浅谈采空区治理注浆研究

王新春

摘 要：以红柠铁路小窑采空区注浆为实例，分析了采空区注浆的种类、特征和技术参数。在此基础上分析得出采用全充填法对采空区进行治理的方案和对策，并实施了治理工程。

关键词：采空区注浆；技术参数；施工方案；对策研究

中图分类号：P634.8 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）02-0070-02

小型采空区的特点一般都是人工开挖、采空范围较窄、开采深度较浅、无规划且少支撑。地下矿层被开采后，其上部岩层失去支撑，平衡条件被破坏，随之产生弯曲、塌落，以至于地表下沉变形，且变形常常突然发生，这是铁路运营中的隐患所在。现如今，采空区的治理成为新的课题，采空区注浆是比较关键的工序。

1 国内采空区注浆浆液使用现状

我国在治理采空区注浆中一般以单液水泥类浆液为主，添加一定量的附加剂。由于附加剂的加入量比水泥的使用量要多，所以需单列分类。地域不同，附加剂的经济性也不相同，主要分为三类，即水泥粉煤灰浆液、水泥黏土浆液和水泥砂浆浆液。

根据设计要求，红柠铁路小煤窑采空区需采用水泥砂浆进行灌注处理。

2 采空区治理常用的注浆方法及特征

采空区治理常用的注浆方法有三种，分别是托盘钢管法、套管浇筑法和裸孔法。托盘钢管法和套管浇筑法适用于有覆盖层的地层，裸孔法一般适宜用在基岩地层。

套管浇筑法一般是在钻至完整基岩3～5 m以下后使用。首先要提升钻具，经验收合格后，迅速下入直径为127 mm的套管，然后将1∶1.5的稠水泥浆注入孔中约5 m。为使浆液快速将套管和孔壁固结，需在浆液中加入体积分数为3%～5%（水泥重）的速凝剂。固管完成后，变径为?110 mm或?91 mm钻具钻进至成孔。这种方法的优点是：在成孔阶段实施，隔离覆盖层，降低成孔事故率，骨料投入粒径的选择性增大；缺点是：如遇实孔，套管不能重复利用，投入成本较高。

托盘钢管法一般在成孔后进行使用。经验收合格后，将下部带有托盘的钢管下入基岩3～5 m的孔中，先在托盘上部浇筑一些较干的砂浆，用以封闭托盘和孔壁间隙，再用稠水泥浆封孔。注浆时，只需将泥浆泵管路与孔口管路对接便可执行工艺方案。如果需要投入骨料，在管路三通上连接漏斗即可完成。这种方法的优点是：成孔结束后，对于没有采空的实孔可直接用钻杆作为注浆通道封孔，不必投入孔口管，操作简单且成本低；缺点是：投入骨料粒径不宜超过5 mm，选择范围较小。

根据设计要求和现场实际情况，我们采用裸孔法进行注浆。

3 采空区治理选用的注浆设备

采空区治理常用的注浆设备有BW系列往复式泥浆泵、SNS系列柱塞式砂浆泵、PN系列离心式泥浆泵和UBJ系列挤压式灰浆泵。SNS系列柱塞式砂浆泵出现故障后维修比较烦琐。PN系列离心式泥浆泵使用比较广泛，泵量较大，维修保养比较简单，缺点是只能在注浆孔负压或无压时使用。

该项目采空区设计灌浆采用纯压式全孔一次灌浆法，灌浆压力控制由小到大，逐渐升高，最后达到设计压力，最大压力以300 kPa为宜。根据设计和工期要求，我们选用河南产GHB6型挤压泵，每小时注浆量为6 m3，最大压力为3 MPa，水平距离为100 m，垂直输送高度为50 m。这既能满足设计要求，又能满足现场和工期要求。

4 红柠铁路小煤窑采空区治理注浆施工方案

2007年，我单位施工的红柠铁路就出现小煤窑采空区，所采用的注浆方案如下。

4.1 浆液的配制

依据设计图纸可知，注浆浆液为水泥砂浆浆液，其固相比为（水泥∶砂子∶石子）1∶4∶8（重量比），水灰比为0.7∶1～1∶1，水玻璃（速凝剂）掺入量为水泥重量的3%. 在正式施工之前，按设计配比在试验室做浆液配比试验。试验内容包括每立方米浆液干料含量、加水量、浆液浓度、初终凝时间、结石率、试块无侧限抗压强度、浆液比重等。

