露井聯采回填區域地基注漿加固技術

陳清通，牟 義，陳 凱

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013)

注漿加固法是用將水泥漿注入所需加固的巖層中，驅走巖層中的水分和氣體，并以其自身填充，凝固后將巖土膠結成一個整體，從而改善土層受力狀態和荷載傳遞性能，提高地基承載力和變形模量，達到減小建筑物沉降的效果[1]。注漿加固法可用于對已變形建筑物、構造物的糾偏，具有造價低、工期短及對環境影響小等優點，在隧道、地鐵、煤礦井巷、土木等工程領域得到了廣泛的應用[2-4]。傳統的注漿加固法一般針對單一深度已查明災害體進行治理，注漿鉆孔較少有針對性的設計，注漿材料較少進行各種性能的試驗，治理效果檢驗常用打鉆的方式進行檢驗，本文系統全面地對復雜采空區進行注漿充填治理，先通過綜合物探、鉆探、鉆孔電視等勘查手段對采空區分布進行精確勘查，然后根據勘查結果有針對性對淺部回填區和深部采空區布設注漿鉆孔，并進行注漿材料性能試驗，優化注漿材料，最后采用地表沉降監測、綜合物探、鉆探、波速測試等多種手段檢驗注漿加固效果，形成了完備的采空區(回填區)勘查、治理鉆孔設計、注漿材料試驗、注漿加固治理、注漿效果檢測一體化體系。

陽泉市某光伏基地建設于露天礦回填區，其升壓站位于回填區邊緣，回填矸石壓實度不夠，地下空洞、裂隙發育；升壓站東部邊界原有小窯房柱式開采，年代久遠，采空區分布不清、形狀不規則。升壓站選址區域經簡單夯實后建設了該升壓站，2016—2018年期間地基陸續出現了沉降、線塔構架傾斜現象。根據物探鉆探勘查結果發現升壓站淺部存在6.89～22.4m的回填層，回填層破碎、松散，漏水嚴重，承載能力差；同時，在深部勘查孔鉆進過程中，部分鉆孔在深度50m左右出現掉鉆情況，掉鉆深度接近2m，內部貫通，吸風嚴重，經過鉆孔電視發現所有鉆孔均有巖層破碎、裂隙發育情況，空洞、碎塊及裂隙均為采空區及頂板垮塌所致。為了保證升壓站安全運行，采取注漿加固地基技術，針對露井聯采煤礦既存在回填區又有采空區的特殊情況，提出采用淺部回填區注漿與深部采空區注漿相結合的方法。

1 勘查與治理設計

1.1 勘查結果分析

該升壓站附近區域既有淺層20m之內的回填區，又存在50m左右的深部采空區，根據現場地質條件選用瞬變電磁法、探地雷達法、單點地震法三種方法進行探測。瞬變電磁法具有穿透高阻覆蓋層的能力，施工簡單、效率高及地形適應性好，適合淺、中深、深層采空區勘查，對低阻異常體反映靈敏，適用于一定規模的積水采空區、規模較大的弱或不含水采空區勘查，但瞬變電磁淺部存在大約20～30m的探測盲區[5，6]；探地雷達法一般為單點測量或連續測量施工方式，適合極淺層近地表采空區探測，地質雷達法探測深度較淺，一般只能探測20～30m，遇到地表松散層等探測深度更淺，甚至只有幾米；單點地震法一般采用錘擊震源，單點錘擊發射、單點檢波器接收，適合淺層采空區探測，一般探測深度可達40～50m左右，但檢波器接觸不良易造成數據受干擾。

現場雖然進行了斷電處理，但升壓站仍存在供電設備等大型鐵器干擾，地表是水泥硬化路面，地下是回填區裂隙空洞發育，都對物探信號產生干擾。瞬變電磁法可探測深部采空區及積水，但淺部采空區及積水在探測盲區范圍之內，且易受大型鐵器干擾電磁信號；地質雷達可探測淺部采空區，但達不到深度采空區探測深度，且易受地下松散空洞、裂隙干擾，探測深度急劇下降；單點地震法可探測淺部、深部采空區，但水泥硬化路面影響錘擊激發和檢波器接收的效果，數據質量受影響。

