采空區(qū)治理再生骨料漿液物理性能及長(zhǎng)期強(qiáng)度特性研究

何 騫

（中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013）

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源，采礦過(guò)程中留下諸多采空區(qū)[1]，隨著采空面積不斷擴(kuò)大，引起滑坡、地表塌陷、礦震等各類地質(zhì)災(zāi)害，威脅生命安全、破壞生態(tài)環(huán)境[2-3]。而在城市近郊的采煤沉陷區(qū)上，難以進(jìn)行高強(qiáng)度工程建設(shè)，嚴(yán)重制約了城市擴(kuò)展以及道路交通的發(fā)展[4-6]。因此，做好采煤沉陷區(qū)治理對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。注漿充填是治理城市及道路下伏采空區(qū)的主要手段[7-9]，而漿液的性能及類別對(duì)治理效果起著關(guān)鍵作用。當(dāng)前，針對(duì)水泥、粉煤灰等為主要材料的綜合性稀漿研究較多，各學(xué)者從微觀角度、宏觀物理特性及力學(xué)性能方面研究總結(jié)了此類漿液的綜合性能及實(shí)際應(yīng)用效果[10-12]，為工程實(shí)際應(yīng)用提供了參考。此外有研究人員根據(jù)實(shí)際需要在漿液中加入水玻璃、氫氧化鈣等外加劑，以改變漿液凝結(jié)時(shí)間、提高早期反應(yīng)效率等[13-15]，優(yōu)化了漿液性能。近些年，為拓展應(yīng)用范圍、節(jié)約工程費(fèi)用，諸多學(xué)者在稀漿中加入黏土、砂子等材料，研究高濃度骨料漿液的流變特性、強(qiáng)度特性[16-17]，以及顆粒級(jí)配對(duì)骨料漿液物理力學(xué)性能及輸送特性的影響[18-19]，為骨料漿液在注漿工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。但以上研究都是以水泥、粉煤灰、沙子等為基料，隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的日益重視，沙子的采銷等有嚴(yán)格的規(guī)定，采挖沙子價(jià)格較高且破壞生態(tài)環(huán)境。此外，我國(guó)部分區(qū)域粉煤灰價(jià)格隨季節(jié)變化浮動(dòng)較大[20]，魯西南地區(qū)每年春、秋季每噸粉煤灰價(jià)格可達(dá)200元以上，且嚴(yán)重供不應(yīng)求，提高了實(shí)際充填治理成本。

而隨著城市的發(fā)展，建筑固廢處理成為一大難題，阻礙了建筑施工及城市空間的有效利用，產(chǎn)生較大的環(huán)境污染[21-23]。建筑固廢主要由磚、混凝土及少量的土組成，是良好的充填治理材料。因此將經(jīng)過(guò)破碎篩分后的建筑固廢，應(yīng)用于采空區(qū)注漿，制成再生骨料新型充填漿液，研究其各項(xiàng)物理性能及在不同養(yǎng)護(hù)條件下的長(zhǎng)期強(qiáng)度特性，代替部分粉煤灰，節(jié)約治理成本、為城市建筑固廢處理帶來(lái)新途徑。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要為水泥、粉煤灰、再生骨料。水泥為PF32.5 粉煤灰硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，凝結(jié)時(shí)間、安定性均為水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿測(cè)得。粉煤灰為電廠所取的三級(jí)灰，其物理與化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表1 水泥物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Table1 Test results of physical and mechanical properties of cement

表2 粉煤灰物理性能測(cè)試結(jié)果Table2 Test results of physical properties of fly ash

表3 粉煤灰化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果Table3 Test results of chemical composition of fly ash

再生骨料取自濟(jì)寧周邊建筑固廢，經(jīng)過(guò)專業(yè)定制的破碎系統(tǒng)破碎篩分所得，再生骨料顆粒級(jí)配曲線如圖1，骨料各粒徑級(jí)配均勻，巨大顆粒占比較小，小顆粒均布于大顆粒之間，且大顆粒本身具有一定縫隙。其中，顆粒粒徑全部小于1.18mm，屬于GB/T14684—2011中規(guī)定的細(xì)料集，且滿足骨料充填粒徑要求[24-25]，可用于試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用。

圖1 再生骨料顆粒級(jí)配曲線圖Fig.1 Particle size distribution curve of recycled aggregate

1.2 試驗(yàn)方法

本研究旨在研究再生骨料代替部分粉煤灰，制成不同配比的新型充填漿液，應(yīng)用于采空區(qū)注漿。設(shè)計(jì)以純水泥粉煤灰漿為對(duì)比組，然后添加不同比例再生骨料代替相應(yīng)的粉煤灰。試驗(yàn)取水固比為1∶1.2 ，即水∶（水泥+粉煤灰+再生骨料）=1∶1.2 及水固比1∶2、1∶33種比例，水泥與其它固相的質(zhì)量比分別為2∶8和3∶7，在此條件下，再生骨料的代替比例（占粉煤灰的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）分別為0、30%、50%、70%、100%，2組漿液配比見(jiàn)表4和表5。

