全充填注浆法在煤田采空区治理中的应用

全充填注浆法在煤田采空区治理中的应
用
2.中国冶金地质总局一局，河北廊坊 065201
【摘要】以某立交桥采空区地基注浆治理工程为例，通过对煤田采空区注浆工艺的研究，提出了采空区全充填注浆治理方案，确定了施工中注浆孔布置形式、注浆施工顺序、注浆施
工控制参数和注浆结束标准，以及注浆效果的检测方法，分析了采空区治理地基处理中注浆
法的效果，保证了采空区地基的整体性、稳定性和抗变形能力，从而达到采空区治理，保证
采空区建（构）筑物安全的目的。

【关键词】煤田采空区治理全充填注浆法
【正文】
1 工程概况
拟建场区主要处在煤矿井田范围内，该煤矿井田于上世纪70年代初停止生产，后期周
边小煤井对拟建场区及附近的煤矿进行复采，煤井于上世纪 80 年代初关闭，采空区埋深约48.5～75.5m，煤层厚度约1.3～3.5m，采空区基本位于立交桥主体桥建设地基范围内，地下
存在煤10-2、3采空区，总治理面积约85900m2。

2 采空区工程、水文地质条件
2.1 工程地质条件
拟建场区地层主要为上覆第四系（Q），往下为石炭系太原组（C3t）及石炭系本溪组
（C2b），拟建场区从地表至煤10-2、3层的地层岩性主要以砂岩、泥岩为主，夹有泥质砂岩及
粉砂质泥岩，岩石坚硬程度属较软岩，岩体完整程度为较完整，局部裂隙较发育，岩体较破碎，煤10-2、3采空区未完全垮落密实，残留有空洞。

煤层顶板为细砂岩，黄褐色，泥质胶结，下部具水平层理，层面含炭质，单轴抗压强度11.0MPa，岩石坚硬程度属软岩，岩体完整程
度为较完整。

2.2 水文地质条件
拟建场区无地表水系存在。

地下水的主要补给来源为大气降水及侧向径流，排泄方式为
人工抽取地下水及侧向径流。

结合拟建场区内采空区验证孔水位情况，验证孔地下水位埋深
在14.50～26.30m，水位标高为77.93～79.04m。

3 采空区空间结构划分
根据对采空区岩层的划分和本次治理钻探资料分析，治理区覆盖层按空间结构可划分为
垮落带、断裂带及变形弯曲带，治理区内主要发育前两带，各带发育特征如下。

3.1 垮落带
垮落带指采空区底板与顶板坍塌岩层之间的空间范围，即上覆岩层发生断裂、破碎，成
块向下塌落在采空区。

垮落高度取决于煤层顶板的完整程度及开采程度等，本采空区直接顶
板为细砂岩，属软质岩石，极易破碎风化，其影响高度为被采空煤层厚度的3～5倍，根据
钻探情况，本工程垮落高度最大为6m。

采空区垮落物除顶板岩石外，还有碎石、煤块等堆积物，垮落物多呈碎块状、粉末状，有时为较大的块状，表现在钻探上，钻至垮落带后耗水量
大量增加，钻进速度较快，加钻杆困难，个别有掉钻、卡钻现象，岩芯采取率极低。

3.2 断裂带
断裂带在治理区内较为发育，位于垮落带与变形弯曲带之间，垮落带以上裂隙十分发育，其范围可达煤层厚度的15～24倍，本工程断裂带高度约22.0m，钻探中存在大量漏水及注浆
过程中存在地面冒浆及串浆等现象，在施工钻孔中除少数存在返水外，大部分发生漏水现象。

同时，注浆过程中在受注孔附近地面的裂隙中出现冒浆现象，这些表明垮落带至地表有很好
的贯通性。

3.3 变形弯曲带
根据现场调查走访，拟建场区位于开采形成的不规则地表移动盆地外边缘区，地表未曾
出现过大的采空塌陷现象，由于多年人类活动影响，现状下已看不到变形痕迹。

