綠色注漿充填材料采空區處治效果評價

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有限公司，山西太原 030032）

0 引言

山西省作為產煤大省，地下煤礦被開采后造成的采空區，對高速公路和其他地面建筑物的建設和安全使用有很大的威脅，工程實踐證明，采空區治理最常用的手段仍是以注漿為主[1-2]。目前應用于采空區注漿回填的材料主要是水泥漿類材料，這些材料應用于采空區注漿工程時，不同程度地存在析水率高、穩定性差和結石率低等性能缺陷。尤其是對空洞型采空區進行注漿充填施工時，由于填補空間大、深度大、環境復雜，采用傳統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濟意義[3-4]。

該研究在梳理既有技術的基礎上，利用電廠循環流化床粉煤灰（以下簡稱“CFB 灰”）與鋼渣微粉基材耦合機理[5]，自主研發了復合改性鋼渣微粉∕CFB 灰全固廢類綠色注漿充填材料，不僅解決了CFB 灰應用于采空區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處治工程，選取合適的試驗路段，采用自主研發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，為后續的規?；茝V應用提供條件。

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，設計速度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域，開采9～11 號煤層。根據勘察結果，該區域采空區長740 m，開采年限屬于2008年以前，采厚2～3 m，埋深23.2～98 m，采空區內存在少許積水，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、泥巖碎屑及石灰巖等組成，地表變形已湮滅。該區采空區治理歸屬汾石高速采空區施工總承包第四工區，下設5、6、7、8、9 五個處治區域，漿站位于兌鎮東莊里村。

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，注漿空位選取以9Z1-7、9Z2-9、9Z2-11 為中心，向四周輻射，形成一定封閉區域，便于后續檢測和監測。其中，9Z1-7、9Z2-9、9Z2-11為典型冒落孔，平均埋深為40 m 左右。

2 處治方案設計參數

a）注漿材料 材料選用復合改性鋼渣微粉、CFB灰。

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

c）注漿壓力 路基下伏采空區終孔壓力為1.0 MPa～1.5 MPa。

d）漿液充填率 路基下伏采空區充填率不小于90%。

e）漿液結石體強度 路基下伏采空區漿液結石體強度不小于0.6 MPa。

f）波速 路基下伏采空區檢測孔內橫波波速應大于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，具體技術指標檢測如表1。

表1 CFB灰檢測結果 單位：%

c）復合改性鋼渣微粉 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劑，需要超細化預處理，然后再與鋼渣微粉一起通過研磨超細化、均質化處理，得到復合改性鋼渣微粉。

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配，得到復合鋼渣微粉，具體技術指標檢測如表2。

表2 復合改性鋼渣微粉檢測結果

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）漿液配制按設計漿液配合比，采用工區既有漿站進行配制，其中復合改性鋼渣微粉∕CFB 灰漿液配比：水固比為1∶1.2，路基下伏采空區復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、無側限抗壓強度?，F場抽檢結果如表3。

表3 現場漿液抽檢結果

上述指標符合設計要求，密度大于1.5 g∕cm3，黏度小于35 s，無側限抗壓強度大于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過濾，停留時間不應超過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，穩定15 min 之后，可結束該孔的注漿施工。

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，利用兌鎮東莊里村現有漿站及注漿設備，漿液總計消耗方量為1 700 m3左右。

2022年9月9日，按照相關規范規程及設計文件要求，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，對所取全固廢漿結石體進行物理測試，確定其無側限抗壓強度是否滿足設計要求。

b）通過注漿效果的檢測，與傳統水泥粉煤灰漿液注漿效果進行對比。

4.2 檢測方法

按照相關規范規程及設計文件要求，該次檢測采用鉆孔取芯、波速測試、結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和裂隙帶的充填率及注漿漿液的結石率。通過全孔取芯直接觀察采空區的漿液充填情況，并結合鉆探過程中鉆進速度、循環液的消耗情況、孔內靜止水位觀測結果及孔壁的穩定性等，直觀定性評價注漿的質量。

b）波速測試 通常情況下，孔內波速檢測有單孔法和跨孔法，該次采空區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，兩者各有優缺點，在現場檢測過程中需要根據實際情況配合使用。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）孔內電視 孔內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，根據圖像的形態、顏色及光亮等信息，綜合評價采空區的處治效果。采用的儀器為武漢長盛工程檢測技術開發有限公司開發JL-IDOI（C）智能鉆孔三維電視成像儀。

