綠色注漿充填材料采空區(qū)處治效果評價

陳汝先，榮亞鵬

（1.山西交控汾石高速公路有限公司，山西呂梁 032300；2.山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西太原 030032）

0 引言

山西省作為產(chǎn)煤大省，地下煤礦被開采后造成的采空區(qū)，對高速公路和其他地面建筑物的建設(shè)和安全使用有很大的威脅，工程實踐證明，采空區(qū)治理最常用的手段仍是以注漿為主[1-2]。目前應(yīng)用于采空區(qū)注漿回填的材料主要是水泥漿類材料，這些材料應(yīng)用于采空區(qū)注漿工程時，不同程度地存在析水率高、穩(wěn)定性差和結(jié)石率低等性能缺陷。尤其是對空洞型采空區(qū)進行注漿充填施工時，由于填補空間大、深度大、環(huán)境復(fù)雜，采用傳統(tǒng)注漿材料和工藝所需要的注漿量非常大，工程造價方面難以接受，因此，降低注漿材料的造價具有重要的經(jīng)濟意義[3-4]。

該研究在梳理既有技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用電廠循環(huán)流化床粉煤灰（以下簡稱“CFB 灰”）與鋼渣微粉基材耦合機理[5]，自主研發(fā)了復(fù)合改性鋼渣微粉∕CFB 灰全固廢類綠色注漿充填材料，不僅解決了CFB 灰應(yīng)用于采空區(qū)注漿中黏度過高的問題，還大大降低了處治材料的成本，依托汾陽至石樓高速公路采空區(qū)處治工程，選取合適的試驗路段，采用自主研發(fā)的綠色注漿充填材料進行處治，并對處治效果進行檢測評價，為后續(xù)的規(guī)?；茝V應(yīng)用提供條件。

1 依托工程概況

汾陽至石樓高速公路（以下簡稱“汾石高速”）項目路線全長82.364 km，采用雙向四車道高速公路標準建設(shè)，設(shè)計速度100 km∕h。汾石高速下堡連接線LK0+820—LK1+560，屬于昔頡堡私挖亂采鋁土礦造成的采空區(qū)域，開采9～11 號煤層。根據(jù)勘察結(jié)果，該區(qū)域采空區(qū)長740 m，開采年限屬于2008年以前，采厚2～3 m，埋深23.2～98 m，采空區(qū)內(nèi)存在少許積水，巷道式開采方式，回采率為30%，剩余空隙率70%，巖性雜亂，由殘留煤塊、泥巖碎屑及石灰?guī)r等組成，地表變形已湮滅。該區(qū)采空區(qū)治理歸屬汾石高速采空區(qū)施工總承包第四工區(qū)，下設(shè)5、6、7、8、9 五個處治區(qū)域，漿站位于兌鎮(zhèn)東莊里村。

該試驗段位于LK0+847—LK1+560 中間一段，歸屬下堡連接線路基下伏采空區(qū)，注漿空位選取以9Z1-7、9Z2-9、9Z2-11 為中心，向四周輻射，形成一定封閉區(qū)域，便于后續(xù)檢測和監(jiān)測。其中，9Z1-7、9Z2-9、9Z2-11為典型冒落孔，平均埋深為40 m 左右。

2 處治方案設(shè)計參數(shù)

a）注漿材料 材料選用復(fù)合改性鋼渣微粉、CFB灰。

b）復(fù)合改性鋼渣微粉∕CFB 灰漿液配比 水固比為1∶1.1～1∶1.3，路基下伏采空區(qū)復(fù)合改性鋼渣微粉占固相35%，CFB 灰占固相65%。

c）注漿壓力 路基下伏采空區(qū)終孔壓力為1.0 MPa～1.5 MPa。

d）漿液充填率 路基下伏采空區(qū)充填率不小于90%。

e）漿液結(jié)石體強度 路基下伏采空區(qū)漿液結(jié)石體強度不小于0.6 MPa。

f）波速 路基下伏采空區(qū)檢測孔內(nèi)橫波波速應(yīng)大于250 m∕s。

3 試驗段處治

3.1 原材料

a）水 施工拌制用水符合《混凝土拌合用水標準》即可。

b）CFB 灰 CFB 灰由晉能大土河熱電有限公司生產(chǎn)，具體技術(shù)指標檢測如表1。

表1 CFB灰檢測結(jié)果 單位：%

c）復(fù)合改性鋼渣微粉 所用鋼渣微粉需滿足《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》GB∕T 20491—2017 的要求。比表面積不小于550 m2∕kg。采用硅礦粉等作為鋼渣微粉的激發(fā)劑，需要超細化預(yù)處理，然后再與鋼渣微粉一起通過研磨超細化、均質(zhì)化處理，得到復(fù)合改性鋼渣微粉。

