采空區(qū)治理水玻璃摻量試驗(yàn)研究與應(yīng)用

何軍芳 王 平 楊 鵬

(1.中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075；2.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611130； 3.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710021)

采空區(qū)治理水玻璃摻量試驗(yàn)研究與應(yīng)用

何軍芳1王 平2楊 鵬3

(1.中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075；2.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611130； 3.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710021)

主要闡述了水玻璃摻量在不同漿液配合比下各項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律，對(duì)漿液配合比的各項(xiàng)指標(biāo)在不同水玻璃摻量下進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，得出的結(jié)論能夠?qū)Σ煽諈^(qū)治理提供漿液添加劑應(yīng)用研究、設(shè)計(jì)和施工的實(shí)用性建議。

采空區(qū)治理，漿液配合比，水玻璃，臨界值

采空塌陷區(qū)廣泛分布于我國(guó)礦山及其周圍地區(qū),采空區(qū)塌陷不僅對(duì)人民群眾的生活、生存條件構(gòu)成威脅,而且經(jīng)常對(duì)公路建設(shè)、房屋建筑等造成嚴(yán)重破壞,對(duì)人民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生極大影響。采空區(qū)治理的主要對(duì)象為采空區(qū)工作面、巷道、冒落帶及裂隙帶等。而目前對(duì)采空區(qū)的注漿設(shè)計(jì)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有很好的施工工藝控制辦法[1]。采空區(qū)地表因煤炭的開(kāi)采而產(chǎn)生較大的沉降變形，當(dāng)前我國(guó)主要采用壓力注漿法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理[2]。

漿液的各項(xiàng)性能指標(biāo)即是檢驗(yàn)注漿質(zhì)量好壞的一個(gè)很重要的手段，其性能指標(biāo)主要有密度、粘度、結(jié)石率、抗壓強(qiáng)度、初終凝時(shí)間等[3]。粘度是至關(guān)重要的品質(zhì)性參數(shù)，直接關(guān)系到漿液質(zhì)量的好壞，注漿材料必須有良好的流動(dòng)性；漿液的初凝時(shí)間和單孔灌注時(shí)間相適應(yīng)，能夠?qū)Σ捎瞄g歇法注漿的間歇時(shí)間提供理論依據(jù)；結(jié)石率反映了注漿的充填程度，直接影響到施工質(zhì)量的好壞。采空區(qū)在注漿過(guò)程中，漿液要充分的充填采空區(qū)，所以漿液要有較高的結(jié)石率，能確保漿液固結(jié)形成的結(jié)石體充分充填采空區(qū)的空洞和裂隙。此外，還要滿足地基承載力和地表變形的要求，因此其結(jié)石體要有足夠的強(qiáng)度，能和采空區(qū)破碎巖塊膠結(jié)并形成穩(wěn)定而又具有一定承載力的整體結(jié)構(gòu)[4]。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料主要有：水泥(32.5號(hào)礦渣硅酸鹽水泥)、粉煤灰(Ⅲ級(jí))、水、水玻璃(波美度為35～38，模數(shù)為2.4)。采用不同的水玻璃摻量在不同水固比、固相比下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，尋求適合于不同設(shè)計(jì)和施工對(duì)漿液質(zhì)量要求的水玻璃摻量的方案。配合比總體試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 配合比總體試驗(yàn)方案

用標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀測(cè)其初凝時(shí)間，其他采用漿液指標(biāo)測(cè)試的常用方法。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水玻璃摻量對(duì)漿液各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響

為了得到漿液各項(xiàng)性能指標(biāo)隨水固比、固相比的變化規(guī)律以及水玻璃摻量對(duì)漿液各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響，本文設(shè)計(jì)了1號(hào)配合比試驗(yàn)方案(由于水固比為1∶1.3的灌注量占注漿總量的絕大部分，故只對(duì)水固比為1∶1.3的漿液進(jìn)行了水玻璃摻量試驗(yàn))，見(jiàn)表2。根據(jù)1號(hào)試驗(yàn)方案測(cè)得各水固比、固相比漿液性能指標(biāo)的數(shù)值匯總?cè)绫?所示。