升壓站物探區域常用物探方法既有優點，也存在明顯不足，采用單一物探方法無法有效查明回填區及采空區范圍，而采用瞬變電磁、地質雷達及單點地震三種綜合物探方法在該區域施工，可相互補充、相互驗證、取長補短，實現淺層回填區和深層采空區的最有效探測。三種方法均布置測線11條，測線間距10m，點距10m。物探施工布置如圖1所示，根據物探結果，圈出了4塊異常區，推斷為回填區裂隙或采空區空洞，結果如圖2所示。

圖1 物探異常區

圖2 鉆探布置圖

根據物探成果中的異常區，在異常區范圍內布置了7個鉆孔，鉆孔深度60m左右，全孔取芯，鉆孔布置如圖2所示。通過鉆探，在升壓站淺部揭露存在6.89～22.4m的回填區，回填區巖層松散、破碎、漏水嚴重、承載力低，升壓站的東側1號孔發現在54m處出現1.8m的掉鉆，2號孔發現巖層裂隙極其發育，與1號孔貫通，孔口吸風嚴重，其他各孔也查明巖層在50m左右均有不同程度的破碎與裂隙，推斷為采掘活動形成的空洞、塌陷裂隙，分析可能會在地表產生變形、裂縫等，給升壓站設備帶來安全隱患。為了更好地了解1號孔和2號孔的孔內裂隙發育及空洞情況，對這兩個孔進行了鉆孔電視探查，鉆孔電視探查情況如圖3所示?？梢钥闯?，巖層破碎、裂隙發育，有煤巖體垮塌充填跡象。物探、鉆探以及鉆孔電視的綜合結果表明，該處淺部回填區與深部采空區等是造成升壓站不同程度沉陷變形破壞的原因，需對該區域地基進行加固治理。

圖3 鉆孔電視孔內情況

1.2 淺部回填區治理設計

對于厚度較大的回填地基，經濟有效的處理方法有土擠密樁法和淺層注漿法[7-9]。土擠密樁法具有原位處理、深層擠密、就地取材、工藝多樣、施工速度快和造價低廉的特點，但擠密樁設備高、需要的施工場地要求高、對周邊設施影響劇烈。考慮到該升壓站的架構區已經建成且在運行中，不適合用擠密樁處理[10]。相比于擠密樁法，淺層注漿可以用較小的設備完成回填區加固，因此，選擇淺層注漿法對該架構區填土地基進行處理[11]。整個升壓站架構區淺部回填區治理范圍為長60m、寬35m的矩形，計算治理面積為2100m2?？辈榻Y果顯示升壓站的東側和北側回填區較厚且漏水嚴重，回填區更松散，承載力更低，西側和南側回填區密實性略好，因此在升壓站東西南北側布置帷幕孔，將東側和北側水源截住，帷幕孔布設完成后，再進行內部注漿孔的施工。注漿孔設計布置如圖4所示。

圖4 注漿孔設計布置

1)外側帷幕孔。在升壓站東、北兩側各布設三排垂直鉆孔，西側布設一排垂直鉆孔，南側布設兩排垂直鉆孔。東側三排鉆孔孔距1～1.2m，三排鉆孔呈梅花狀布設，每排鉆孔間隔1m，鉆孔深度為20m；北側三排鉆孔孔距1～1.2m，三排鉆孔呈梅花狀布設，每排鉆孔間隔1m，鉆孔深度為20m；南側布置兩排鉆孔，一排鉆孔孔距1～1.2m，第二排與第一排間隔1m，兩排鉆孔呈梅花狀布設，鉆孔深度為20m；西側布一排鉆孔，鉆孔孔距1～1.2m，鉆孔深度為20m。

2)內側注漿孔。升壓站東側、北側、西側以及內部均布置內部注漿孔。升壓站東側、北側和西側各布置一排內部注漿孔，鉆孔孔距2～2.5m，鉆孔深度為20m，內部孔布設7排，每排6個，鉆孔深度為20m。

