采空區(qū)注漿材料配合比試驗(yàn)研究

張 磊，李其銳

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)投資有限公司山西分公司，山西 太原 030021)

0 引言

利用采空區(qū)上部土地作為建設(shè)用地前需對(duì)采空區(qū)進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)與治理。采空區(qū)工程治理方法分為注漿法、干(漿)砌支撐法、開(kāi)挖回填法、巷道加固法、強(qiáng)夯法、跨越法和穿越法等。對(duì)于深部采空區(qū)，注漿法治理是最有效且廣泛使用的方法。采用注漿法治理煤礦采空區(qū)時(shí)，注漿材料、配合比的選擇存在諸多不確定性，其參數(shù)取值對(duì)工程造價(jià)影響較大。本文利用目前常用的注漿材料，按多種配合比對(duì)強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間等進(jìn)行試驗(yàn)，并與注漿后實(shí)測(cè)的抗壓強(qiáng)度對(duì)比，得到配合比規(guī)律，為采空區(qū)注漿治理提供技術(shù)支撐。

1 注漿材料配合比試驗(yàn)

我國(guó)陜西省和河南省交界處的某新建變電站站址地處小窯采空區(qū)，回采率較低，需進(jìn)行采空區(qū)治理。采空區(qū)治理采用注漿法，注漿材料為水泥、粉煤灰、速凝劑和水等。其中，水采用普通自來(lái)水，水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為Ⅲ級(jí)粉煤灰，均從工地現(xiàn)場(chǎng)提取。在配合比試驗(yàn)前對(duì)材料進(jìn)行了原材檢驗(yàn)，水泥符合我國(guó)GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》相關(guān)規(guī)定，粉煤灰符合我國(guó)GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》相關(guān)規(guī)定，用水玻璃作為速凝劑，檢測(cè)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。由于采空區(qū)治理一般要求將空洞填充，對(duì)強(qiáng)度要求較小，故目前配合比中的水泥含量普遍較小，根據(jù)采空區(qū)上部不同結(jié)構(gòu)選取不同的水泥含量及配合比[1]。為得出規(guī)律性結(jié)果，本文將目前常用和不常用的配合比均考慮到，得到不同配合比下的強(qiáng)度、結(jié)石率和凝結(jié)時(shí)間等參數(shù)，具體的質(zhì)量配合比見(jiàn)表1～表3所列，表中均為基本配合比，在此基礎(chǔ)上另有不添加水玻璃、添加2%水玻璃、添加3%水玻璃、添加5%水玻璃等配合比[1-2]。

表1 水泥粉煤灰固相2∶8基本配合比

表2 水泥粉煤灰固相3∶7基本配合比

表3 水泥粉煤灰固相4∶6基本配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)情況，得出了不添加水玻璃及添加多種劑量水玻璃情況下的凝結(jié)時(shí)間、結(jié)石率及抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)結(jié)果。限于篇幅原因，本文只列出了不添加水玻璃情況下的試驗(yàn)結(jié)果，詳見(jiàn)表4～表6所列。由表4～表6可知，水固比中的固態(tài)物質(zhì)含量越大，其凝結(jié)時(shí)間越短，結(jié)石率越大，抗壓強(qiáng)度越大；水泥粉煤灰中的水泥含量越大，其凝結(jié)時(shí)間越短，結(jié)石率越大，抗壓強(qiáng)度越大。

表4 水泥粉煤灰固相2∶8試驗(yàn)結(jié)果

表5 水泥粉煤灰固相3∶7試驗(yàn)結(jié)果

表6 水泥粉煤灰固相4∶6試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 凝結(jié)時(shí)間

不添加水玻璃情況下，相同水泥粉煤灰固相比下漿液初凝時(shí)間隨著水固比從1∶0.8～1∶1.3均呈線(xiàn)性減小。水泥粉煤灰固相為2∶8時(shí)，水固比1∶0.8時(shí)漿液初凝時(shí)間為21.08 h，水固比為1∶1.3時(shí)，初凝時(shí)間為17.27 h。相同的水固比情況下漿液初凝時(shí)間隨水泥粉煤灰固相比從2∶8～4∶6逐漸減小。水固比為1∶0.8時(shí)，水泥粉煤灰固相比為2∶8時(shí)漿液初凝時(shí)間為21.08 h，水泥粉煤灰固相比為4∶6時(shí)漿液初凝時(shí)間為18.33 h。

添加2%水玻璃、添加3%水玻璃、添加5%水玻璃情況下，水泥粉煤灰固相比為2∶8時(shí)，水固比為1∶0.8時(shí)的漿液初凝時(shí)間為20.17 h、19.20 h和17.03 h，水固比為1∶1.3時(shí)的漿液初凝時(shí)間分別為17.10 h、16.46 h和14.13 h。水玻璃在添加到5%時(shí)，漿液初凝時(shí)間有明顯縮短。在不添加水玻璃、添加2%水玻璃及添加3%水玻璃情況下，漿液初凝時(shí)間變化不大。漿液終凝時(shí)間隨水泥粉煤灰固相比及水固比的變化規(guī)律與初凝時(shí)間相同，漿液終凝時(shí)間在相同條件下較初凝時(shí)間增加2～3 h。漿液凝結(jié)時(shí)間隨水固比變化及隨水玻璃變化如圖1～圖4所示。

