浅谈粉煤灰在公路采空区中的应用

杨传永

(安徽省交通规划设计研究院,安徽合肥 230041)

浅谈粉煤灰在公路采空区中的应用

杨传永

(安徽省交通规划设计研究院,安徽合肥 230041)

公路采空区治理方法主要有注浆法和非注浆法。本文仅对注浆法的应用作研究分析。根据我省多年的煤层采空区治理工程经验,采用水泥粉煤灰注浆治理具有技术可行、经济合理的特点。供同行参考。

公路采空区;水泥粉煤灰注浆;应用

0 引言

我国金属与非金属矿产分布范围广、储量丰富,其开发开采的规模也很大。尤其是煤炭储量和产量,分别居世界第三位和第一位。煤炭是我国当前的主要能源。据统计,国内能源的生产和消费中,煤炭约占四分之三。预计今后30～50年里,煤炭作为我国第一能源的地位不会改变。据调查,我国除上海市外,各省(区)、直辖市都有煤炭储存及其煤矿(层)采空区的分布。以我省淮南市为例,境内面积有1/3左右为煤田,这样造成许多公路路线不能穿越煤矿采空区。为保证穿越采空区公路的工程质量和安全使用,必须对采空区进行治理[1]。根据我省多年的煤层采空区治理工程经验,采用水泥粉煤灰注浆治理具有技术可行、经济合理的特点。

1 公路采空区治理技术概况

公路采空区治理方法主要有注浆法和非注浆法。本文仅对注浆法的应用作研究分析。

随着工程建设发展的需要,注浆法适用范围不断地扩大,根据注浆法的应用情况[2],其主要适用范围如下:(1)提高地基承载力的注浆;(2)防止地表下沉的注浆;(3)防止滑坡的注浆;(4)封堵井下突水口或垂向导水通道的注浆;(5)加固、加厚底板隔水层的注浆。

2 注浆材料

2.1 材料选择

采空区注浆治理工程采用水泥、粘土、粉煤灰、砂等材料进行充填加固。如采用代用材料,应尽量采用那些价格低廉,就地取材,灌入工艺方法简单,具有一定固结强度的代用材料。我省淮南市境内电厂较多,多年的粉煤灰排量惊人,如在材料选择上多应用粉煤灰,具有明显的技术经济效益[3]。

2.2 用粉煤灰作为主要充填材料进行采空区地基处理的可行性

①原材料充足

我省境内有大量的火力发电厂,电厂所产生的粉煤灰数量巨大,没能有效利用,浪费了企业大量的人力、物力、财力,悬浮的粉煤灰颗粒还对环境造成了严重污染。

②采空区面积大,急需治理

我省煤田面积占国土煤田面积的1/3,许多公路路线选线不得不穿越采空区,且随着开采范围扩大,需要治理的采空区面积日益扩大。采空区的塌陷及可能塌陷的采空区不仅给桥梁结构,也会对路基稳定性造成破坏,为了保证公路正常运营通行必须对煤矿采空区进行治理。

③粉煤灰与煤炭理化性能接近,结构稳定。

粉煤灰作为煤炭开发利用所产生的工业垃圾,当作为充填材料注到采空区后,易形成稳定的结石,不会对地下资源造成污染,而且由于粉煤灰浆液具有流动性,能够最大程度地流填岩隙,使之处理的地基具有较强的承载力,为处理后采空区的有效利用解除了后顾之忧。

④减少污染,节约成本

粉煤灰浆液流入采空区,使大量的地面悬浮颗粒以液态形式储于地下,形成具有承载力的结石。粉煤灰的有效处理,不仅减少了污染,而且企业大量使用粉煤灰作为建筑充填材料,成本低廉,效果好,降低了工程造价。