試驗段原材料采用太鋼哈斯科科技公司生產(chǎn)的鋼渣微粉，比表面積達570 m2∕kg，并與自研的激活礦粉進行復(fù)配，得到復(fù)合鋼渣微粉，具體技術(shù)指標檢測如表2。

表2 復(fù)合改性鋼渣微粉檢測結(jié)果

3.2 漿液制備及注漿

工藝流程如圖1。

圖1 漿液制備工藝

a）漿液配制按設(shè)計漿液配合比，采用工區(qū)既有漿站進行配制，其中復(fù)合改性鋼渣微粉∕CFB 灰漿液配比：水固比為1∶1.2，路基下伏采空區(qū)復(fù)合改性鋼渣微粉占固相35%，CFB 灰占固相65%，采用微機自動控制進行原材料進量的控制，包括CFB 灰、復(fù)合鋼渣微粉和水，并隨機抽檢每批次漿液的各項指標，包括密度、黏度、無側(cè)限抗壓強度?，F(xiàn)場抽檢結(jié)果如表3。

表3 現(xiàn)場漿液抽檢結(jié)果

上述指標符合設(shè)計要求，密度大于1.5 g∕cm3，黏度小于35 s，無側(cè)限抗壓強度大于0.6 MPa。

b）制漿分兩級攪拌。一級攪拌池的攪拌時間不應(yīng)少于3 min，隨后放入二級攪拌池。漿液進入二級攪拌池時必須用篩網(wǎng)過濾，停留時間不應(yīng)超過4 h。

c）采用TBW-850∕5A 泥漿泵，將制備好的漿液通過高壓管送到二級漿站攪拌池，攪拌加壓后對附近注漿孔位進行注漿。當孔口壓力在1.0 MPa～1.5 MPa，穩(wěn)定15 min 之后，可結(jié)束該孔的注漿施工。

4 處治效果檢測

新型注漿充填材料采空區(qū)試驗段處治施工自2022年5月28日至2022年6月8日，前后累計耗時12 d，共計消耗復(fù)合鋼渣微粉540.96 t，CFB 灰1 176.70 t。注漿孔位選取以9Z1-7、9Z2-9、9Z2-11 為中心，向四周輻射，共計處治15 個孔位，利用兌鎮(zhèn)東莊里村現(xiàn)有漿站及注漿設(shè)備，漿液總計消耗方量為1 700 m3左右。

2022年9月9日，按照相關(guān)規(guī)范規(guī)程及設(shè)計文件要求，采用鉆孔取芯、波速測試、注漿體強度檢測等手段對試驗段處治效果評價。

4.1 檢測目的

a）通過鉆孔取芯，對所取全固廢漿結(jié)石體進行物理測試，確定其無側(cè)限抗壓強度是否滿足設(shè)計要求。

b）通過注漿效果的檢測，與傳統(tǒng)水泥粉煤灰漿液注漿效果進行對比。

4.2 檢測方法

按照相關(guān)規(guī)范規(guī)程及設(shè)計文件要求，該次檢測采用鉆孔取芯、波速測試、結(jié)實體強度對處理效果進行檢測。

a）鉆孔取芯 主要檢測漿液對采空區(qū)和裂隙帶的充填率及注漿漿液的結(jié)石率。通過全孔取芯直接觀察采空區(qū)的漿液充填情況，并結(jié)合鉆探過程中鉆進速度、循環(huán)液的消耗情況、孔內(nèi)靜止水位觀測結(jié)果及孔壁的穩(wěn)定性等，直觀定性評價注漿的質(zhì)量。

b）波速測試 通常情況下，孔內(nèi)波速檢測有單孔法和跨孔法，該次采空區(qū)檢測主要采用單孔法，單孔法又分為彈性波速度測井和剪切波速度測井，兩者各有優(yōu)缺點，在現(xiàn)場檢測過程中需要根據(jù)實際情況配合使用。目前測試深度一般不超過100 m。試驗段注漿孔設(shè)計深度均小于100 m，該次波速檢測采用剪切波速度測井。

c）孔內(nèi)電視 孔內(nèi)電視可以直觀地觀察孔壁巖體的空洞、裂隙、漿液的充填情況以及巖體的完整程度，根據(jù)圖像的形態(tài)、顏色及光亮等信息，綜合評價采空區(qū)的處治效果。采用的儀器為武漢長盛工程檢測技術(shù)開發(fā)有限公司開發(fā)JL-IDOI（C）智能鉆孔三維電視成像儀。

