煤田采空區(qū)注漿治理試驗工程中的注漿材料和漿液配合比技術(shù)探討

劉 震，陳淑強，陳 鑫

（新疆建筑科學研究院（有限責任公司）工程勘察測繪院，新疆 烏魯木齊 830002）

1 工程概況

烏魯木齊市外環(huán)路東北段道路工程K9+350-K10+400段，從六道灣煤田采空區(qū)預留安全煤柱上通過。受煤田采空區(qū)的影響，目前狀態(tài)下該路段場地、地基穩(wěn)定性均不能滿足道路工程安全使用的要求，必須進行加固治理。該路段為地面城市快速路，主線設(shè)計車速80 km/h，兩側(cè)輔道為城市主干路，設(shè)計車速為40 km/h。路幅寬度47.0 m。

采空區(qū)上部第四系松散層及頂板已基本垮落，但地表仍可見塌陷坑及裂縫，采空區(qū)大部分被充填，地表陷落盆地被生活垃圾、建筑垃圾充填，深部由上部未開采煤層，煤層頂?shù)装迕绊斂迓涞膸r塊及表層第四紀松散粉土及回填土充填，充填較松散且局部仍有空洞存在。地貌屬丘陵區(qū)。

2 注漿材料的選擇

根據(jù)該工程巖土工程條件和工程特性，尤其是預留安全煤柱巖體破碎，注漿目的以固結(jié)注漿為主，確定注漿漿液為純水泥漿，同時添加部分添加劑，改善漿液性能。在此基礎(chǔ)上，確定選用以下材料作為室內(nèi)漿液試驗的材料。

2.1 水泥品種

選用52.5R、42.5R普通硅酸鹽水泥、G級中抗硫酸鹽油井水泥作為該項巖體灌漿加固材料進行比較。其化學成分見表1所列、水泥物理力學性質(zhì)見表2所列。

2.2 注漿用水

根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》規(guī)定：凡符合國家標準的飲用水，均可用于拌合和養(yǎng)護水泥制品。

2.3 附加劑

根據(jù)實際工程的需要，在水泥漿液中摻入一些附加劑來調(diào)整水泥漿的性能，以滿足工程對注漿效果的要求。具體附加劑比較方案如下。

2.3.1 水玻璃方案

水玻璃不是單一的化合物，而是氧化鈉和二氧化硅結(jié)合的化合物，分子式為Na2O·SiO2水泥漿中加入水玻璃起到速凝的作用，注漿對水玻璃的模數(shù)和濃度有一定要求，模數(shù)M是水玻璃性能的一個重要參數(shù)，模數(shù)大小對注漿的影響很大。模數(shù)小時，二氧化硅含量低、凝結(jié)時間長、結(jié)石強度低；模數(shù)大時，二氧化硅含量高、凝結(jié)時間短、結(jié)石強度高。模數(shù)過大過小對注漿都不利。

根據(jù)室內(nèi)配置穩(wěn)定漿液試驗：選用模數(shù)為3.1、濃度為400Be1的水玻璃溶液作為灌漿材料外加劑。摻量為3.0%（占水泥量）。其性能指標見表3所列。

2.3.2 膨潤土加減水劑方案

膨潤土是高分散性材料，向普通水泥漿中加入粘性土和某些礦物質(zhì)，增加漿液粘度，可以阻止?jié){體的沉降分離。它的作用主要是提高漿液的穩(wěn)定性，作為穩(wěn)定劑使用的膨潤土宜為Ⅰ級土或Ⅱ級土。

水泥漿液是一種不均勻的混合體，減水劑能吸附在水泥顆粒表面，在一定時間內(nèi)起著阻礙和破壞水泥顆粒間凝聚作用。加入減水劑能改善漿液的流動性能，漿液的流變參數(shù)粘度和凝聚力隨減水劑摻量的增加而減少，但減到一定程度后，再增加減水劑的摻量，降粘幅度減緩。

根據(jù)室內(nèi)配置穩(wěn)定漿液試驗：選用膨潤土0.8%、減水劑0.8%作為灌漿材料外加劑。其性能指標見表4、表5所列。

表1 水泥化學成分表（單位：%）

表2 水泥物理力學性質(zhì)一覽表

表3 水玻璃性能指標一覽表

表4 水泥和膨潤土細粒部分的含量一覽表

表5 FDN-2混凝土高效減水劑（摻量0.8%）主要技術(shù)性能一覽表

2.3.3 纖維素方案

通過試驗方案，檢測羧甲基纖維素對注漿材料泌水、流動度、凝結(jié)時間，以及水泥凈漿流變性的影響，羧甲基纖維素對注漿材料都具有良好的保水性，在0.2%(質(zhì)量分數(shù))摻量(相對于減水劑用量)下，羧甲基纖維素可提高注漿材料的流動度和穩(wěn)定性。此外，羧甲基纖維素具有促凝作用，摻加羧甲基纖維素的注漿材料初凝時間均為13 h左右，比未摻加高聚物的注漿材料的初凝時間縮短了。其性能指標見表6所列。