由表3可得如下結(jié)論：1)同一固相比的漿液各項(xiàng)性能指標(biāo)均隨水固比的減小而增大。2)當(dāng)水固比相同時(shí)，密度隨固相比的增大而增大，粘度隨固相比的增大而減小，7 d抗壓強(qiáng)度隨固相比的增大而增大。3)當(dāng)在漿液中加入3%的水玻璃時(shí)，其結(jié)石率明顯增加(固相比為15∶85的漿液結(jié)石率提高2.1%，固相比為3∶7的漿液結(jié)石率提高4.8%)，強(qiáng)度基本沒(méi)有發(fā)生變化。這說(shuō)明在注漿過(guò)程中，加入3%這個(gè)比例的水玻璃是比較合適的(尤其是對(duì)于固相比為3∶7的漿液結(jié)石率的提高是很明顯的)。在不降低結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的前提下，提高了漿液的結(jié)石率，使其填充作用大大加強(qiáng)。4)當(dāng)在漿液中加入3%的水玻璃時(shí)，漿液粘度有所增加，可使?jié){液不致四處蔓延，造成不必要的材料浪費(fèi)。

表2 1號(hào)配合比試驗(yàn)方案

表3 各水固比、固相比漿液的性能指標(biāo)

2.2 水玻璃摻量對(duì)漿液初凝時(shí)間及填充效果的影響

水玻璃摻量除了對(duì)漿液的粘度、結(jié)石率有較大影響外，還對(duì)漿液的初凝時(shí)間有較大影響。在漿液中加入水玻璃可使其初凝時(shí)間減少，在帷幕孔注漿過(guò)程中可加快其凝結(jié)時(shí)間，使其快速形成帷幕，防止?jié){液的四處蔓延，保證施工質(zhì)量的同時(shí)節(jié)省施工成本。

在注漿過(guò)程中，對(duì)于個(gè)別帷幕孔注漿量過(guò)大，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)“終孔”的主要解決方法為投砂或者加入適量的速凝劑，但是投砂易導(dǎo)致孔口堵塞，造成假“終孔”的現(xiàn)象；漿液中加入適量的速凝劑，使其快速凝結(jié)形成帷幕就可以避免假“終孔”現(xiàn)象的出現(xiàn)。

水玻璃摻量越大初凝時(shí)間越短，帷幕的形成時(shí)間越短，但是摻量過(guò)大會(huì)造成采空部位及裂隙填充不足，達(dá)不到帷幕的效果。為了找到這一合適的速凝劑摻量，本文設(shè)計(jì)了2號(hào)配合比試驗(yàn)方案，其試驗(yàn)方案內(nèi)容如表4所示。

采用標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀對(duì)其初凝時(shí)間進(jìn)行測(cè)定，得到上述條件下漿液的初凝時(shí)間匯總于表5。

表4 2號(hào)配合比試驗(yàn)方案

表5 不同水玻璃摻量下漿液的初凝時(shí)間 min

將上述數(shù)據(jù)繪成初凝時(shí)間與水玻璃摻量的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖1，圖2。

通過(guò)以上圖表可知：

1)水玻璃摻量越高，漿液初凝時(shí)間縮短的幅度越小。即隨著水玻璃摻量的增加，其速凝效果是逐漸減小的。當(dāng)水玻璃摻量達(dá)到一定濃度的時(shí)候，其速凝效果已不明顯(固相比為3∶7的水玻璃摻量速凝臨界值為40%，漿液呈流態(tài)固相比為5∶5的水玻璃摻量速凝臨界值為20%)。暫將“水玻璃摻量速凝臨界值”定義為：漿液達(dá)到最短初凝時(shí)間所需的最少水玻璃摻量值。2)由圖1，圖2