现场施工时，严格按照试验室给定的配合比配制浆液，并对配制浆液所用的各项原材料准确计量。水用定量容器计量，水泥按袋计量，砂子用容器计量，并随时用磅秤抽查水泥、砂子的重量和浆液的各项指标。

配制浆液时，先按水灰比配置水泥浆液，将其在自行加工的大搅拌机中搅拌均匀，然后按配合比加入砂子进行二次搅拌，每次搅拌时间不少于5 min。将搅拌均匀的水泥砂浆输入集料器，为防止砂浆中大粒径的骨料堵塞注浆管路，集料器上应安放一层过滤筛网。筛网孔径不大于10 mm，这样可将大粒径骨料过滤出来，水泥砂浆则通过集料器与注浆泵注入采空区。

制浆工艺流程如图1所示。

4.2 石子投放工艺

采空区的石料投放使用石料投放器来完成，工作原理如图2所示。

依据设计要求，对有掉钻的空洞按配合比进行石料投放。

投放时，将石料投放器居中放置孔口，向孔内伸入1～2 m送料管，并与砂浆泵连接。启动砂浆泵注入砂浆，砂浆在孔内下落时，孔口产生负压力（吸力），向梯形料斗内加入石料。在负压的作用下，石料经过喉管与砂浆混合，在孔内翻滚注入空洞，石料与砂浆的配合比由阀门控制砂浆的注入量完成。但这样投放石料很容易把喉管堵塞，石料投入量满足不了设计要求，于是取消了投料器。把挤压泵输送管口直接对准采空孔，并保持20 cm左右的垂直距离，一边注浆一边投放石料，碎石借着砂浆的冲滚会增大其流动性。

图1 制浆工艺流程图 图2 石料投放器工作原理图

4.3 注浆的原则和顺序

用钻孔充填注浆法治理采空区，主要是依靠浆液良好的流动性，有效充填采空空洞、冒落岩体的空隙、岩柱或顶板的裂隙，特别是经过多个钻孔数次的注浆使得浆液互相搭接、交叉、窜插，使得采空空洞或冒落岩体空隙和围岩裂隙得到充分的胶结加固。

具体到该项目，我们是按照以下原则和顺序进行施工的：①严格遵循先帷幕后中间的原则。为使帷幕和路肩范围内的空洞注满，线路中心和左右三排孔采用间歇、定量的方法注浆，间歇时间为12 h左右。②单孔注浆严格遵循逆地层倾向方向推进、先稀后浓的注浆原则。在避免浆液产生不必要浪费的前提下，要防止冒落岩体的空隙、岩柱或顶板的裂隙注不饱满的情况，尽量不影响注浆质量。③严格遵循钻孔档案制度。通过各钻孔资料科学地分析采空结构，合理选择注浆方法、浆液配方、石料和速凝剂的掺入时间，以提高注浆质量。

4.4 注浆系统的配置

注浆系统由料场、搅拌机、二级集料器、供水系统、GHB6挤压式注浆泵、注浆管道、封孔栓塞装置和石料投放器等组成。

4.5 注浆施工工艺

注浆采用纯压式全孔一次灌注法施工。

4.5.1 冲孔

注浆开始前，先用清水进行冲孔，冲洗掉孔壁上的残留物质，并使采空孔产生负压。

4.5.2 注浆

采用浆液浓度先稀后浓的方法。注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种情况，收集原始数据，并根据情况及时调整注浆量和浆液浓度。注浆过程中若出现地表裂隙大量跑浆时，要采用间歇式注浆、减小泵量或地表充填裂隙的措施，阻止浆液从地面大量流失。当单孔有采空或浆量过大且是负压时，要及时注入砂浆，并加入水泥重量3%的速凝剂（水玻璃）。

4.5.2.1 帷幕孔注浆

帷幕孔注浆的施工是确保整个处治工程质量的关键，同时也是整个处治工程施工最困难的环节。

为保证帷幕孔注浆的质量，帷幕孔注浆施工采用多次间歇式注浆，以控制浆液扩散半径。根据浆液扩散半径计算出每次注浆的数量，达到该数量时就停歇，过12 h后再次灌注。

4.5.2.2 中间采空孔注浆

中间注浆孔注浆施工采用一次止浆、一次注浆的施工方案。注浆时，应避免在短时间内注入大量的稀砂浆。如果单孔注浆量较大时，应采用间歇式注浆法，并向孔内投放粗骨料。

4.5.3 封孔

在注浆孔的注浆末期（负压现象消失），在孔口安装栓塞，泵压逐渐升高，当泵量小于50 L/min时，孔口压力为300 kPa，稳定10～15 min，可结束该孔的注浆施工。

