南水北调中线工程采空区注浆处理试验研究
冯涛
（河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450016）
作者简介：冯涛 （1971-），河南驻马店人，硕士研究生，主要从事水工结构方面的研究。
摘要：根据南水北调中线工程某采空区充填注浆对比试验，优化了工程注浆处理参数，选定较优的注浆材料、孔排距、注浆压力、结束标准等。根据钻孔弹性波CT速度成像剖面，结合钻孔情况、注浆情况综合判断采空区注浆处理效果，结果表明：孔排距为18m×18m情况下，水固比为1∶1的大掺量粉煤灰水泥浆液本身流动性较好；当孔口压力为1.0～1.5MPa，泵量小于10L/min，并稳定10min，即可结束灌浆施工。通过综合判断，该注浆处理方法能达到预期的充填效果。
关键词：采空区 注浆 地质CT扫描 南水北调中线工程
采空区是地下矿产被采出后留下的空洞区。矿产被采出后，自顶板岩层向上形成“三带”——垮落带、裂隙带和弯曲带。采空区的存在使得原有的地质平衡被打破，地表沉陷，产生连续或非连续变形，由此带来的一系列环境岩土工程问题，对工程安全有巨大威胁［1］。南水北调中线工程穿越4个采空区，沿渠道中心线累计长度为3.11km，处理面积为212万m2。采空区注浆处理的质量直接关系到总干渠运行和两岸人民生命财产安全。钻孔深、工程量大、工期紧是南水北调中线工程采空区注浆处理工程的主要难点。同时，采空区均为老矿区，年代久远，煤矿资料不全，矿道分布全无，工程地质条件极为复杂，在地表下200～300m深度对老矿区进行大规模封闭注浆，其技术难度极大。因此，在南水北调中线工程某采空区进行生产性试验，探求适宜的注浆材料，较优的浆液配比，以及合理的孔距、排距、灌浆参数等。
1 工程概况
1.1 地质特征
根据地质资料，南水北调中线工程采空区地貌以低山丘陵为主，丘前是坡洪积裙与平原的过渡地带，地形较平缓。基岩为二迭系上统石盒子组，其上为新生界第三系，地表均为第四系覆盖。地质情况由老到新：①二迭系上统石盒子组主要由灰黄、灰绿色泥岩，沙质泥岩，灰白色细粒、中粒沙岩组成，夹紫红色斑状页岩、炭质页岩及煤层，厚520～561m，平均厚536m。②第三系中新统洛阳组主要为紫红、棕红、棕黄色含有灰绿色条纹的黏土岩、沙质黏土岩及棕黄、黄色、灰白色沙岩、沙砾岩，钻孔揭露最大厚度17.5m。黏土岩成岩程度一般较差，为极软岩或呈坚硬、硬塑土状，多夹杂有钙质团块，局部成岩程度较好，发育有节理裂隙，裂面光滑，偶见有擦痕，裂隙以70°～90°裂隙为主。沙砾岩砾石成分主要为石英沙岩、灰岩及沙岩，泥钙质胶结，一般成岩程度较好，分布不均。③第四系中更新统主要为坡洪积成因的黄色、棕红色重粉质壤土，硬塑、可塑状，结构致密，含有铁锰质结核，厚度一般为8.0～39.0m。④第四系上更新统主要为浅黄色黄土状中、重粉质壤土，含少量钙质结核，厚度一般为2.0～14.2m。
1.2 采空区分布特点
（1）南水北调中线工程采空区多分布在虎头山断层两侧，呈东西向分布。分布的煤层厚度为0.69～1.04m，埋深为106～242m。采空区覆岩为软质岩夹硬质岩，地层走向约为105°，倾向为195°，地层倾角为12°～19°，一般约为14°。
（2）采空区形态不规则。该渠段多为小煤矿，采用巷道式采煤，主巷道呈网格状或无规律分布，其采煤通风等巷道形态及开采系统变化多样，所留煤柱位置、大小等具有很大的随意性。
（3）地质条件复杂。采空区钻孔地层从上到下依次为黄土层、卵石或砾石层、基岩段（包括垮落带、裂隙带、弯曲带）、采空区巷道等复杂地质条件的地层。
2 试验方案
2.1 试验区方案
