采空區(qū)處治成套注漿系統(tǒng)工藝改進及效益分析

武 恒 張晶亮 劉云江

(山西建設投資集團有限公司，山西太原 030000)

0 引言

隨著環(huán)境形勢的日益嚴峻，新時期的工程建設不僅要滿足社會要求，更要注重環(huán)境保護，節(jié)能減排。注漿充填技術作為國內外治理采空區(qū)最為常用的處治手段［1］，一般選用水泥、粉煤灰作為充填材料［2］，通過漿液的凝固形成支撐體保證上覆巖層的穩(wěn)定［3］。注漿工藝及注漿站的建設是整個注漿過程的核心。成套注漿系統(tǒng)是指運用全充填壓力注漿法注漿時，從漿站選址、水源選取、材料存儲、漿池水池建設、注漿等整套施工系統(tǒng)。傳統(tǒng)成套注漿系統(tǒng)由于成本、環(huán)保等問題，已不能滿足現代施工要求。

本文分析了進行工藝優(yōu)化和改進后的新型成套注漿系統(tǒng)，從漿站的選址到注漿設備的更新，充分應用數字化系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)注漿系統(tǒng)存在的諸多問題。

1 工程概況

國道G342晉城市過境段改線工程采空區(qū)治理段總長12.1 km，東起 K6+800，西至 LK6+840，K10+824 ～K11+600 段采空區(qū)處治地段地處山西省東南部，晉城市西北部，受區(qū)域構造控制，區(qū)內地貌按成因可分為構造剝蝕地貌、山麓斜坡堆積地貌、河流侵蝕堆積地貌三大類型，河流侵蝕堆積地貌地形寬闊平緩，微地形以河床、河漫灘、Ⅰ，Ⅱ級階地為主，地貌形態(tài)簡單。地下大面積的采空區(qū)已存在塌陷和裂隙。K10+824～K11+600段采用全充填壓力注漿法［4，5］，設計鉆孔總數 855 個，其中帷幕孔130個，注漿孔707個，檢查孔18個，鉆孔總延米數為161 694 m，注漿量為247 551 m3。橋梁段帷幕孔孔距為10 m，路基段帷幕孔孔距為15 m。注漿孔孔距為15 m～20 m。

2 成套注漿系統(tǒng)工藝改進

以往成套注漿系統(tǒng)在確定漿站位置后，采用磚、石等材料進行漿池、水池砌筑，水源選取一般選用自來水、井水進行鉆孔、注漿施工。水泥、粉煤灰露天或建設廠棚進行大面積存儲，通過鏟車和人工配合進行上料和計量。這種系統(tǒng)在機械、人工使用方面成本投入巨大，建設廠站等設施所需材料達不到循環(huán)使用，工期較長，質量難以把控，很難滿足國家提倡的綠色、生態(tài)、節(jié)能、環(huán)保等要求?；诖藢鹘y(tǒng)成套注漿系統(tǒng)進行改進，并運用于K10+824～K11+600采空區(qū)處治段，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

2.1 漿站選址和水源選取

漿站選取位置時考慮選取在注漿范圍的中部位置，且盡可能選擇在地勢平坦的高處，既節(jié)約輸送管道的平均長度，又可充分利用地勢優(yōu)勢通過漿液的重力流作用輸送到注漿區(qū)域，大量減少用泵用電量的同時防止管道堵塞，減少沖洗疏通管道次數。

水源應盡量尋找周邊的地表水，如河流、湖泊或水庫等，確保水源充足。另外，也可充分利用附近廠礦企業(yè)排放的工業(yè)廢水，要求其所排出廢水的pH＞4，且不具有污染土壤的性質，即可作為采空區(qū)處治的工程用水水源。

2.2 漿池水池制作

漿池選用5 mm厚鋼板統(tǒng)一焊接成圓柱筒體(也可考慮采用塑料、鋁制作)，周邊環(huán)形鋼筋加固，直徑約為2.5 m，池高2.5 m，最大儲量約為12 m3。漿池上口封閉防護采用鋼筋篦子，篦子四周焊接掛鉤，預制鋼池的邊緣可焊接小圓管，掛鉤直接掛到小圓管內，有效保證鋼筋篦子穩(wěn)固。鋼池預先做成直徑大小不一的“套娃式”，根據鋼板厚度相鄰大小直徑相差20 mm為最佳，運輸和存放時可由內而外連環(huán)相套，節(jié)約空間。

水池采用5 mm鋼板焊接成矩形，漿站設一大一小兩個鋼水池，大水池放置在地勢較高處，為鉆孔和小水池提供水源，矩形水池周邊堆土防護和加固，內部采用［10槽鋼、L50×5角鋼和DN50鋼管拉結支撐加固，并涂刷防銹漆。小水池放在攪拌漿站旁邊，為拌制漿液提供水源。水池容積應滿足日需水量要求，大水池通過DN150鋼管連接水源地和小水池，小水池與攪漿池通過時間流量控制系統(tǒng)管道控制拌合用水量，見圖1。