5 結(jié)果與分析

該次檢測共布置了2 個檢測孔，位于注漿孔9Z2-9（檢測孔1）和9Z2-11（檢測孔2）旁邊50 cm 處。

5.1 鉆孔取芯

通過全孔取芯直接觀察采空區(qū)的漿液充填情況，主要檢測漿液對采空區(qū)和斷裂帶的充填率，直觀定性評價注漿的質(zhì)量。

檢測孔設(shè)計采用短進尺多回次取芯鉆探工藝。土層采用泥漿護壁，基巖采用清水鉆進。鉆進過程中詳細記錄孔內(nèi)異常情況，成孔后對全孔巖芯拍照，鉆探過程中主要就孔內(nèi)地層巖性變化、含煤或采掘情況、裂隙發(fā)育程度、巖芯形態(tài)、完整或破碎程度、采空區(qū)與冒落帶裂隙或空洞內(nèi)漿液結(jié)石體的充填情況、循環(huán)液的漏失或循環(huán)情況、注漿后裂隙的充填和閉合情況、采取的結(jié)石體（顏色、硬度、敲擊聲音）等物理性質(zhì)、孔壁的穩(wěn)定性等各項要素進行觀察、記錄和描述。

檢測孔1：終孔深度41.0 m，在28.0～30.0 m 冒落孔隙內(nèi)見漿液結(jié)石體，混雜有松散冒落碎屑物，如圖2。煤層頂板較破碎，巖性為灰?guī)r，灰黑色，較堅硬，鉆進過程中較平穩(wěn)，孔壁較穩(wěn)定，采空冒落帶孔隙中有結(jié)石體充填，未見掉鉆空洞，孔隙閉合較好，鉆進過程中在22.0 m 出現(xiàn)循環(huán)液少量漏失情況。

圖2 檢測孔1鉆探芯樣

檢測孔2：終孔深度42.0 m，在20.0～22.0 m 冒落孔隙內(nèi)見漿液結(jié)石體，混雜有松散冒落碎屑物，如圖3。煤層頂板較破碎，巖性為灰?guī)r，灰黑色，較堅硬，鉆進過程中較平穩(wěn)，孔壁較穩(wěn)定，采空冒落帶孔隙中有結(jié)石體充填，未見掉鉆空洞，孔隙閉合較好，鉆進過程中在14.0 m 出現(xiàn)循環(huán)液少量漏失情況。

圖3 檢測孔2鉆探芯樣

從以上檢測結(jié)果綜合分析，所檢孔位均為采空孔，采空孔內(nèi)的冒落碎屑的孔隙內(nèi)普遍含有漿液結(jié)石體，鉆進中冒落帶未發(fā)生塌孔，未見掉鉆，但上部鉆進過程中普遍存在漏漿現(xiàn)象，說明仍有較多剩余的采空冒落帶碎屑孔隙未閉合。但采空孔內(nèi)的自然冒落及處治后冒落碎屑內(nèi)的孔隙總體閉合程度較好。

該次鉆孔取芯檢測結(jié)果見表4。

表4 汾石高速采空區(qū)試驗段處治工程鉆芯檢測結(jié)果一覽表

5.2 波速測試

波速測試在終孔后一次完成，測試前要求鉆探人員將鉆孔內(nèi)的巖粉、泥漿清理干凈，盡可能保證探頭能夠順利下至孔底，縱波探頭耦合劑使用清水，使波傳遞的能量衰減量降到最低，橫波探頭對耦合劑無特殊要求。

設(shè)計要求公路路基采空區(qū)處治質(zhì)量驗收標準為檢測孔內(nèi)橫波波速應(yīng)大于250 m∕s，波速測試直接結(jié)果為縱波波速，縱波波速根據(jù)相關(guān)規(guī)范轉(zhuǎn)換為橫波波速，波速測試曲線由探頭深度與所在的位置波速大小的函數(shù)關(guān)系形成，綜合結(jié)果見表5。

表5 汾石高速采空區(qū)試驗段處治工程波速檢測綜合結(jié)果 單位：m/s

5.3 孔內(nèi)電視

孔內(nèi)電視在終孔后一次完成，測試前要求鉆探人員將鉆孔內(nèi)的巖粉、泥漿清除，孔壁清洗干凈，保證孔內(nèi)無水或水質(zhì)清澈，具備探測條件。