充填灌浆分为1号、2号两个试验区，为了验证不同施工条件下的充填灌浆效果，以确定合理的充填灌浆参数，对1号、2号试验区分别进行如下布置：①1号试验区充填灌浆面积9521.58m2，孔排距为18m×18m，共布置30个灌浆孔，灌浆分两序进行，17个Ⅰ序孔，13个Ⅱ序孔。2号试验区充填灌浆面积14875.21m2，孔排距为22m×22m，共布置31个灌浆孔，灌浆分两序进行，16个Ⅰ序孔，15个Ⅱ序孔。②1号试验区充填灌浆结束标准为孔口压力为1.0～1.5MPa，泵量小于70L/min，并稳定10min以上。2号试验区充填灌浆结束标准为孔口压力为1.0～1.5MPa，泵量小于10L/min，并稳定10min以上。③孔深原则上钻至采空区垮落带底板下1.5m处，灌浆长度为基岩下5m至终孔。
2.2 充填注浆材料
通过对采空区空腔和塌落散粒体进行充填灌浆，对孔隙加以填充，并对散粒体加以胶结，从而提高采空区基础稳定性。对大掺量粉煤灰水泥浆掺入相关改性材料进行改性，激活粉煤灰活性，引入补偿收缩的功能组分，调节浆液凝结时间，使粉煤灰水泥充填注浆材料具有高填充性、高流动性、高强、耐久性、低收缩性和缓凝时间可控等特性。
主要原材料采用42.5级普通硅酸盐水泥和Ⅱ级粉煤灰。注浆材料主要采用集中制浆站内配制的水固比为1︰1（质量比）的水泥粉煤灰浆液（质量比，水泥︰粉煤灰=0.15︰0.85），外加剂在注浆现场搅拌桶内添加。充填注浆材料配比A仅为水泥和粉煤灰，不掺加外加剂，填注浆材料配比B高效减水剂、自流平流化剂、粉煤灰激活剂、缓凝剂掺加量分别为水泥、粉煤灰质量的0.5%、0.5%、1.0%、0.5%，注浆材料配比C自流平流化剂、粉煤灰激活剂掺加量分别为水泥、粉煤灰质量的1.5%、1.5%。1号试验区充填灌浆最开始采用配比A，当泵量明显下降（为初始阶段的1/3）时改用配比B，当泵量再次明显下降（为配比B初始注浆泵量1/3）时改用配比C，直至灌浆结束。2号试验区采用配比A直至灌浆结束。
3 试验过程分析
两个实验区共钻孔61个，钻孔9489.03m，平均孔深155.6m。灌浆89个段次，灌浆干耗灰量为10129.7t，平均单孔灌浆干耗灰量为166.1t，单孔灌浆干耗灰量最大值为920.6t，最小值为0.1t。
3.1 钻孔资料统计分析
由钻孔统计资料，Ⅰ序孔钻孔遇到的特殊情况次数要远大于Ⅱ序孔，基岩段钻孔遇到的特殊情况主要为坍孔、失水、掉钻、卡钻等，掉钻长度集中在0.4～0.8m，其中最大掉钻长度为1.9m，最小为0.2m。基岩段掉钻均发生在孔深120m以下的煤矿采空区、垮落带及裂隙带。钻孔失水以孔深120m以下失水次数和失水量较大，且钻孔掉钻的孔段均有大量失水现象发生。
试验区共设置5个充填灌浆取芯孔和8个地质CT暨质量检查钻孔，充填灌浆取芯孔取芯率分别为44.3%、37.2%、63.9%、46.4%、34.5%，平均取芯率为45.3%；地质CT暨质量检查钻孔取芯率分别为53.5%、53.4%、52.1%、58.7%、51.8%、57.3%、66.9%、67.7%，平均取芯率为57.7%。灌浆前充填灌浆取芯孔岩芯采取率为45.3%，灌浆后检查孔岩芯采取率为57.7%，灌浆后比灌浆前提高了12.4%，说明灌浆后岩芯的完整性较灌浆前好，采空区的空腔和裂隙充填效果良好。
3.2 灌浆资料统计分析
3.2.1 单孔干灰注入量统计分析
1号试验区Ⅰ序孔平均单孔注灰量为169.2t/孔，Ⅱ序孔平均单孔注灰量为72.4t/孔；2号试验区Ⅰ序孔平均单孔注灰量为342.3t/孔，Ⅱ序孔平均单孔注灰量为55.0t/孔。单孔平均注灰量递减率分别为57.2%、83.9%，分序递减效果明显，说明灌浆效果良好。灌浆过程中出现串浆、外漏等现象，浆液的扩散性比较好，能充满采空区。后经检查孔取芯，可见地下注浆后形成强度较高的水泥粉煤灰结石体［2-3］。充填灌浆生产性试验单孔干灰注入量统计见表1。