5 結果與分析

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的漿液充填情況，主要檢測漿液對采空區和斷裂帶的充填率，直觀定性評價注漿的質量。

檢測孔設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異常情況，成孔后對全孔巖芯拍照，鉆探過程中主要就孔內地層巖性變化、含煤或采掘情況、裂隙發育程度、巖芯形態、完整或破碎程度、采空區與冒落帶裂隙或空洞內漿液結石體的充填情況、循環液的漏失或循環情況、注漿后裂隙的充填和閉合情況、采取的結石體（顏色、硬度、敲擊聲音）等物理性質、孔壁的穩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 冒落孔隙內見漿液結石體，混雜有松散冒落碎屑物，如圖2。煤層頂板較破碎，巖性為灰巖，灰黑色，較堅硬，鉆進過程中較平穩，孔壁較穩定，采空冒落帶孔隙中有結石體充填，未見掉鉆空洞，孔隙閉合較好，鉆進過程中在22.0 m 出現循環液少量漏失情況。

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 冒落孔隙內見漿液結石體，混雜有松散冒落碎屑物，如圖3。煤層頂板較破碎，巖性為灰巖，灰黑色，較堅硬，鉆進過程中較平穩，孔壁較穩定，采空冒落帶孔隙中有結石體充填，未見掉鉆空洞，孔隙閉合較好，鉆進過程中在14.0 m 出現循環液少量漏失情況。

圖3 檢測孔2鉆探芯樣

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

該次鉆孔取芯檢測結果見表4。

表4 汾石高速采空區試驗段處治工程鉆芯檢測結果一覽表

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。

設計要求公路路基采空區處治質量驗收標準為檢測孔內橫波波速應大于250 m∕s，波速測試直接結果為縱波波速，縱波波速根據相關規范轉換為橫波波速，波速測試曲線由探頭深度與所在的位置波速大小的函數關系形成，綜合結果見表5。

表5 汾石高速采空區試驗段處治工程波速檢測綜合結果 單位：m/s

5.3 孔內電視

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

通過孔內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，根據圖像的形態、顏色及光亮等信息，綜合評價采空區的處治效果。該次檢測結果見表6。

表6 汾石高速采空區試驗段處治工程孔內電視檢測結果

該次檢測采用孔內電視對采空區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計，通過對鉆孔成像進行識別分析，通過統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作用，垮落斷裂帶的漿液結石體易受到沖刷，產生局部掉落，因此裂隙充填率的統計結果會略微偏小。

表7 汾石高速采空區試驗段處治工程裂隙充填率統計表 單位：%

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

5.4 結石體強度

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實體，但由于所取結石體尺寸不能滿足標準單軸抗壓強度測試，因此對結石體進行天然點荷載試驗，所得數值根據規范公式進行單軸抗壓強度換算。

圖6 點荷載強度測試裝置

室內試驗點荷載強度得到未經修正的巖石點荷載強度IS，根據《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；De為等價巖芯直徑，mm；m為修正指數，可取0.40～0.45；RC為巖石單軸抗壓強度，MPa。

汾石高速采空區試驗段處治工程漿液結石體強度試驗成果見表8。

表8 汾石高速采空區試驗段處治工程漿液結石體強度試驗成果表

6 結論

在該次采空區試驗段處治工程質量檢測中，通過鉆孔取芯、孔內波速測試、孔內電視觀察、芯樣抗壓強度測試、鉆探循環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據，經認真對比分析及總結，檢測結果基本達到了設計要求，檢測結果見表9。

綜上所述，采用CFB 灰∕復合鋼渣微粉全固廢類綠色采空區注漿充填材料進行采空區處治：

a）處治工藝 新型全固廢類綠色采空區注漿充填材料工作性可以滿足傳統注漿設備要求，無需更換設備，相關工藝參數微調即可。

b）處治效果 根據該次試驗段檢測結果，結合室內試驗研究成果，可以判斷，與傳統水泥∕粉煤灰漿液在漿液相比，采用新型全固廢類采空區注漿充填材料對采空區進行治理：

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

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

（c）處治效果其余檢測指標均符合相關規范要求。