通過孔內(nèi)電視觀察孔壁巖體的空洞、裂隙、漿液的充填情況以及巖體的完整程度，根據(jù)圖像的形態(tài)、顏色及光亮等信息，綜合評價采空區(qū)的處治效果。該次檢測結(jié)果見表6。

表6 汾石高速采空區(qū)試驗段處治工程孔內(nèi)電視檢測結(jié)果

該次檢測采用孔內(nèi)電視對采空區(qū)的鉆孔巖壁進行觀測，分析冒落帶和裂隙帶的充填治理效果，典型的帶充填成像圖片見圖4 和圖5。

圖4 檢測孔1 28.8～29.9 m

圖5 檢測孔2 20.5～21.7 m

該次檢測對各檢測孔注漿段進行裂隙充填率統(tǒng)計，通過對鉆孔成像進行識別分析，通過統(tǒng)計注漿段未被注漿充填的裂隙面積與總裂隙面積的比值，計算裂隙充填率，具體見表7，考慮到檢測孔鉆進過程中沖洗液的循環(huán)作用，垮落斷裂帶的漿液結(jié)石體易受到?jīng)_刷，產(chǎn)生局部掉落，因此裂隙充填率的統(tǒng)計結(jié)果會略微偏小。

表7 汾石高速采空區(qū)試驗段處治工程裂隙充填率統(tǒng)計表 單位：%

根據(jù)表7，檢測孔冒落帶裂隙充填率為92%、91%，平均值為91.5%，滿足課題研究預(yù)計指標：空洞及裂隙充填率大于90%，遠大于規(guī)范要求（路基下伏采空區(qū)處治充填率應(yīng)達到80%～85%）。

5.4 結(jié)石體強度

圖6 是點荷載強度測試裝置，該次檢測在2 個檢測孔中取到漿液結(jié)實體，但由于所取結(jié)石體尺寸不能滿足標準單軸抗壓強度測試，因此對結(jié)石體進行天然點荷載試驗，所得數(shù)值根據(jù)規(guī)范公式進行單軸抗壓強度換算。

圖6 點荷載強度測試裝置

室內(nèi)試驗點荷載強度得到未經(jīng)修正的巖石點荷載強度IS，根據(jù)《工程巖體試驗方法標準》中的換算公式得到修正的點荷載強度IS（50），然后轉(zhuǎn)化為單軸抗壓強度RC，具體公式為：

式中：IS為未修正的巖石點荷載強度，MPa；F為修正系數(shù)；De為等價巖芯直徑，mm；m為修正指數(shù)，可取0.40～0.45；RC為巖石單軸抗壓強度，MPa。

汾石高速采空區(qū)試驗段處治工程漿液結(jié)石體強度試驗成果見表8。

表8 汾石高速采空區(qū)試驗段處治工程漿液結(jié)石體強度試驗成果表

6 結(jié)論

在該次采空區(qū)試驗段處治工程質(zhì)量檢測中，通過鉆孔取芯、孔內(nèi)波速測試、孔內(nèi)電視觀察、芯樣抗壓強度測試、鉆探循環(huán)液耗損量記錄及鉆探進尺的難易程度分析等方法，取得了詳實的野外原始資料和檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)認真對比分析及總結(jié)，檢測結(jié)果基本達到了設(shè)計要求，檢測結(jié)果見表9。

綜上所述，采用CFB 灰∕復(fù)合鋼渣微粉全固廢類綠色采空區(qū)注漿充填材料進行采空區(qū)處治：

a）處治工藝 新型全固廢類綠色采空區(qū)注漿充填材料工作性可以滿足傳統(tǒng)注漿設(shè)備要求，無需更換設(shè)備，相關(guān)工藝參數(shù)微調(diào)即可。

b）處治效果 根據(jù)該次試驗段檢測結(jié)果，結(jié)合室內(nèi)試驗研究成果，可以判斷，與傳統(tǒng)水泥∕粉煤灰漿液在漿液相比，采用新型全固廢類采空區(qū)注漿充填材料對采空區(qū)進行治理：

（a）可以縮短檢測周期（結(jié)石體強度符合要求的前提下，該次檢測周期為3 個月，《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則（JTG∕T D31-03—2011）》要求6 個月）；

（b）提高結(jié)石率，傳統(tǒng)水泥∕粉煤灰漿液結(jié)石率較低，該研究成果漿液結(jié)石率可達到90%以上；

（c）處治效果其余檢測指標均符合相關(guān)規(guī)范要求。