2.3 材料规格

在注浆过程中,对注浆原材料的规格要求见表1。

表1 注桨材料的规格要求

原料 规格要求纸浆废液 酸法木浆废液(浓度40%以上)或其他干粉其他化学药品 工业品试剂细料:砂 天然砂或人工砂,粒径不宜大于2.5mm,有机物含量不宜大于3%

3 治理方法

3.1 治理方法选择

应根据公路等级及其不同地段(或构造物)等条件加以选择。一般路段的采空区,可采用以充填为主的水泥粉煤灰注浆法治理,其水泥用量可不大于20%;桥涵下采空区地段,采用以加固地基为主的水泥浆或水泥含量大于50%的水泥粉煤灰的注浆法处理,高等级公路下采空区,可采用注浆法治理。

3.2 水泥粉煤灰浆液

在水泥浆液中加入一定量的粉煤灰,称这种浆液为水泥粉煤灰浆液。水泥粉煤灰浆液较单液水泥浆成本低、流动性及稳定性好、结石率高。由于粉煤灰的加入其抗压强度下降,这种浆液适于充填注浆。水泥选用我省凤台县水泥厂生产的32.5级矿渣硅酸盐水泥,粉煤灰为淮南电厂的Ⅲ级粉煤灰。在灌浆充填工程中,将粉煤灰作为水泥的一部分代用材料,它与水泥、水混合后具有一定的活性,且后期强度较高:粉煤灰的相对密度为2.2。

4 某一级公路采空区治理工程

4.1 工程设计概况

该一级公路地处黄土高原,气候干燥,公路沿线地表多为第四纪松散层覆盖,下伏基岩由新至老依次为石炭系上统太原组石灰岩、煤层、泥岩;石炭系中统本溪组石灰岩,砂岩、砂质泥岩及粘土岩和铝质粘土岩、硫铁矿;奥陶系中统峰峰组石灰岩。该地区地震烈度为Ⅵ～Ⅶ度。

公路沿线分布有煤矿、铝质粘土矿、硫铁矿采空区,需要治理的采空区集中分布在拟建公路 K2+305～K8+585段,自南向北共分5个区20段。在 K4+100-K4～500区段内赋存有硫铁矿层,埋藏深度均在30m以上,采厚多数在1.5m以下,硫铁矿采空区对路基稳定性不会造成影响,因而可以不考虑处理。

4.2 注浆材料

注浆材料有水泥、粉煤灰、砂、水及速凝剂,其中水泥选用32.5级矿渣水泥(因矿井水中含SO2较高),砂的粒径最大不超过5mm,砂浆强度按M15要求。水泥粉煤灰浆的水固比1∶1.2～1∶1.7,水泥与粉煤灰比为2∶8～3∶7。砂浆的水砂比为7∶1～10∶1,水固比1∶1.5～1∶2.5。

4.3 施工工艺

4.3.1 钻进及成孔工艺

注浆钻孔(含注浆孔和帷幕注浆孔)开孔直径为φ168mm,钻入基岩风化带底界之后,下φ146mm套管护壁,变径φ127mm钻头钻进,煤矿钻至灰岩 K2或冒落裂缝带上界(冲洗液大量漏失后)换径,黏土矿钻至粘土岩和铝质粘土岩处换径,换径用φ89mm钻头钻进,换径后要求清水钻进。一般注浆钻孔不要求测斜,注浆注砂的帷幕孔要求每孔测斜一次,终孔孔斜要求不超过2度。

4.3.2 注浆工艺

(1)注浆段长度为变径后至煤层或黏土矿采空区底板的那段长度。

(2)注浆前注水冲洗钻孔,将受注段岩石裂缝中的填充物带走,使浆液扩散范围加大。

(3)浆液的稠度,一般是先稀后稠,逐渐变浓地进行。

(4)注浆孔采用连续注浆和间歇注浆相结合的方法;帷幕孔采用间歇注浆,但当吃浆量很小或采空区裂缝、空隙不发育时,也可采用连续注浆法注浆。

(5)当注浆量大或采空区裂隙、空隙较大时,采用间歇注浆法注浆,或利用注砂管注浆,用浆液将砂带入孔内,有时或在浆液中加入少量速凝剂(1%～2%的水玻璃)。灌注时进行定压慢挡灌注。