圖1 初凝時(shí)間隨水固比變化圖

圖2 終凝時(shí)間隨水固比變化圖

圖3 初凝時(shí)間隨水玻璃變化圖

圖4 終凝時(shí)間隨水玻璃變化圖

3.2 結(jié)石率

不添加水玻璃情況下，相同水泥粉煤灰固相比漿液結(jié)石率隨著水固比從1∶0.8到1∶1.3均呈近似線(xiàn)性增加。水泥粉煤灰固相為2∶8時(shí)，水固比1∶0.8時(shí)漿液結(jié)石率為82%，水固比為1∶1.3時(shí)，漿液結(jié)石率為97%。相同的水固比情況下漿液結(jié)石率隨水泥粉煤灰固相比從2∶8到4∶6逐漸增加，但變化很小。當(dāng)水固比為1∶0.8時(shí)，水泥粉煤灰固相比為2∶8時(shí)漿液結(jié)石率為82%，水泥粉煤灰固相比為4∶6時(shí)漿液結(jié)石率為84%。說(shuō)明漿液結(jié)石率受水固比的影響較大，受水泥粉煤灰固相比影響小基本可忽略不計(jì)。

添加2%水玻璃、3%水玻璃和5%水玻璃情況下，水泥粉煤灰固相比為2∶8時(shí)，水固比為1∶0.8時(shí)的漿液結(jié)石率為85%、85%、85%，水固比為1∶1.3的漿液結(jié)石率為99%、98%、99%。說(shuō)明水玻璃的添加量不影響結(jié)石率大小。結(jié)石率隨水固比變化及隨水玻璃變化如圖5～圖6所示。

圖5 結(jié)石率隨水固比變化圖

圖6 結(jié)石率隨水玻璃變化圖

3.3 抗壓強(qiáng)度

不添加水玻璃情況下，相同水泥粉煤灰固相比結(jié)石體7d抗壓強(qiáng)度隨著水固比從1∶0.8～1∶1.3均呈近似線(xiàn)性增加。但水泥粉煤灰固相比為4∶6時(shí)，其斜率較大。固相比為2∶8時(shí)，水固比為1∶0.8和1∶1.3時(shí)的結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度分別為2.1 MPa和4.6 MPa。相同水固比情況下的結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度隨著水泥粉煤灰固相比從2∶8到4∶6逐漸增加，但水固比3∶7較2∶8增加幅度比4∶6較3∶7增加幅度小。當(dāng)水固比為1∶0.8時(shí)，固相比為2∶8、3∶7和4∶6時(shí)的結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度分別為2.1 MPa、2.2 MPa和3.1 MPa。當(dāng)水固比為1∶1.3時(shí)，固相比為2∶8、3∶7和4∶6時(shí)的結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度分別為4.6 MPa、5.0 MPa和8.4 MPa?？梢?jiàn)，當(dāng)水泥粉煤灰固相比達(dá)到4∶6時(shí)，其7 d抗壓強(qiáng)度增加較多。

添加2%水玻璃、3%水玻璃和5%水玻璃情況下，水泥粉煤灰固相比為2∶8時(shí)，水固比為1∶0.8時(shí)的結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度分別為 1.7 MPa、1.4 MPa和 1.1 MPa， 水 固 比 為1∶1.3時(shí)的結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度分別為3.1 MPa、2.7 MPa和2.5 MPa?？梢?jiàn)，水玻璃的添加量越大，結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度越小。

不添加水玻璃的結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度是添加5%水玻璃的結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度的2倍左右，說(shuō)明添加水玻璃量對(duì)結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度影響較大。結(jié)石體28 d抗壓強(qiáng)度隨水泥粉煤灰固相比及水固比的變化規(guī)律同7 d抗壓強(qiáng)度相同，28 d抗壓強(qiáng)度在相同條件下較7 d抗壓強(qiáng)度增加1～3 MPa。7 d抗壓強(qiáng)度隨水固比變化及隨水玻璃量變化情況如圖7～圖8所示。

圖7 抗壓強(qiáng)度隨水固比變化圖

圖8 抗壓強(qiáng)度隨水玻璃變化圖

水泥粉煤灰固相為3∶7和4∶6情況下各指標(biāo)隨水玻璃變化規(guī)律與固相2∶8的情況相同。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，水固比減小時(shí)，即水泥粉煤灰含量增大時(shí)，凝結(jié)時(shí)間逐漸減小，但隨著水固比減小到1∶1.1時(shí)，其凝結(jié)時(shí)間隨水固比減小的程度減小，說(shuō)明固相達(dá)到一定程度，其凝結(jié)時(shí)間縮短得不明顯。在不同水玻璃摻量情況下，凝結(jié)時(shí)間隨水玻璃摻量增大而減小，但在添加量小于3%時(shí)，對(duì)凝結(jié)時(shí)間縮短的貢獻(xiàn)不大；添加量達(dá)5%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間有明顯縮短，較3%添加量最大縮短2 h。

