煤炭采空区注浆参数的分析与研究

煤炭采空区注浆参数的分析与研究

李春彦

河北冀东建设工程有限公司河北唐山063000

摘要：根据公路下伏煤矿采空区注浆工程的实践，结合煤层采空区的工程地质条件，对于注浆工程单位时间注浆量、注浆时间间歇次数与间歇时间，注浆压力及扩散半径等问题进行分析与研究，以期为今后类似的研究提供有益的借鉴。

关键词：煤炭采空区；注浆工程；注浆参数；扩散特征

1、引言

大量实践证明，煤矿采空区残余变形长达几年甚至几十年，其残余变形会对高等级公路的正常运营产生影响。在公路系统，近年来利用注浆加固技术来处理煤矿采空区的稳定问题，本文根据高平至沁水高速公路路基、桥隧及采空区治理工程实例，对注浆工程的单位时间注浆量、注浆间歇次数与间歇时间、注浆压力及扩散半径等问题进行分析与研究。

2、煤矿采空区注浆工程概况

CKQ7段路线走廊带内的煤矿主要是兰花集团所属的大型煤矿，包括唐安、玉溪煤矿等，这些煤矿年产量大，开采技术先进、回采率超过75%；煤层埋藏深度100~140米，全区构造简单，煤层倾角平缓，3#煤直接顶板为灰黑色粘土岩或粉砂岩，顶板管理一般较简单，3#煤层为一层采空区。区内煤矿采空区地表变形主要有地裂缝和陷落柱，在高平市新庄和巩村一带发现有较大规模的地面塌陷。

根据勘察成果中地面塌落形式、规模及钻探揭示采空区冒落情况（3#煤层采空区冒落带高度23.87米），确定各采空区的剩余变形率，计算出AK16+000~AK16+855段的剩余变形量为1164mm，剩余倾斜值为34.91mm/m，剩余曲率值：1.59mm/m2，剩余水平变形值13.27mm/m，远大于允许变形值，煤矿采空区不稳定，煤矿采空区对公路工程有影响，根据采空区的特征，需采用全充填注浆法处治采空区。

3、注浆孔的布置及浆液的配置

注浆孔沿路基、桥梁的轴向布置。

路基采空区注浆孔布置：路基采空区治理范围：处治长度是610m，灌浆孔设计深度为地表至采空区底板下1-3米，平面按帷幕孔和注浆孔分别布设，注浆孔间距：20m左右，帷幕孔间距10米左右。

桥梁采空区灌浆孔布置：桥梁处治长度245米，维护宽度为20米，注浆孔间距为15米。

先施工帷幕孔，后施工注浆孔。同类孔中按采空区的倾斜方向，先施工采空区底板标高较低位置的注浆孔及构造物工点处的注浆孔，再沿倾斜方向由低向高，由边部向中心展开施工。

开孔时，低压慢转，在第四系及卵石层中钻进时，视地层情况采用跟管钻进或泥浆护壁钻进工艺。开钻用Ф127mm钻具，钻至基岩5.0m后，换Ф89mm钻具，钻至预处理的采空区的塌陷冒落带底板或煤层底板以下0.5m终孔，取芯孔要满足设计要求的上覆岩层采取率大于60%，采空塌陷区采取率＞30%，并做好钻探原始记录和岩芯编录工作。

路基浆液配置：采用水泥粉煤灰浆，注浆液体积为142894m3，，水固比1：1.2，水泥：粉煤灰=1.5：8.5，结石率78%~85%，充填率：85%-90%。帷幕孔须在浆液中掺加水泥重量2%的速凝剂，根据注浆情况浆可提高液配合比到，使注入采空区的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。

桥梁浆液配置：采用水泥粉煤灰浆，注浆液体积为86443m3，水固比1：1.2，水泥：粉煤灰=3：7，结石率75%，充填率：90%-95%。帷幕孔须在浆液中掺加水泥重量2%的速凝剂，根据注浆情况浆可提高液配合比到，使注入采空区的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。