4.5.4 注浆技术要求

注浆技术要求主要有：①注浆或间歇注浆前必须用清水洗孔，压水时间不得小于10 min；②稀浆灌注量取单孔注浆量的30%；③间歇注浆的间隔时间不得小于12 h；④对没有采空现象的钻孔，应将注浆管下置孔底，及时灌浆封堵。

5 红柠铁路小窑采空区治理注浆疑难点

红柠铁路小窑采空区治理注浆施工的疑难点是：裸孔无压注浆注满后，不能及时加压。

通过分析和多次实验，我们革新了传统栓塞，解决了裸孔无压注浆注满后不能及时加压的难题，栓塞结构如图3所示。

图3 栓塞结构图

6 结束语

本次采空区的注浆工作由于方案选择合理、工艺恰当，达到了预期效果，注浆质量可从以下三个方面进行评价。

6.1 工程量

红柳林至神木西铁路专线采空区注浆理论计算充填空间为：水泥量1 226 t，砂子2 453 m3，石子4 906 m3，速凝剂37 t，共计 8 009 m3。实际注浆量为 8 406 m3，潜伏采空区计 4 038 m3。这就说明，不仅治理范围内采空区得到全部充填，冒落带和老窑潜伏采空区也得到了充分的填充。

6.2 钻孔验证

注浆工作结束后，根据设计要求，必须保证打5%的检查孔。根据现场钻孔数量可知需要打6个检查孔，由业主、设计单位、监理单位和我施工单位现场共同布置了6个检查孔。根据设计院的要求，6个检查孔要求全孔取芯验证。6个检查孔取芯完毕后，业主、设计单位和监理单位共同对芯样进行了全面检测。检测结果表明，岩层取芯率达到95%以上，水泥砂浆碎石胶凝体芯样完成且密实，取芯率也达到95%以上。

6.3 多处冒浆

煤层露头出处多处冒浆，如注ZK-47号钻孔2 d后，在距ZK-47号钻孔20 m护坡上多处冒浆。

本次采空区治理方案为以后相类似的情况提供了很好的借鉴，也为一些特殊要求下的软地基处理提供了新思路。

〔编辑：曹月〕

On Gob Governance Research Grouting

Wang Xinchun

Abstract： Red Lemon railway gob area grouting as an example， analyzes the types of grouting goaf， features， and technical specifications. Based on this analysis come with full backfill mined areas and Solution of governance and the implementation of a management project.

Key words： gob grouting； technical parameters； construction program； strategies

具体到该项目，我们是按照以下原则和顺序进行施工的：①严格遵循先帷幕后中间的原则。为使帷幕和路肩范围内的空洞注满，线路中心和左右三排孔采用间歇、定量的方法注浆，间歇时间为12 h左右。②单孔注浆严格遵循逆地层倾向方向推进、先稀后浓的注浆原则。在避免浆液产生不必要浪费的前提下，要防止冒落岩体的空隙、岩柱或顶板的裂隙注不饱满的情况，尽量不影响注浆质量。③严格遵循钻孔档案制度。通过各钻孔资料科学地分析采空结构，合理选择注浆方法、浆液配方、石料和速凝剂的掺入时间，以提高注浆质量。

4.4 注浆系统的配置

注浆系统由料场、搅拌机、二级集料器、供水系统、GHB6挤压式注浆泵、注浆管道、封孔栓塞装置和石料投放器等组成。

4.5 注浆施工工艺

注浆采用纯压式全孔一次灌注法施工。

4.5.1 冲孔

注浆开始前，先用清水进行冲孔，冲洗掉孔壁上的残留物质，并使采空孔产生负压。

4.5.2 注浆

采用浆液浓度先稀后浓的方法。注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种情况，收集原始数据，并根据情况及时调整注浆量和浆液浓度。注浆过程中若出现地表裂隙大量跑浆时，要采用间歇式注浆、减小泵量或地表充填裂隙的措施，阻止浆液从地面大量流失。当单孔有采空或浆量过大且是负压时，要及时注入砂浆，并加入水泥重量3%的速凝剂（水玻璃）。