圖1 預制漿池、水池

2.3 成套數字化設備

上料時將人工、鏟車上料方式改進為數控臺操作自動計量系統(tǒng)上料，在數控臺鍵入每盤配合料投放量，水泥和粉煤灰由罐內通過螺旋輸料管道到達稱重料斗，當重量達到預設重量時，螺旋輸送自動停止，料斗內材料在電子傳感器的自動控制下打開下料閥門投入一級漿池并進行攪拌，數控臺統(tǒng)一操作加水，由時間流量控制系統(tǒng)控制每盤用水量。一級攪拌完成后打開底閘通過高差流入二級漿池，添加速凝劑后(如需要時)經過安裝有校核壓力表的注漿泵從注漿管道經電子流量計輸出漿液，進入地層之前在地表處注漿管道上安裝檢測壓力表進行注漿壓力的測試，進料、出漿均由電子計量設備把控，實現材料用量的準確，注漿漿液稠度均勻。整個注漿過程在遠程監(jiān)控下完成，保質保量，安全可靠，見圖2。

圖2 自動計量系統(tǒng)

3 效益分析

3.1 進度效益

在進度方面，漿站安裝監(jiān)控系統(tǒng)，可顯示實時畫面，從網絡遠程即可查看操作控制，實時掌握工程進度情況;預制漿池采用鋼板焊接，如果遇到征地拆遷影響進度時，可提前預制，進度上要優(yōu)先于磚砌、石砌攪拌池;粉煤灰采取立罐方式存儲，罐可租賃或由水泥廠提供，進場直接吊裝，比搭設廠棚快捷，大量節(jié)省時間;供料方面采用自動計量系統(tǒng)，無需人工、機械操作，實現供料自動化，大大減少供料所需時間，推動工程進度。

3.2 質量效益

在質量方面，預制漿池采用鋼板制作，相比傳統(tǒng)石砌、磚砌漿池，有效避免水分滲漏流失，保證漿液的配合比穩(wěn)定;自動計量系統(tǒng)在投放水、水泥、粉煤灰等原材料方面確保準確無誤，保證了材料的用量;在漿池的出漿口安裝電磁流量計系統(tǒng)，可實時掌握注漿量，配合壓力表同時控制注漿量和注漿壓力，保證填充率。

3.3 安全效益

在安全方面，預制漿池可有效避免漿液滲入水泥罐地基，保證地基穩(wěn)定;漿池頂部安裝鋼筋簏子，篦子四周焊接掛鉤，鋼池邊緣焊接小圓管，掛鉤直接掛到小圓管內，在穩(wěn)定性、安全性方面要好于磚砌、石砌漿池;漿池在制作時做成大小不一的“套娃式”，由內而外連環(huán)相套，運輸更加穩(wěn)定、簡便安全;數控系統(tǒng)上料避免了機械上料可能對人工造成的傷害，整個漿站處于監(jiān)控系統(tǒng)下，發(fā)現安全隱患可及時排除。

3.4 經濟效益

在經濟方面，鋼制漿池、水池在工程結束后可實現循環(huán)使用;自動計量系統(tǒng)實現了人工智能化操作，只需控制數控臺即可實現配料、注漿工作，降低了人工、機械使用費;鋼制水池安置在地面以上進行對接支撐加固，無需制作護欄，且安置在地面高點，在鉆孔和注漿過程中大量水和漿液可通過自重流送達，減少了水泵負荷，降低了用電成本;粉煤灰采用罐裝，相比較建設廠棚，費用大大降低。

3.5 節(jié)能、環(huán)保、綠色施工效益

在節(jié)能環(huán)保綠色施工方面，水源選取(有條件時可采用):一般煤礦采空區(qū)周邊會有洗煤廠，可就近選取洗煤廠排出的洗煤用水，其pH＞4，符合注漿用水要求;其次，選取附近地表水(如河流)，保證用水量需求的同時，減少地下水資源消耗和污染;預制鋼漿池、水池可重復周轉使用，節(jié)約材料;石砌、磚砌漿池僅能實現一次性使用且對環(huán)境、土地有一定污染;水泥、粉煤灰罐裝運輸、現場立罐儲存、螺旋管道輸送、封閉式制漿站等在環(huán)保方面實現了防塵防污染控制，廠站現場可不必安裝噴淋系統(tǒng)、霧炮系統(tǒng);粉煤灰采用罐裝相比較建設廠棚造價降低，且所需占地小，無需場地硬化，減少圬工作業(yè)污染土地和建廠棚鋼材消耗;供水管線采用DN150鋼管供水系統(tǒng)，確保用水量供應，且密封承壓性能好，可周轉使用。

3.6 智能化運用

改進成套注漿系統(tǒng)配置了電磁流量計、壓力表、自動供料系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，在保證安全、提升質量、加快進度和降低成本方面效果顯著，且處處能體現節(jié)能、環(huán)保和綠色施工。

4 實例分析

國道G342晉城市過境段改線工程K10+824～K11+600段采空區(qū)處治范圍，運用改進的成套注漿系統(tǒng)，在成本上實現了極大的節(jié)約，并滿足了質量、進度、安全、節(jié)能、環(huán)保、綠色施工等效益，見表1。

表1 成套注漿系統(tǒng)改進前后施工成本比較

5 結語

改進的成套注漿系統(tǒng)，投入較少的工、料、機，解決了傳統(tǒng)成套注漿系統(tǒng)存在的諸多問題，實現了自動化、機械化、工廠化、集約化、智能化，達到了加快工期、確保安全、保證質量、降低成本、節(jié)能減排和綠色施工等目標，不僅為采空區(qū)處治工程提供了新的成套注漿系統(tǒng)，更運用到實際工程。事實證明改進的成套注漿系統(tǒng)可以進行推廣使用，可能成為日后采空區(qū)注漿充填治理的新方式。