公路采空區(qū)處治漿液擴(kuò)散分析研究

竇隨兵，張永波

（1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

1 研究意義

《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》[1]（D 31-03—2011）注漿量公式：

式中：R 為漿液有效擴(kuò)散半徑，m，取 1/2 孔距；M 為礦層平均采出厚度，m；ΔV 為采空區(qū)剩余空隙率，%；K 為回采率，%；A 為漿液損耗系數(shù)；η 為充填率，%；c 為漿液結(jié)石率，%；α 為巖層傾角，（°）。

可以看出，漿液的有效擴(kuò)散半徑（漿液擴(kuò)散距離），直接影響采空區(qū)注漿量，進(jìn)而決定采空區(qū)處治工程規(guī)模與工程造價(jià)。因此，研究漿液的擴(kuò)散規(guī)律，控制影響漿液擴(kuò)散距離的因素，具有重要的意義。

2 公路采空區(qū)處治漿液擴(kuò)散分析研究

2.1 試驗(yàn)裝置與材料要求

試驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)箱、注漿系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)等三部分組成。

注漿材料由水、水泥、粉煤灰組成。

2.2 漿液擴(kuò)散距離影響因素

在采空區(qū)注漿中，影響漿液擴(kuò)散距離的主要因素有注漿壓力、受注體的空隙率及漿液水固比三方面。

2.2.1 注漿壓力對(duì)漿液擴(kuò)散距離的影響

試驗(yàn)選取水固比0.5 與空隙率24.8%、水固比1.1 與空隙率35.1、水固比1.7 與空隙率45.2%，研究漿液擴(kuò)散距離隨注漿壓力不同而發(fā)生變化的規(guī)律。

表1 漿液擴(kuò)散距離與注漿壓力關(guān)系表

圖1 漿液擴(kuò)散距離與注漿壓力關(guān)系

從表1 和圖1 看出，隨著注漿壓力的增加，漿液擴(kuò)散距離隨之增加，以水固比1.1，孔隙率35.1%為例，注漿壓力每增加單位壓力（0.01 MPa），漿液擴(kuò)散距離約增加0.09 m，擴(kuò)散距離受注漿壓力影響較小。

2.2.2 水固比對(duì)漿液擴(kuò)散距離的影響

試驗(yàn)選取注漿壓力0.2 MPa 與空隙率24.8%、注漿壓力 0.3 MPa 與空隙率 35.1%、注漿壓力0.4 MPa 與空隙率45.2%三種壓力與空隙率條件下，研究漿液擴(kuò)散距離與不同水固比而發(fā)生變化的規(guī)律。

表2 漿液擴(kuò)散距離與水固比關(guān)系表

圖2 擴(kuò)散距離與水固比的關(guān)系圖

從表2 和圖2 看出，隨著水固比的增加，漿液擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，但擴(kuò)散距離隨漿液水固比的增大而增大，以注漿壓力0.3 MPa，孔隙率35.1%為例，注漿水固比每增加1 個(gè)單位（0.1 m），漿液擴(kuò)散距離約增加0.29 m，即漿液的擴(kuò)散距離受水固影響比較大。

2.2.3 介質(zhì)空隙率對(duì)漿液擴(kuò)散距離的影響

試驗(yàn)選取注漿壓力0.2 MPa 與水固比1.0、注漿壓力0.3 MPa 與水固比1.5、注漿壓力0.4 MPa 與水固比2.0 三種條件下，研究漿液擴(kuò)散距離隨空隙率不同而發(fā)生變化的規(guī)律。

表3 漿液擴(kuò)散距離與空隙率關(guān)系表

從表3 和圖3 看出，漿液擴(kuò)散距離隨介質(zhì)空隙率的增加而增加，以注漿壓力0.3 MPa，水固比1.5為例，空隙率每增加1 個(gè)單位（1%），漿液擴(kuò)散距離增加0.13 m，漿液的擴(kuò)散距離受介質(zhì)空隙率的影響也較大，但增加的幅度介于水固比和注漿壓力增加幅度之間。

圖3 擴(kuò)散距離與介質(zhì)空隙率的關(guān)系圖

將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式回歸分析，即可得注漿擴(kuò)散距離T 與水固比m、介質(zhì)空隙率n、注漿壓力P之間的關(guān)系：

在注漿壓力、水固比和介質(zhì)空隙率3 種因素中，影響漿液擴(kuò)散距離最為顯著的因素是水固比，其次是介質(zhì)空隙率，注漿壓力對(duì)漿液的擴(kuò)散半徑影響相對(duì)較小。

2.3 漿液擴(kuò)散距離影響因素的分析

試驗(yàn)過程中，某鉆孔注漿時(shí), 當(dāng)孔口壓力在0.2 MPa 時(shí)，漿液由該孔西側(cè)約 20 m 處水溝冒出；另外鉆孔注漿時(shí)，當(dāng)孔口壓力在0.5 MPa 上下波動(dòng)時(shí)，漿液自鄰近孔噴出；噴出孔注漿時(shí), 當(dāng)孔口壓力達(dá)到0.4 MPa ，在距該孔40 m 地表處出現(xiàn)冒漿。說明當(dāng)孔口壓力達(dá)到0.5 MPa，漿液通過采空區(qū)或上覆巖層裂隙能充填到20 m 以外，即漿液擴(kuò)散半徑能達(dá)到 20 m 以上[2]。

3 注漿量公式的修正

通過以上分析研究，結(jié)合公路采空區(qū)注漿工程實(shí)例，《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T D 31-03—2011）采空區(qū)單孔注漿量公式修正為：

式中：B 為注漿壓力、空隙率及水固比綜合修正系數(shù)，%，取值0.95～1.15，注漿壓力、空隙率及水固比增大時(shí)，B 取高值；反之，取小值。

公式其他符號(hào)意義同前。

該修正后采空區(qū)注漿量公式，通過多個(gè)采空區(qū)處治工程項(xiàng)目檢驗(yàn)，其設(shè)計(jì)值與實(shí)際注漿量接近。

4 結(jié)論

通過研究與工程檢驗(yàn)，漿液擴(kuò)散距離T 與漿液水固比m、介質(zhì)空隙率n、注漿壓力P 之間的關(guān)系：

比較注漿壓力、水固比和介質(zhì)空隙率3 種因素影響規(guī)律，影響漿液擴(kuò)散距離最為顯著的因素是水固比，其次是介質(zhì)空隙率，注漿壓力對(duì)漿液的擴(kuò)散半徑影響相對(duì)較小。根據(jù)理論計(jì)算與工程實(shí)例驗(yàn)證，把規(guī)范中注漿量計(jì)算公式進(jìn)行了補(bǔ)充與修正。