4.5.2.1 帷幕孔注浆

帷幕孔注浆的施工是确保整个处治工程质量的关键，同时也是整个处治工程施工最困难的环节。

为保证帷幕孔注浆的质量，帷幕孔注浆施工采用多次间歇式注浆，以控制浆液扩散半径。根据浆液扩散半径计算出每次注浆的数量，达到该数量时就停歇，过12 h后再次灌注。

4.5.2.2 中间采空孔注浆

中间注浆孔注浆施工采用一次止浆、一次注浆的施工方案。注浆时，应避免在短时间内注入大量的稀砂浆。如果单孔注浆量较大时，应采用间歇式注浆法，并向孔内投放粗骨料。

4.5.3 封孔

在注浆孔的注浆末期（负压现象消失），在孔口安装栓塞，泵压逐渐升高，当泵量小于50 L/min时，孔口压力为300 kPa，稳定10～15 min，可结束该孔的注浆施工。

4.5.4 注浆技术要求

注浆技术要求主要有：①注浆或间歇注浆前必须用清水洗孔，压水时间不得小于10 min；②稀浆灌注量取单孔注浆量的30%；③间歇注浆的间隔时间不得小于12 h；④对没有采空现象的钻孔，应将注浆管下置孔底，及时灌浆封堵。

5 红柠铁路小窑采空区治理注浆疑难点

红柠铁路小窑采空区治理注浆施工的疑难点是：裸孔无压注浆注满后，不能及时加压。

通过分析和多次实验，我们革新了传统栓塞，解决了裸孔无压注浆注满后不能及时加压的难题，栓塞结构如图3所示。

图3 栓塞结构图

6 结束语

本次采空区的注浆工作由于方案选择合理、工艺恰当，达到了预期效果，注浆质量可从以下三个方面进行评价。

6.1 工程量

红柳林至神木西铁路专线采空区注浆理论计算充填空间为：水泥量1 226 t，砂子2 453 m3，石子4 906 m3，速凝剂37 t，共计 8 009 m3。实际注浆量为 8 406 m3，潜伏采空区计 4 038 m3。这就说明，不仅治理范围内采空区得到全部充填，冒落带和老窑潜伏采空区也得到了充分的填充。

6.2 钻孔验证

注浆工作结束后，根据设计要求，必须保证打5%的检查孔。根据现场钻孔数量可知需要打6个检查孔，由业主、设计单位、监理单位和我施工单位现场共同布置了6个检查孔。根据设计院的要求，6个检查孔要求全孔取芯验证。6个检查孔取芯完毕后，业主、设计单位和监理单位共同对芯样进行了全面检测。检测结果表明，岩层取芯率达到95%以上，水泥砂浆碎石胶凝体芯样完成且密实，取芯率也达到95%以上。

6.3 多处冒浆

煤层露头出处多处冒浆，如注ZK-47号钻孔2 d后，在距ZK-47号钻孔20 m护坡上多处冒浆。

本次采空区治理方案为以后相类似的情况提供了很好的借鉴，也为一些特殊要求下的软地基处理提供了新思路。

〔编辑：曹月〕

On Gob Governance Research Grouting

Wang Xinchun

Abstract： Red Lemon railway gob area grouting as an example， analyzes the types of grouting goaf， features， and technical specifications. Based on this analysis come with full backfill mined areas and Solution of governance and the implementation of a management project.

Key words： gob grouting； technical parameters； construction program； strategies

具体到该项目，我们是按照以下原则和顺序进行施工的：①严格遵循先帷幕后中间的原则。为使帷幕和路肩范围内的空洞注满，线路中心和左右三排孔采用间歇、定量的方法注浆，间歇时间为12 h左右。②单孔注浆严格遵循逆地层倾向方向推进、先稀后浓的注浆原则。在避免浆液产生不必要浪费的前提下，要防止冒落岩体的空隙、岩柱或顶板的裂隙注不饱满的情况，尽量不影响注浆质量。③严格遵循钻孔档案制度。通过各钻孔资料科学地分析采空结构，合理选择注浆方法、浆液配方、石料和速凝剂的掺入时间，以提高注浆质量。