3)注漿量預計。淺部回填區注漿量由下式計算：

Q=S×M×K

(1)

式中，Q為注漿量，m3；S為治理面積，m2，本次取值為2100m2；M為需治理的回填層深度，m，本次取20m；K為孔隙率，本次取值為0.1。

淺部注漿量估算：Q=2100m2×20m×0.1=4200m3。

1.3 深部采空區治理設計

根據勘查的結果分析，小窯房柱式采空區影響升壓站范圍4800m2，在該區域再布置7個深部鉆孔，結合之前的5個深部勘查鉆孔，一起作為深部空洞的注漿孔。注漿孔設計布置如圖4所示。

深部總注漿量由下式計算：

Qc=Sc×Mc×K1×K2×K3/K4

(2)

式中，Qc為采空區注漿量，m3；Sc為采空區治理面積，m2，本次取4800m2；Mc為煤層采厚，m，本次取1.8m；K1為煤層回采率，本次取60%；K2為注漿體積充填率，取值范圍在0.75～0.95之間，本次取0.85；K3為漿液損失率，取值范圍1.0～1.5，本次取1.2；K4為漿液結石率，取值范圍0.7～0.95，本次取值0.85(結石體積與漿液體積的比例)。

初步估計注漿總量Qc=4800m2×1.8m×0.6×0.85×1.2/0.85=6220m3。

圖5 漿液比重測量實驗曲線

2 注漿材料實驗

參照以往工程實踐、實驗室實驗和現場試驗，考慮材料來源與工程實際匹配，多個配比參數試驗后確定淺部回填區注漿漿液采用1∶1單液水泥漿為主，水泥采用42.5#普通硅酸鹽水泥；深部采空區注漿漿液采用1∶0.3∶0.9為主水泥粉煤灰漿液，水泥采用32.5#普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為電廠二級粉煤灰，并對確定配比漿液的各項性能參數進行測定[12，13]。

2.1 漿液比重

6組水泥漿液和水泥粉煤灰漿液的密度如圖5所示，可以看出6組水泥漿液密度在1.49～1.63g/mL，平均值1.55g/mL，比重波動-3.87%～5.16%；6組水泥粉煤灰漿液比重在1.42～1.61g/mL，平均值1.52g/mL，比重波動-6.58%～5.92%。

2.2 結石率和泌水率

6組兩種漿液的最終結石率、泌水率分別如圖6、圖7所示，可以看出6組水泥漿液結石率在79.1%～83.7%，平均值81.4%，結石率波動-2.83%～2.83%；6組水泥粉煤灰漿液結石率在80.9%～86.3%，平均值83.6%，結石率波動-3.30%～3.30%。

圖6 結石率測量實驗曲線

圖7 泌水率測量實驗曲線

2.3 凝結時間

凝結時間是指水泥從加水開始到失去流動性，即從可塑狀態發展到開始形成固體狀態所需的時間，分為初凝和終凝[14]。初凝時間是水泥加水拌至水泥漿開始失去可塑性所需的時間，終凝時間是水泥加水拌合至水泥漿固結產生強度所需的時間[15]。為合理設計漿液運輸管路，需測定漿液的初凝和終凝時間，6組水泥漿液初凝時間在14～15h左右，平均為14.5h，終凝時間24.5～25.5h左右，平均為25h，同一組水泥漿液的初凝時間和終凝時間均間隔10.5h；6組水泥粉煤灰漿液初凝時間在15～16h左右，平均為15.5h，終凝時間25.5～26.5h左右，平均為26h，同一組水泥粉煤灰漿液的初凝時間和終凝時間均間隔10.5h。

2.4 力學性能

將水泥漿液和水泥粉煤灰漿液分別制成9組70.7mm×70.7mm×70.7mm試件，拆模后將試件放在標準養護條件(相對濕度90%，溫度20℃)下養護，達到要求齡期后進行物理力學實驗，從而得到應力-應變變化特征以及各類強度特性[16]。9組水泥漿液試塊強度在8.6～9.1MPa，平均值8.82MPa，試塊強度波動-2.49%～3.17%；9組水泥粉煤灰漿液試塊強度在2.2～2.7MPa，平均值2.43MPa，試塊強度波動-9.47%～11.11%。