4 采空区治理方法介绍及选取
采空区注浆通常采用条带式注浆法和全胶结注浆法。

条带式注浆法是在采空区影响范围内，在采空区形成类似煤炭系统的“保安煤柱”，起
着支撑采空区及上覆岩层作用。

该法材料用量较小，但施工相对繁杂。

全胶结注浆法，即按一定孔距和排列方式，布设足量的注浆孔，用钻机成孔即在地表打孔，通过注浆泵、注浆管，将加固浆液注入采空区及上覆岩体裂隙中，浆液经过固化，胶结
岩层断裂带，同时采空区内的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用，阻止上覆岩层
的进一步垮落保证拟建筑物的稳定。

该法施工工艺相对成熟、简单，治理效果好，施工易于
管理，但缺点是材料用量较大。

根据本立交桥项目建设区域内煤矿开采情况、拟建立交桥重要性及场区工程、水文地质
条件，本工程拟采用全胶结注浆法对采空区进行治理。

全胶结注浆法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。

托盘钢管法一般在成孔后使用，将下部带有托盘的钢管下入基岩3～5m的孔中，先在托
盘上部浇筑砂浆，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进行。

如果需要投入骨料，在管路三通上连接漏斗即可完成。

其优点是：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；其缺点是：投入骨料粒径不宜超过5 mm，骨料粒径选择范围较小。

根据
本立交桥项目建设现场实际情况，本工程采用托盘钢管法进行注浆。

5 注浆方案设计与施工
5.1 方案选择与钻孔布置
本采空区采用帷幕注浆和充填、固结注浆进行治理。

帷幕注浆主要针对地基加固边界的
采空区、岩体裂隙进行注浆处理，形成帷幕阻水带，以减少渗流量。

本工程共布设注浆孔
479个，其中帷幕孔143个、一序孔166个、二序孔170个，帷幕孔间距10～15m，一、二
序间隔布置间距为15～20m，单孔孔深在55～85m之间，钻孔总进尺约为35950m，注浆量约69600m3。

5.2注浆水泥浆液适配
采空区治理注浆中一般以单液水泥类浆液为主，添加一定量的附加剂，因地域不同，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。

考虑到浆液材料应就地、就近取材，本工程采用水泥粉煤灰浆液，外加速凝剂。

正式注浆施
工前进行不同配比的浆液试验，得出不同配比浆液的初、终凝时间、流动度、黏度、结石率、结石体无侧限抗压强度等主要技术参数，根据注浆施工过程的实际情况选取合适配比的浆液。

浆液原材料质量要求应满足相关规范要求，试配水泥粉煤灰浆液性能指标试验数据汇总详见表1。

浆液配比水泥采用P•S•A32.5R水泥；粉煤灰应符合国家二、三级质量标准；外加
剂采用速凝剂，选用水玻璃，模数2.4～3.4，浓度50Be以上，掺量占水泥重量的3%。

表1 试配水泥粉煤灰浆液性能指标试验数据汇总表
备
5.3注浆施工顺序安排
注浆总体施工顺序：帷幕孔—一序孔—二序孔，注浆孔按隔孔、隔排法分二序施工注浆，对于桥墩附近的孔优先压灌，保证桩基附近的注浆效果。

帷幕注浆孔施工拌制浆液时添加水玻璃，掺量为水泥质量的3%，以止水堵漏为目的，
避免一、二序孔注浆时浆液外流，既浪费材料又对周边环境产生影响。

如果帷幕孔注浆效果
不明显，也可采取分序施工，隔排跳打，间隔注浆。

注浆过程中严禁连片成孔后注浆，注浆压力通过现场试注浆确定，桥隧下伏采空区注浆压力控制在2～3MPa。

5.4浆液配制系统及工艺流程
本工程制浆系统是天津赛制自动化制浆综合控制系统配合高速涡流制浆系统组成，主要设备由2个水泥罐、4个粉煤灰罐、6个螺旋输送机、2台SZ-ZJ2000型高速涡流制浆机、3个二级搅拌池、8台注浆泵及配电系统组成。