4.4 注浆系统的配置

注浆系统由料场、搅拌机、二级集料器、供水系统、GHB6挤压式注浆泵、注浆管道、封孔栓塞装置和石料投放器等组成。

4.5 注浆施工工艺

注浆采用纯压式全孔一次灌注法施工。

4.5.1 冲孔

注浆开始前，先用清水进行冲孔，冲洗掉孔壁上的残留物质，并使采空孔产生负压。

4.5.2 注浆

采用浆液浓度先稀后浓的方法。注浆开始后，要定时观测泵的吸浆量和泵压，记录注浆过程中发生的各种情况，收集原始数据，并根据情况及时调整注浆量和浆液浓度。注浆过程中若出现地表裂隙大量跑浆时，要采用间歇式注浆、减小泵量或地表充填裂隙的措施，阻止浆液从地面大量流失。当单孔有采空或浆量过大且是负压时，要及时注入砂浆，并加入水泥重量3%的速凝剂（水玻璃）。

4.5.2.1 帷幕孔注浆

帷幕孔注浆的施工是确保整个处治工程质量的关键，同时也是整个处治工程施工最困难的环节。

为保证帷幕孔注浆的质量，帷幕孔注浆施工采用多次间歇式注浆，以控制浆液扩散半径。根据浆液扩散半径计算出每次注浆的数量，达到该数量时就停歇，过12 h后再次灌注。

4.5.2.2 中间采空孔注浆

中间注浆孔注浆施工采用一次止浆、一次注浆的施工方案。注浆时，应避免在短时间内注入大量的稀砂浆。如果单孔注浆量较大时，应采用间歇式注浆法，并向孔内投放粗骨料。

4.5.3 封孔

在注浆孔的注浆末期（负压现象消失），在孔口安装栓塞，泵压逐渐升高，当泵量小于50 L/min时，孔口压力为300 kPa，稳定10～15 min，可结束该孔的注浆施工。

4.5.4 注浆技术要求

注浆技术要求主要有：①注浆或间歇注浆前必须用清水洗孔，压水时间不得小于10 min；②稀浆灌注量取单孔注浆量的30%；③间歇注浆的间隔时间不得小于12 h；④对没有采空现象的钻孔，应将注浆管下置孔底，及时灌浆封堵。

5 红柠铁路小窑采空区治理注浆疑难点

红柠铁路小窑采空区治理注浆施工的疑难点是：裸孔无压注浆注满后，不能及时加压。

通过分析和多次实验，我们革新了传统栓塞，解决了裸孔无压注浆注满后不能及时加压的难题，栓塞结构如图3所示。

图3 栓塞结构图

6 结束语

本次采空区的注浆工作由于方案选择合理、工艺恰当，达到了预期效果，注浆质量可从以下三个方面进行评价。

6.1 工程量

红柳林至神木西铁路专线采空区注浆理论计算充填空间为：水泥量1 226 t，砂子2 453 m3，石子4 906 m3，速凝剂37 t，共计 8 009 m3。实际注浆量为 8 406 m3，潜伏采空区计 4 038 m3。这就说明，不仅治理范围内采空区得到全部充填，冒落带和老窑潜伏采空区也得到了充分的填充。

6.2 钻孔验证

注浆工作结束后，根据设计要求，必须保证打5%的检查孔。根据现场钻孔数量可知需要打6个检查孔，由业主、设计单位、监理单位和我施工单位现场共同布置了6个检查孔。根据设计院的要求，6个检查孔要求全孔取芯验证。6个检查孔取芯完毕后，业主、设计单位和监理单位共同对芯样进行了全面检测。检测结果表明，岩层取芯率达到95%以上，水泥砂浆碎石胶凝体芯样完成且密实，取芯率也达到95%以上。

6.3 多处冒浆

煤层露头出处多处冒浆，如注ZK-47号钻孔2 d后，在距ZK-47号钻孔20 m护坡上多处冒浆。

本次采空区治理方案为以后相类似的情况提供了很好的借鉴，也为一些特殊要求下的软地基处理提供了新思路。

〔编辑：曹月〕

On Gob Governance Research Grouting

Wang Xinchun

Abstract： Red Lemon railway gob area grouting as an example， analyzes the types of grouting goaf， features， and technical specifications. Based on this analysis come with full backfill mined areas and Solution of governance and the implementation of a management project.

Key words： gob grouting； technical parameters； construction program； strategies