3 注漿施工工藝

注漿工作分為淺部回填區注漿和深部采空區注漿，注漿施工順序為：先進行淺部注漿的工作，淺部注漿完成后再進行深部注漿工作。

3.1 回填區注漿施工

按照設計注漿孔位置，采用儀器測量注漿孔排線起、終點，用鋼尺測量排線孔位。注漿鉆孔采用?91mm的鉆頭，開孔口徑為?91mm，成孔口徑?91mm。為了防止對回填粉土造成濕陷和孔壁坍塌，鉆進工藝采用干法鉆進(螺旋鉆進或氣動潛孔錘鉆進)，控制鉆進壓力，減少對地基土層的擾動。鉆孔鉆至設計注漿段深度后，下入1寸PVC注漿管(管壁鉆有?5mm孔眼)至高出孔口0.2m，在護孔管內距離孔口0.8m將PVC注漿管用膠皮與孔壁固定，孔口用粘土或水泥漿封閉(高度0.2～0.3m)。根據工程特點和場地條件，先施工升壓站東側和北側的注漿鉆孔，然后施工西側和南側的注漿鉆孔，最后施工升壓站內部注漿鉆孔。注漿順序均按每排孔號1、4、7、……，2、5、8、……，3、6、9、……三個次序進行跳注。每個注漿段長度10m，每孔注漿次序為從上到下。根據凝結時間試驗，第一次序注漿段注漿結束12h之后，孔內漿液達到初凝后，再鉆孔至下一次序注漿段深度，進行注漿[16]。

注漿系統由蓄水池、堆料場、一級攪拌池、二級攪拌池、注漿泵、注漿管道、壓力表組成。本工程鉆孔注漿段吸漿率(量)按0.1～0.3m3/m(平均0.2m3/m)控制，注漿過程中當單孔吸漿率(量)大于0.3m3/m時，應及時觀測注漿孔周圍是否有跑漿、竄漿、地面鼓起等現象，并采取間歇式注漿。正常情況下，注漿壓力達到設計壓力0.7MPa，連續15min注漿量小于0.5L/min時，可結束注漿。淺部回填區施工注漿鉆孔843個，合計進尺為10705.1m，累計注漿方量為5226.9m3。設計注漿量為4200m3，實際注漿量比設計注漿量超出約1000m3，分析原因發現淺部回填層的孔隙更大。

3.2 采空區注漿施工

深部注漿孔的注漿施工順序為：先進行四周5個勘查孔的注漿，再進行7個深部孔的注漿。鉆孔開孔采用?133mm鉆頭，進入穩定基巖5m，松散層下入?127mm的套管，松散層鉆進時用膨潤土或者黏土漿液進行泥漿護壁?；鶐r層鉆進采用?91mm鉆頭鉆進，采用水灰比為0.5∶1的單液水泥漿進行固管，再無芯鉆進至底板以下1m處。

注漿系統與回填區注漿一致，注漿治理以靜注為主，當注漿壓力孔口管壓力達到1.5MPa，泵量小于70L/min，穩定15min時，結束該注漿段的注漿施工[17]。深部采空區施工注漿鉆孔12個，合計進尺為964.3m，深部注漿累計注漿方量為6801.2m3。設計注漿量為6220m3，實際完成量與設計量相差不大，達到了深部采空區治理目的。

4 注漿效果檢測

本次注漿充填效果檢測主要采用地面物探、鉆探取芯及漏失液觀測、聲波測試及地表沉降觀測等手段，以期達到不同范圍、不同時間段的監測。

4.1 地表沉降觀測

在升壓站地基注漿加固治理完成后，立即布置6個沉降觀測點，其中架構區四周布設4個，SVG室南北兩側各布設1個，采用預制混凝土測樁，采用水準儀進行測量，雨季(6月至9月)每月測量一次其余時間每季度測量1次，治理后12個月時間觀測7次，觀測結果尚未有沉降變形出現。

