路師婆溝煤礦段采空區(qū)治理工程，11號注漿孔是煤柱孔，鉆進中沖洗液漏失輕微，從孔位坐標(biāo)和煤礦開采圖可確定，此孔位于保安煤柱邊緣。裸孔封閉孔口清水打壓，壓力最高1.6MPa，泵量90L/min。換用漿液正循環(huán)花管注漿法，花管下至孔底，孔內(nèi)注滿水灰比0.5的水泥漿，封閉孔口打壓，當(dāng)壓力升至4MPa時，突然失去壓力，最大泵量注入孔內(nèi)，邊緣煤柱孔壁被高壓突破，本孔最終注漿量467.5m3。本工程7個煤柱邊緣孔均采用漿液正循環(huán)花管注漿法，注漿量分別為467.5m3、489.5m3、616m3、539m3、1160.1m3、56 m3、151.2 m3，前5個孔成功突破邊緣煤柱孔壁，有效保證了邊緣煤柱孔的注漿質(zhì)量，后2個孔有效保證了裂隙帶注漿質(zhì)量。

5 鉆探物探檢查證明漿液正循環(huán)花管注漿法能保證治理質(zhì)量

太（原）至長（治）高速公路常村煤礦段采空區(qū)治理試驗工程，對采用裸孔注漿的3號孔鉆探檢查。在距原孔位1m處鉆孔，鉆至冒落帶后，巖芯破碎，孔內(nèi)完全無水位（孔內(nèi)沒有液體介質(zhì)，不能進行波速檢測），通過孔內(nèi)空芯鉆桿再連續(xù)注漿（與漿液正循環(huán)花管注漿的原理相同），累計注漿1422 m3，壓力逐步提高，泵量逐步減少達到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。說明裸孔注漿裂隙帶或冒落帶，充填率嚴(yán)重不足。同樣對采用漿液正循環(huán)花管注漿的1號孔鉆探檢查，直鉆至采空區(qū)底板，沖洗液沒有漏失，固結(jié)體巖芯完整。物探波速檢測，冒落帶和裂隙帶橫波波速均超過設(shè)計要求160m/s，試驗檢測評價（見表1）說明漿液正循環(huán)花管注漿裂隙帶或冒落帶，充填效果明顯，保證治理質(zhì)量。

表1 太長高速公路試驗檢測結(jié)果評價表Table 1 Results of the tests taken on Taiyun-Changtai Expressway

6 編后語

裸孔注漿工藝治理采空區(qū)的弊病愈來為廣大設(shè)計者和施工者注意，但因多種原因，各采空區(qū)治理項目工程設(shè)計一直沒有規(guī)范化，仍沿用裸孔注漿法沒做優(yōu)化改進。即使個別工程項目在施工中變更優(yōu)化了設(shè)計方案，但下一工程項目另一設(shè)計者又退回原始的設(shè)計方案。設(shè)計工藝的弊病必然造成治理后仍存在大量空洞區(qū)，返修提高成本保證質(zhì)量、弄虛作假犧牲質(zhì)量。希望能推廣全充填漿液正循環(huán)花管注漿工藝治理采空區(qū)。

［1］山西省交通廳中交通力公路勘察設(shè)計工程有限公司.高速公路采空區(qū)（空洞）勘察設(shè)計與施工治理手冊［M］.北京：人民交通出版社，2005：150-158.