表1 充填灌浆生产性试验单孔干灰注入量统计
3.2.2 单孔灌浆过程曲线分析
1号试验区、2号试验区单孔灌浆过程曲线具有相同的规律，灌浆流量与注浆压力呈负相关关系。灌浆流量较大时，灌浆趋势：灌浆过程流量为100～130L/min，压力为0～0.2MPa，而灌浆的最后5～30min注入率骤降至0～10L/min，压力升至1.0～1.5MPa。
充填灌浆分别在1号试验区、2号试验区采用泵量小于70L/min和10L/min两个结束标准进行对比试验。由以上的分析可以看出，灌浆流量不是以平滑的曲线从100～130L/min慢慢过渡到结束标准，而是随着灌浆的进行流量骤降至结束标准或降至结束标准流量以下，按照1号试验区的变浆标准实施变浆对注浆处理影响不大。
4 质量检查
4.1 地质CT扫描
每个充填灌浆试验区布置两组CT测试钻孔，每组检查孔间距为27～30m，扫描深度为基岩以下5m至终孔，孔口以下50～160m。检查方式以地质CT扫描为主，弹性波检测以95%以上的检测区域检测波速达到2500m/s以上为标准，试验区CT扫描成像剖面见图1、图2。依据测试区钻孔弹性波CT速度成像剖面，结合该区地层情况可以看出，探测区域内地层波速分布相对变化不大，在60～110m深度弹性波速度为3000～3400m/s，地层结构较稳定，充填物较密实；在110～153m深度存在相对低速区域，弹性波速度为2600～3000m/s，充填物基本密实；在深度117～149m局部小范围存在低速区域，弹性波速度为2200～2600m/s。
图1 1号试验区两组检查孔成像剖面
图2 2号试验区两组检查孔成像剖面
4.2 压浆检查
检查孔压浆检查压力采用80%的注浆压力。所有孔段都按注浆要求进行补充注浆处理。1号试验区Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、检查孔单孔干灰注入量分别为169.2t、72.4t、39.4t，2号试验区Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、检查孔单孔干灰注入量分别为342.3t、55.0t、50.9t。随着灌浆的逐步施工，单孔干灰注入量呈明显下降趋势，灌浆充填效果良好。检查孔单孔干灰注入量与充填灌浆孔对照情况见表2。
表2 Ⅰ序孔、Ⅱ序孔、检查孔干灰注入量对照
5 结语
以地质CT扫描为主要检查方式，弹性波检测以95%以上的检测区域检测波速达到2500m/s以上为标准，同时结合压浆检查、钻孔取芯情况以及钻孔、灌浆成果资料等综合判断采空区灌浆处理效果，结果表明：水固比为1︰1的浆液本身流动性较好，而且达到了应有的充填效果，按照配比A直接进行灌浆，充填灌浆不需变浆；当孔口压力为1.0～1.5MPa，泵量小于10L/min，并稳定10min，即可结束灌浆施工；为提高采空区处理的充填密实度和上覆岩体的稳定性，保证建筑物运行安全，确定孔排距为18m×18m，在单孔灌浆干耗量比较大的边界孔孔周围补孔进行加密灌浆处理。通过综合判断，该注浆处理方法能达到预期的充填效果。
参考文献
［1］ 童立元,刘松玉,邱钰,等.高速公路下伏采空区问题国内外研究现状及进展［J］.岩土力学与工程学报,2004,23(7):1198-1202.
［2］ 朱宜生,方磊,童立元,等.高速公路下伏某煤矿采空区地质特征及注浆充填法治理研究［J］.江苏地质,2003,27(1):37-40.
［3］ 吴国宾.压力注浆技术在公路下伏采空区治理中的应用与效果［J］.交通标准化,2010(18):115-118.