4.2 地面綜合物探

本次注漿效果物探檢測，既有淺層20m之內的回填區注漿，又存在54m左右的深部采空區注漿，因此，靠單一的物探方法很難滿足本區域的注漿效果檢測，采用地質雷達和瞬變電磁兩種綜合物探手段可以互相彌補探測深度的不足，可實現淺部、深部注漿效果檢測的全覆蓋[18，19]。綜合物探采用注漿之前探測一次，注漿30d之后再探測一次，兩次探測結果進行對比，根據對比結果分析注漿效果。

對于淺部回填區主要采用地質雷達進行注漿效果檢測，回填區注漿前存在破碎、裂隙時，地質雷達剖面圖中呈現波場振幅強弱不一，大部分呈現反射能量增強區域，并且煤層波場同相軸凌亂、減弱甚至消失、無成層跡象等特征；回填區注漿后變化明顯，地質雷達剖面圖中波場振幅能量較為均一，同相軸穩定且連續性好，出現明顯的成層性，說明回填區淺層注漿較為均勻，裂隙、破碎注漿較為充分，實現了淺層回填區的有效治理。

圖8 深部采空區瞬變電磁法平面圖

對于深部采空區主要采用瞬變電磁法進行注漿效果檢測，注漿前后典型瞬變電磁法平面如圖8所示。圖8(a)中可以看出深部采空區注漿前外部注漿孔區域顯示為未積水或弱積水采空區特征，呈現為高視電阻率異常特征，內部區域由于升壓站大量鐵器干擾影響出現了3處低阻區域，可信度較低，不予研究；圖8(b)可以看出深部采空區注漿后，外部注漿孔區域下方采空區注入了大量漿液，漿液凝結后與采空區頂底、板融為一體，外部區域整體電阻率值出現明顯下降，回歸到正常電阻率值范圍，說明深部采空區注漿充分壓入了采空區，并充填了相關空洞、裂隙，充填充分，凝結效果較好，達到了預期的治理效果。

4.3 鉆探檢測

注漿完成后6個月后，采用對注漿區域進行鉆孔取芯的方式，共施工了15個檢測鉆孔，含深部監測鉆孔2個，檢測鉆孔采取巖芯中漿液結石體較多，并且在鉆探過程中孔內無明顯漏水現象，證明注漿已經將巖層裂隙、破碎及采空區全部注滿，達到預期的治理效果[20]。

4.4 波速測試

采用WAVE3000波速測試儀進行單孔檢層法，間隔1.0m測試一次，利用人工淺振產生的橫波，通過放入檢測孔內的檢測探頭，經三分量檢波器接收地震波的直達信息，傳輸到地震儀主機自動記錄，然后用專用軟件進行資料處理，提交成果。測得剪切波速值范圍為246.30～365.70m/s，大于采空區注漿治理要求的波速指標(Vs>160m/s)。

5 結 論

1)針對露井聯采回填區地基注漿加固問題，采用單點地震法、地質雷達法和瞬變電磁法的綜合物探勘查方法圈出了異常區，根據物探異常區在場區范圍布置探查孔，結合鉆孔電視，查清淺部回填區與深部空洞、裂隙是造成升壓站破壞的原因，提出了淺部回填區注漿與深部采空區注漿相結合的地基加固方法。

2)參考以往工程實踐、漿液室內實驗、現場注漿試驗，確定淺部回填區采用1∶1為主的單液水泥漿，深部采空區采用1∶0.3∶0.9為主的水泥粉煤灰漿液，并結合漿液比重、結實率和泌水率、凝結時間、力學性能等物理力學參數試驗，確定了回填區和采空區注漿材料的可靠性，有針對性的優化了注漿加固施工工藝，并進行注漿施工，確定了露井聯采回填區和采空區的注漿加固的可行性

3)可采用物探、鉆孔取芯漏失液觀測、波速測試以及地表沉降觀測的方式進行注漿效果檢測，特別是物探可采用地質雷達和瞬變電磁兩種綜合物探手段，實現淺部、深部注漿效果檢測的全覆蓋。