表6 羧甲基纖維素主要技術(shù)性能一覽表

3 穩(wěn)定漿液配合比試驗

在確定注漿主要材料和添加劑后，對3種主材均進行不同水灰比的漿液試驗，同時對各漿液進行不同添加劑的漿液試驗。共計進行61組的穩(wěn)定漿液配合比試驗。

其試驗成果的具體數(shù)據(jù)，本文省略。

4 漿液試驗結(jié)果分析

4.1 水泥品種對漿液性能的影響

通過三種水泥凈漿試驗的對比，發(fā)現(xiàn)三種水泥比重差別不大，52.5R普通硅酸鹽水泥漿液的粘度高于其他兩種水泥漿液，凝結(jié)時間也小于其他兩種水泥；G級中抗油井水泥漿液的流動度最大，這是由于它的細度最小造成的。結(jié)石率方面52.5R普通硅酸鹽水泥漿液和42.5R普通硅酸鹽水泥漿液差別不大，均高于G級中抗油井水泥漿液。在強度方面3種水泥漿液強度均大于5.0 MPa,滿足穩(wěn)定漿液要求。

4.2 水灰比對漿液性能的影響

水灰比由0.6∶1到1.5∶1變化時，漿液的流動度、凝結(jié)時間遞增，而粘度、比重、結(jié)石率、抗壓強度遞減。現(xiàn)以52.5R普通硅酸鹽水泥凈漿為例，其性能指標變化如圖1所示。

圖1 水灰比對漿液各種性能變化示意圖

4.3 不同外加劑對漿液性能的影響

在相同品種水泥，相同水灰比的條件下，發(fā)現(xiàn)以水玻璃為外加劑的漿液其結(jié)石率明顯高于其他外加劑的漿液。結(jié)石率是穩(wěn)定漿液的一個重要指標，由于水玻璃具有促凝、早強作用，所以加入水玻璃的泥漿的結(jié)石率遠高于不添加任何外加劑的水泥凈漿。

現(xiàn)以52.5R普通硅酸鹽水泥為例其結(jié)石率隨3種外加劑的變化如圖2所示。

圖2 結(jié)石率隨外加劑的變化曲線圖

5 漿液試驗主要結(jié)論

根據(jù)對漿液試驗結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）3種試驗的水泥品種中，漿液性能指標排序為①52.5R普通硅酸鹽水泥、②42.5R普通硅酸鹽水泥、③G級油井水泥。

（2）進行試驗的3組添加劑，以加入3%水玻璃的漿液性能最好。

（3）不同水灰比的試驗，以水灰比為1∶1漿液性能最符合注漿要求。

根據(jù)漿液試驗主要結(jié)論，并結(jié)合現(xiàn)場實驗，結(jié)合該項注漿試驗工程對注漿漿液的技術(shù)要求，確定以42.5R普通硅酸鹽水泥為主要材料，水灰比1∶1，添加劑為3%水玻璃的漿液為現(xiàn)場注漿試驗漿液。

根據(jù)最初的現(xiàn)場注漿試驗設(shè)計方案，注漿孔全部為充填固結(jié)注漿孔，但在現(xiàn)場試驗過程中發(fā)現(xiàn)，最外側(cè)注漿孔（靠近加固區(qū)邊界）注漿量均很大。經(jīng)分析認為，由于煤柱兩側(cè)采空區(qū)的存在，大量注漿漿液向加固區(qū)外擴散，造成無效加固，因此確定在注漿加固區(qū)最外側(cè)增設(shè)2排帷幕孔，確定使用水灰比為0.9∶1的以42.5R普通硅酸鹽水泥為主要注漿材料的漿液為帷幕孔注漿漿液（見表 9）。

表9 最終確定的施工漿液配合比和漿液性能一覽表

6 結(jié)論

（1）通過三種水泥凈漿試驗的對比結(jié)果，發(fā)現(xiàn)52.5R普通硅酸鹽水泥漿液的粘度高于其他兩種水泥漿液，凝結(jié)時間也小于其他兩種水泥；G級中抗油井水泥漿液的流動度最大。結(jié)石率方面52.5R普通硅酸鹽水泥漿液和42.5R普通硅酸鹽水泥漿液差別不大，均高于G級中抗油井水泥漿液。在強度方面3種水泥漿液強度均大于5.0 MPa，滿足穩(wěn)定漿液要求。

（2）水灰比由0.6:1到1.5:1變化時，漿液的流動度、凝結(jié)時間遞增，而粘度、比重、結(jié)石率、抗壓強度遞減。

（3）在相同品種水泥，相同水灰比的條件下，發(fā)現(xiàn)以水玻璃為外加劑的漿液其結(jié)石率明顯高于其他外加劑的漿液。

（4）工程實踐證明該項實驗工程得出的實驗漿液在烏魯木齊市外環(huán)路東北段煤礦采空區(qū)預留安全煤柱段道路工程中使用的效果非常好。

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