(6)单孔注浆结束标准:当孔口管压力在1.0～1.5 Mpa,泵量小于70L/min,稳定10～15min,即可认为孔最终注浆量达到结束标准。

4.3.3 井筒浆砌充填

拟建公路支护范围内,分布有20个斜井井筒和4个立井井筒,这些井筒多数没有永久性支护,对公路路基的稳定性影响比较大,因此需对这些井筒进行充填。

(1)斜井:采用浆砌片石充填。

(2)立井:以倾倒碎石进行充填,充填的同时预设注浆管,充填到井口后,通过注浆使充填体挤密、胶结。

(3)砂浆选用M7.5砂浆。

(4)浆砌片石要求填满井筒,而且接顶接邦要好。

4.4 注浆质量检测方法

采空区治理工程质量的检测方法为钻探和物探

(1)钻探检测孔

注浆工程结束6个月后,布设并钻进了8个检查孔,有5个孔取出水泥粉煤灰岩芯,其无侧限抗压强度为0.4～0.6MPa。

(2)物探检测

在8个检测孔中进行了弹性波速测试,横波速度值多数在300～1320m/s之间,只有检4孔在地表的1m处横波速度值为209m/s:

4.5 对该工程设计施工及治理效果的分析和评价

经治理后的整个采空区路段至今安全运营。通过该采空区治理注浆工程的实施,对该工程治理效果的具体内容和评价如下:

(1)注浆钻孔除个别因素在供水管附近不能按原孔位置施工外,其余孔均按原孔位置进行施工,现场抽查,误差小于0.1m。注浆钻孔的深度经变更后为采空区底板0.3m处;256个钻孔的孔斜经测量后都小于1度,满足设计要求。注浆效果良好,全段钻孔未发生注浆孔孔壁与注浆管间的冒浆现象。

(2)注浆施工注浆过程中,对孔口压力、泵量每 5～20min记录一次;要求每班抽查两次,制作试块两组,现场共制作196组试块;同时抽查浆液比重、粘度和结石率,现场抽查356次,全部合格。现场浆液性能测试:按表2严格进行浆液质量的现场监控,要求质检人员每班对不同钻孔、不同配合比浆液分别抽查浆液密度、粘度、结石率各两次,发现不合格浆液立即停止注浆,待浆液质量调配合格后再进行灌注。

表2 水泥、粉煤灰浆液性能试验一览表

(3)注浆质量检测结论

孔内提出的结石体强度均大于0.2～0.3Mpa;注浆后孔内的弹性波速值均大于设计要求的160m/s,这表明该注浆工程达到了预期的目的[4],注浆质量及效果均较好。在该采空区治理工程中,采用粉煤灰作为代用材料成功注浆。一则可以大量应用粉煤灰,降低工程成本;再则由于粉煤灰的加入,浆液凝结时间延长,可以保证注浆工艺连续进行,且使浆液的流动性得到改善,对提高采空区治理工程质量意义重大。

[1] 孙伟,杨溢.粉煤灰三大效应在岩体注浆加固中的应用分析[J].云南冶金,2008(3).

[2] 王永民,周建仁.法国隧道工程协会对地下工程注浆的建议:二[J].隧道译丛,1994(12).

[3] 邹翀.盾构隧道同步注浆技术[J].西部探矿工程, 2003(4).

[4] 陈礼仪,朱宗培,吴丽,等.高活性粉煤灰注浆材料性能和应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程),1999(4).

责任编辑:文 月

文献标识码:A

1671-8275(2010)03-0028-03

2009-07-26

杨传永(1965-),男,安徽怀远人,安徽省交通规划设计研究院高级工程师,在职硕士研究生。研究方向:路桥设计与管理。