高速涡流制浆机制浆能力60～120m³/h，单台注浆泵最大排出压力15MPa，最大流量390L/min。

整站占地面积为15*30㎡，制浆能力可达120～160m³/h，能够满足本工程要求工期内制浆、注浆量要求。

浆液配制系统及工艺流程详见图1。

图1 浆液配制系统及工艺流程
5.5注浆工艺及相关参数
（1）采用低压稠浆小泵量多间歇的方法进行注浆，以工艺控制注浆量，达到最佳的注浆效果，防止浆液过量流失到非注浆部位或地段。

（2）注浆压力通过现场注浆试验确定：公路路基下伏采空区注浆压力控制在1.0～
1.5MPa，桥隧下伏采空区注浆压力控制在2～3MPa。

（3）单孔注浆孔结束标准：在注浆孔的注浆末期，泵压逐渐升高，当孔口注浆压力在2.0～3.0MPa，泵量≤50L/min连续15min以上，或注浆孔周围有冒浆等现象时，可结束该孔的注浆施工；对于建筑物内不限制注浆量，外围＞50m3时采用间歇注浆或改变浆液配比，间歇时间≥24h。

5.6施工中常见问题原因分析及预防处理措施
（1）注浆中断
主要原因是在注浆过程中，由于机械故障、停电、停水、管路故障、仪表失真等原因造
成注浆中断。

预防措施是设置双电路，修建蓄水池，备足机械设备及配件。

处理措施是立即
找出事故原因，采取措施排除故障，恢复注浆，恢复时从稀浆开始，如吸浆率很低，则应及
时用清水清洗钻孔，再进行注浆。

如中断时间较长，应及时冲冼钻孔或扫孔后复注弥补，以
保证注浆质量。

对于间歇、冒浆等有意中断，应将钻孔清理至原深度后，再进行复注浆。

（2）串浆
主要原因是由于岩石裂隙发育连通性好，在注浆过程中，浆液从其它钻孔中冒出，造成
串浆。

预防措施是对孔间距较小的，两孔不能同时施工，根据现场实际情况调整施工孔号。

处理措施是当发现串浆时，应立即采取措施，对串浆孔同时注浆，或者将串浆孔用止浆塞封闭，等注浆孔注浆结束后，再对串浆孔进行扫孔、冲洗，而后继续钻进或者进行注浆。

（3）跑浆
主要原因是由于场区内地层“三带”发育，各向异性明显，浆液沿大裂隙流失很远，而
近处的小裂隙则难以进浆，浆液有效扩散范围呈极不规则状。

预防措施是根据地质编录资料
分析，备足粗骨料及水玻璃材料等。

处理措施是出现跑浆应根据具体情况采取低压、限流、
限量、间歇注浆、变换浆液品种等措施进行处理。

如在注浆初期，应采用廉价惰性充填材料，水泥浆或双液浆限制浆液的流失；注浆后期，则应用粉煤灰固化浆液等加压注浆，在采空区
充填物或细小裂隙中形成劈裂或压密注浆，促进浆液侧向扩散，加大有效扩散半径，直至压
力逐渐上升，达到设计的注浆结束标准。

（4）注浆孔倾斜
主要原因是出现注浆孔倾斜主要是由于场地不平，造成钻机机台不平、施钻操作不当造
成的、成孔过程中未进行测斜矫正、软硬岩地层交界处未调整钻进参数等。

处理措施是该问
题主要以预防为主，首先在钻机就位前做好场地平整工作，其次是施钻时适当加长开孔管，
施工过程中及时采用测斜仪进行测斜矫正、在软硬岩交接处采取低压慢转等措施。