配制浆液时，水泥与粉煤灰分别放入搅拌池中搅拌均匀，然后，混入二级搅拌池搅拌。搅拌时间不低于10分钟，待浆液搅拌均匀后，通过注浆泵注入采空区。

4、注浆参数分析

4.1单位时间注浆量：每孔单位时间的注浆量可按施工机械的制浆能力来确定，本项目采用的注浆泵为BW-200，额定流量为200L/min，帷幕孔的注入量控制在10-15m3/h之间，注浆孔的注入量控制在6~10m3/h之间。

4.2分段注浆的间歇次数与时间：

帷幕孔注浆的施工是确保整个处治工程质量的关键，同时也是整个处治工程施工最困难的环节。为保证帷幕孔注浆的质量，帷幕孔注浆施工采用间歇式注浆，在浆液中加入水泥重量2%的速凝剂，提高浆液配合比，以控制浆液扩散半径。

对于帷幕孔，采空区注浆间隙次数为2-4次。由于注浆孔施工时，地下采空区已处于半封闭状态，注浆孔注浆施工采用一次注浆的施工方案，注浆时，应避免在短时间内注入大量的水泥粉煤灰浆液，如果单孔注浆量较大时，可采用间歇式注浆并向孔内投放粗骨料。

每次间歇的时间是根据浆液配合比试验结果确定，当水泥粉煤灰浆液中水泥为固相的30%时，在浆液中掺入水泥重量2%的速凝剂，初凝时间为13h15min，终凝时间为15h22min。当水泥粉煤灰浆液中水泥为固相的15%时，初凝时间为29h31min，终凝时间为31h18min，考虑到地下采空区已处于半封闭状态，因此，每次间歇的时间控制在14小时左右。

4.3注浆压力及注浆结束标准

在采空区治理施工前，应先做好一个区的试验工程，依据设计选择30个孔进行钻探及注浆工艺试验，结合图纸及现场情况以便对本设计的参数作必要的优化和完善。

注浆压力包括注浆泵的压力和孔口管压力两部分。为控制注浆工程的质量，主要考虑孔口管压力参数。试验结果表明：无论是注浆泵的压力，还是孔口管压力，在注浆的初期，一般没有压力，在注浆施工的后期或在注浆钻孔内发生堵孔、塌孔等现象时，压力会立即达到1mpa以上。

注浆结束标准：（a）在注浆孔的注浆未期，泵压逐渐升高，当泵量小于70L/min时，孔口压力在1.0～1.5Mpa，稳定10～15分钟，可结束该孔的注浆施工。

（b）当注入一定浆量，若出现地表裂隙大量跑浆时，采用间歇式多次复注的方法，间隔时间大于4h，直至达到（a）标准才可结束该孔的注浆施工。

4.4注浆浆液注浆扩散特征

注浆工程在采空区共计注浆：229337m3，冒落带高度23.87米，实际剩余空洞率为0.25，由于这些特征的存在，表明地下的空洞较小，空洞之间的连通较差，因此，孔内的注浆量明显较小。经钻探验证，在采空区范围，注浆浆液的扩散距离可达到12-15m范围，由于注浆压力的降低，注浆液无法扩散到较远的范围。

采空区三带发育的情况决定着浆液的流动范围和扩散范围，在采冒落区，浆液扩散范围较大，扩散半径一般在10-30m之内，最大的扩散半径可达40-50m，在这个部位，浆液形成的结石体呈层状，似层状分布，将剩余煤柱包围起来，防止煤柱软化。在裂隙带，浆液主要是沿层与层之间的层理面和石块之间的裂隙运移，孔内扩桑半径一般在5-10m。在弯曲裂隙带，浆液主要沿层理与层理之间的层理面运移，扩散半径在5-10米左右。

5、结论与建议

注浆施工主要采用孔口管压力来控制工程质量，一般通过现场注浆试验予以调整后确定。对于采空区埋深140米以内注浆工程，在注浆孔的注浆未期，泵压逐渐升高，当泵量小于70L/min时，孔口压力在1.5Mpa，稳定10～15分钟，可结束该孔的注浆施工。

当采空区的工程地质条件复杂，钻孔孔壁坍塌时，可以自上而下分段注浆，每次间歇的时间按浆液配合比试验确定。

参考文献

[1]梁炯.锚固与注浆技术手册[M].北京：中国电力出版社，1999.

[2]张学亮.注浆法在煤矿采空区地基处理中的应用[J].山西建筑，2007，33（14）：114-115.