結(jié)石率受水固比的影響較大，受水泥粉煤灰固相比影響小，基本可忽略不計(jì)。水玻璃的添加量不影響結(jié)石率大小。

在水泥粉煤灰固相比及水玻璃相同情況下，7 d抗壓強(qiáng)度隨水固比的比值減小而增大，近似為線(xiàn)性變化。水泥粉煤灰固相比從2∶8到4∶6時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度逐漸變大，當(dāng)水泥粉煤灰固相比達(dá)到4∶6時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加幅度較大。水固比達(dá)到1∶1.3時(shí)，水泥粉煤灰固相4∶6時(shí)的抗壓強(qiáng)度是3∶4時(shí)約2倍。水玻璃的添加量越大，則結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度越小。不添加水玻璃的抗壓強(qiáng)度約為添加5%水玻璃抗壓強(qiáng)度的2倍。水玻璃劑量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較大。

3.5 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)詢(xún)價(jià)，42.5硅酸鹽水泥約416元/t，粉煤灰約124元/t，施工用水5元/t，水玻璃5元/kg，按每方漿液所采用材料數(shù)量及單價(jià)，得出每方漿液的材料價(jià)格，進(jìn)行對(duì)比分析。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可知：水泥粉煤灰固相2∶8情況下，根據(jù)調(diào)節(jié)水固比，強(qiáng)度、結(jié)石率等均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。結(jié)石體相同強(qiáng)度下，水泥粉煤灰固相為3∶7和4∶6的情況下，單立方漿液材料價(jià)格比2∶8均偏貴。因此，建議固相比采用2∶8。

4 工程驗(yàn)證

本次試驗(yàn)所采用材料同某變電站注漿治理工程的材料，該工程設(shè)計(jì)文件要求采用水固比1∶1.1～1∶1.3，水泥粉煤灰固相比為2∶8，最終結(jié)石體強(qiáng)度要求大于0.6 MPa。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)配合比試驗(yàn)，最終注漿采用水固比為1∶1.1，水泥粉煤灰固相比按2∶8。

通過(guò)鉆孔取芯檢測(cè)、孔內(nèi)電視檢測(cè)及位移沉降觀(guān)測(cè)等手段對(duì)采空區(qū)治理效果進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場(chǎng)鉆孔檢測(cè)、孔內(nèi)電視如圖9～圖10所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔檢測(cè)代表圖

圖10 孔內(nèi)電視效果圖

通過(guò)鉆孔取芯，測(cè)試結(jié)石體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rc均值為0.89 MPa，最小值為0.65 MPa，檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足要求?？變?nèi)電視判斷，本次治理見(jiàn)巖石以下少見(jiàn)大張開(kāi)裂隙，少見(jiàn)破碎掉落巖塊，漿液充填較充盈，證明注漿治理有效。

在水固比為1∶1.1、水泥粉煤灰固相比為2∶8的情況下，在該新建變電站工程站址泥巖、砂巖情況下，結(jié)石體強(qiáng)度平均值為0.89 MPa。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)情況，在相同條件下，結(jié)石體28d抗壓強(qiáng)度約為5.0 MPa。

5 結(jié)論

由試驗(yàn)結(jié)果可知，水固比越小，固態(tài)物質(zhì)水泥含量越大，則漿液凝結(jié)時(shí)間、結(jié)石率及抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)更好。但一般采空區(qū)的埋深大，上部建筑結(jié)構(gòu)荷載基本不能傳遞到深部采空區(qū)，故對(duì)采空區(qū)結(jié)石體強(qiáng)度要求小，一般為0.5～0.6 MPa，上部結(jié)構(gòu)為橋梁時(shí)也僅需要達(dá)到2 MPa，采空區(qū)注漿的主要作用是填充空洞，不需要大量使用水泥等材料增加強(qiáng)度。根據(jù)試驗(yàn)分析，水泥粉煤灰固相為2∶8，水固比為1∶0.9～1∶1.1時(shí)可以滿(mǎn)足大部分采空區(qū)注漿的質(zhì)量要求。

根據(jù)本次室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比實(shí)際注漿結(jié)果，不添加水玻璃和添加2%、3%水玻璃都對(duì)凝結(jié)時(shí)間影響較小，添加5%水玻璃時(shí)能夠顯著縮短凝結(jié)時(shí)間，但對(duì)結(jié)石體強(qiáng)度影響較大，不經(jīng)濟(jì)。在實(shí)際注漿過(guò)程中，如確實(shí)需要使用水玻璃建議使用量為2%～3%?？紤]性?xún)r(jià)比，建議注漿配合比為水泥粉煤灰固相2∶8，水固比為1∶0.9～1∶1.1。若采空區(qū)注漿有特殊要求，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，以確定注漿配合比。