（5）塌孔、堵孔
主要原因是在钻机进入采空区垮落带后，由于地层破碎易发生塌孔、卡钻等孔内事故。

预防措施是钻孔至破碎岩层，施钻人员应随时观测钻进速度，及时调整钻进参数。

处理措施
是若发现钻进速度异常应迅速提钻，然后再缓慢放钻。

当塌孔特别严重时，最好采取跟管钻
进工艺进行钻孔施工。

6 注浆效果检测
6.1检测项目及检测方法
（1）通过质量检测，确定治理区薄弱部位的注浆效果，根据局部效果的分析研究，圈定局部注浆薄弱地带，评价全区的注浆质量。

（2）通过有代表性的质量检测，客观评价采空区顶底板和裂隙带的区域变化特征，量化注浆部位浆液的空间分布情况；通过综合检测，确定浆液的结石率和充填率。

（3）通过综合质量检测，验证对采空区垮落带、裂隙带、变形带等注浆部位的注浆治理效果。

查明通过注浆治理后是否任残留有对路基安全构成威胁的空隙，从而对全区域注浆效果的质量做出较为客观的评价，确定是否还存在明显的安全隐患。

（4）通过钻探取芯，对所取水泥粉煤灰浆结石体（岩芯）进行物理测试，确定其无侧限抗压强度是否满足设计要求。

（5）通过注浆效果的检测，对注浆效果相对薄弱地带提出进一步处理意见。

6.2检测资料成果分析
（1）物探资料成果分析。

注浆处理后物探共布置瞬变电磁测线8条，点距10m；高密度电法3条，点距均为5m（测线布置与注浆前位置基本一致）。

注浆加固完成后注浆范围内地层电性变化趋于正常，通过注浆前后对比发现，注浆后地层高阻反应明显，电性变化明显趋于正常地层反应，可知注浆处理达到对场区异常区域加固的目的。

（2）钻探验证成果分析。

为查证物探资料的准确性，布置了52个钻探检测孔，检测孔孔深进入采空区（或煤层底板下6.0m）。

通过钻探未发现异常，无漏水情况，煤层采空区均被水泥粉煤灰浆液充填，并均取出注浆结石体，注浆结石体无侧限抗压强度在2.56～
3.69MPa之间，均大于2.0MPa，说明注浆达到预期目的。

（3）浆液充填率成果分析。

通过钻探验证孔，各个验证孔裂隙多被水泥粉煤灰浆液充填，充填胶结程度中等，采空区浆液结石体明显，且均已取出注浆结石体。

根据治理方案，预计注浆量为69600m3，即考虑浆液消耗空洞体积约69600 m3，本次总注浆约58000m3，充填率为83.3%，满足充填率不小于80%的设计要求。

（4）波速测试资料成果分析。

通过对16个检验孔的波速测试，处理后的地段，横波波速V s均大于350m/s，达到要求。

（5）注浆量成果分析。

对桥梁墩台检测孔采用注浆检测，注浆浆液采用纯水泥浆，水固比宜采用1：1.2，注浆工艺和注浆参数同采空区治理设计，停注压力为2～3MPa，吸浆量
小于50L/min，持续时间均为10～15min，据前期单孔注浆量资料统计，479个注浆孔注浆量
总计约58000m3­，单孔平均注浆量约121m3，单孔平均注入量的5%即为6.1m3。

通过本次注
浆检测，各检测孔注浆量均小于单孔平均注浆量5%即6.1m3，满足要求。

（6）地面沉降监测成果分析。

根据对各监测数据的整理、统计，各阶段倾斜值i均小
于3.0mm/m；水平变形值ε均小于2.0mm/m；曲率值k均小于0.20mm/m2。

监测各项指标均
小于规范规定，满足要求。

根据以上资料分析，本次注浆充填加固已达到预期目的，能够满足该场区拟建建筑场地
稳定性要求，经注浆加固治理后，拟建场地基本稳定，适宜该拟建项目的建设。

7 结束语
通过对煤田采空区注浆技术的研究，结合工程项目实际确定了本项目采空区治理的施工
工艺，包括注浆孔的布置形式、注浆施工顺序、注浆施工控制参数和注浆结束标准等。

本文
着重介绍了注浆浆液配比、施工中常见问题原因分析及预防处理措施。

通过多项检测方法综
合判别注浆效果，达到了采空区治理的目的。

本项目的顺利实施为类似工程积累了重要经验。

参考文献
【1】煤矿采空区建（构）筑物地基处理技术规范（GB51180-2016）[S].北京：中国计
划出版社，2016.
【2】华建新，郑建国. 工程地质手册（第五版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2018.
【3】东南大学交通学院.高速公路下伏富水多层采空区危害性评价与处理技术研究[D].
南京：东南大学，2002.
作者简介：
贾为国，男，1986年9月，汉族，河南濮阳，大学本科，工学学士，工程师，岩土工程方向，主要从事岩土工程设计、施工及项目管理工作。