可見(jiàn)，固相比為3∶7的漿液初凝時(shí)間隨水玻璃摻量的增大而縮短，當(dāng)水玻璃摻量達(dá)到40%時(shí)，繼續(xù)增加水玻璃摻量，其初凝時(shí)間基本無(wú)變化；固相比為5∶5的漿液初凝時(shí)間隨水玻璃摻量的增大而縮短，當(dāng)水玻璃摻量達(dá)到20%時(shí)，繼續(xù)增加水玻璃摻量，其初凝時(shí)間基本無(wú)變化。3)對(duì)于固相比分別為3∶7和5∶5的漿液來(lái)說(shuō)，水玻璃摻量的速凝臨界值并不隨水固比的變化而變化(固相比為3∶7的漿液水玻璃摻量的速凝臨界值均為40%，固相比為5∶5的漿液水玻璃摻量的速凝臨界值均為20%)。4)漿液水玻璃摻量的速凝臨界值隨固相比的增大而減小(固相比為3∶7的漿液水玻璃摻量的速凝臨界值為40%，固相比為5∶5的漿液水玻璃摻量的速凝臨界值為20%)。5)從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)看，對(duì)于固相比為3∶7的漿液，當(dāng)水玻璃摻量小于40%時(shí)，漿液呈流態(tài)，對(duì)于固相比為5∶5的漿液，當(dāng)水玻璃摻量小于20%時(shí)，漿液呈流態(tài)；當(dāng)水玻璃摻量分別大于40%和20%時(shí)，在攪拌漿液的數(shù)十秒之內(nèi)漿液呈塑態(tài)，攪拌較吃力。反映到實(shí)際施工情況，即為當(dāng)固相比為3∶7和5∶5的漿液水玻璃摻量分別大于40%和20%時(shí)，在注漿孔內(nèi)漿液出現(xiàn)稠糊狀可能導(dǎo)致孔內(nèi)堵塞。因此，為了保證在最短時(shí)間內(nèi)注滿帷幕孔使其形成帷幕，固相比為3∶7的漿液采用35%～40%摻量的水玻璃，固相比為5∶5的漿液采用15%～20%摻量的水玻璃具有可行性和實(shí)效性。

3 結(jié)論及施工控制

1)同一固相比的漿液各項(xiàng)性能指標(biāo)均隨水固比的減小而增大。2)當(dāng)水固比相同時(shí)，密度隨固相比的增大而增大，粘度隨固相比的增大而減小，7 d抗壓強(qiáng)度隨固相比的增大而增大。3)當(dāng)在漿液中加入3%的水玻璃時(shí)，在不降低結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的前提下，提高了漿液的結(jié)石率，使其填充作用大大加強(qiáng)。4)水玻璃摻量越高，漿液初凝時(shí)間縮短的幅度越小。5)漿液初凝時(shí)間隨水玻璃摻量的增大而縮短，當(dāng)水玻璃摻量達(dá)到一定濃度時(shí)，繼續(xù)增加水玻璃摻量，其初凝時(shí)間基本無(wú)變化，即存在一個(gè)“水玻璃摻量速凝臨界值”。6)水玻璃摻量的速凝臨界值并不隨水固比的變化而變化。7)漿液水玻璃摻量的速凝臨界值隨固相比的增大而減小。8)為了避免因水玻璃摻量過(guò)大而引起注漿孔內(nèi)漿液出現(xiàn)稠糊狀而導(dǎo)致孔內(nèi)堵塞，并保證采空區(qū)部位及裂隙注漿效果，固相比為3∶7的漿液采用35%～40%的水玻璃摻量，固相比為5∶5的漿液采用15%～20%的水玻璃摻量具有實(shí)效性。

[1] 蔣天花.水泥粉煤灰灌漿的探索與應(yīng)用[J].浙江水利水電專科學(xué)報(bào)，2000(1)：37-38.

[2] 童立元.建筑下老采空區(qū)塌陷區(qū)地基注漿充填材料試驗(yàn)研究[J].建筑技術(shù)，2003,36(6)：456-459.

[3] 張曙光.采空區(qū)注漿配合比試驗(yàn)優(yōu)化分析[J].西部探礦工程，2008(8)：114-116.

[4] 童立元，邱 鈺，杜廣印，等.高速公路下伏多層采空區(qū)注漿充填法治理試驗(yàn)研究[J].公路交通科技，2002，19(5)：19-27.

Research on water glass mixing amount test in mined out area treatment

He Junfang1Wang Ping2Yang Peng3

(1.ChinaCommunicationTongliConstructionCo.,Ltd,Xi’an710075,China; 2.ChinaBuildingSouthwestSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd,Chengdu611130,China; 3.Xi’anChangqingScience&TechnologyEngineeringCo.,Ltd,Xi’an710021,China)

The paper mainly describes water glass admixture alteration law under various slurry mixing proportions, and carries out systematical experimental research of various slurry mixing proportions under various water glass mixing amount. The research results will provide some applicable suggestions for slurry admixture agent application research, design and construction in mined out area treatment.

mined-out area treatment, slurry mixture proportion, water glass, critical value

2015-01-06

何軍芳(1982- )，男，工程師； 王 平(1982- )，男，工程師； 楊 鵬(1979- )，男，工程師

1009-6825(2015)08-0133-02

TU502

A