表4 1#漿液配比方案Table4 Proportioning schemes for1# slurry

表5 2#漿液配比方案Table5 Proportioning schemes for2# Slurry

2 結(jié)果分析與討論

本研究漿液結(jié)石體分別在標(biāo)準(zhǔn)恒溫養(yǎng)護(hù)箱和純水狀態(tài)下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，2個(gè)作為對(duì)比組。純水下養(yǎng)護(hù)時(shí)，將試塊放入預(yù)先加工好的水箱內(nèi)，水箱放于室溫環(huán)境。不同配比下，各指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6和表7。

表6 1#漿液物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果（水∶固＝1∶1.2水泥∶粉煤灰＝2∶8）Table6 Test results of physical and mechanical properties of1＃slurry（water∶solid＝1∶1.2，cement∶fly ash＝2∶8）

表7 2#漿液物理力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果（水∶固＝1∶1.2水泥∶粉煤灰＝3∶7）Table7 Test results of physical and mechanical properties of2＃slurry（water∶solid＝1∶1.2，cement∶fly ash＝3∶7）

2.1 漿液結(jié)石率

結(jié)石率是漿液性能指標(biāo)的重要參數(shù)，也是評(píng)判注漿充填治理效果的重要因素。漿液結(jié)石率越大，進(jìn)入采空區(qū)后析水少體積變形小，充填效率越高。

針對(duì)不同種類漿液及不同采空區(qū)，結(jié)石率都有不同要求。不同代替比例下2種漿液結(jié)石率如圖2。

由圖2可知，隨著再生骨料代替比例的增加，1#、2#漿液結(jié)石率總體呈減小趨勢(shì)，當(dāng)代替比例在50%以內(nèi)時(shí)，1#、2#漿液結(jié)石率均大于85%，且大小相近；當(dāng)代替比例大于50%時(shí)，1#漿液結(jié)石率減小速率大于2#漿液，但在代替比例70%時(shí)結(jié)石率基本保持在75%左右；當(dāng)代替比例為100%時(shí)，2組漿液結(jié)石率都較低，其中1#漿液僅為53.5 %。出現(xiàn)上述趨勢(shì)的原因如下。

圖2 不同代替比例下2種漿液結(jié)石率Fig.2 Stone rate of two kinds of slurry under different replacement ratios

1）水泥水化和水泥粉煤灰遇水發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)，都會(huì)吸收大量水分，而再生骨料作為惰性材料，隨著其比例的增加，即粉煤灰比例的減少，漿液中參與反應(yīng)的有效成分減少，且隨著骨料在漿液中分布的增多，一定程度破壞了水泥粉煤灰反應(yīng)體系的整體性，漿液體系反應(yīng)不夠充分，固定的結(jié)合水減少。

2）再生骨料細(xì)度大于粉煤灰，比表面積較小，與水結(jié)合的能力小于粉煤灰，故漿液體系中析出的水量增加。

2.2 漿液流動(dòng)度

流動(dòng)度是漿液性能及工程實(shí)際過(guò)程中較為關(guān)鍵的指標(biāo)，流動(dòng)度過(guò)小漿液的可泵性差，且漿液在裂隙中擴(kuò)散時(shí)較早沉積，擴(kuò)散距離小，導(dǎo)致充填不充分，同時(shí)漿液的擴(kuò)散范圍達(dá)不到設(shè)計(jì)目的，影響總體灌注效果。流動(dòng)度過(guò)大，在充填時(shí)不易在裂隙中停留，過(guò)度擴(kuò)散，漿液流失較大，也影響治理效果。

在實(shí)際注漿過(guò)程中，不同類型漿液合理的流動(dòng)度是長(zhǎng)距離輸送及穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。本試驗(yàn)流動(dòng)度測(cè)試按照SL62—2014《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》中的方法進(jìn)行。不同代替比例下2種漿液流動(dòng)度如圖3。

由圖3可知，隨著再生骨料代替比例的增加，1#、2#漿液的流動(dòng)度總體成增大趨勢(shì)，當(dāng)代替比例為70%時(shí)，1#、2#漿液流動(dòng)度分別為44.1 、43.0cm，此時(shí)漿液有離析現(xiàn)象且流動(dòng)度較大，當(dāng)代替比例為100%時(shí)，1#、2#漿液流動(dòng)度分別為46.8 、48.2cm，漿液離析現(xiàn)象明顯且流動(dòng)度過(guò)大，此點(diǎn)也可從結(jié)石率上反應(yīng)。

圖3 不同代替比例下2種漿液流動(dòng)度Fig.3 Fluidity of two kinds of slurry under different replacement ratios

因此，隨著再生骨料的增加、粉煤灰量的減少，漿液中自由水比例增加，黏稠度減小，內(nèi)摩擦力減小，且漿液中水化產(chǎn)物減少，所以流動(dòng)度總體增大。

2.3 漿液凝結(jié)時(shí)間

注漿過(guò)程中工藝的調(diào)整常以凝結(jié)時(shí)間為依據(jù)，尤其是采用分段注漿、間歇性注漿及帷幕注漿時(shí)，凝結(jié)時(shí)間為間歇時(shí)間的長(zhǎng)短提供重要參考。漿液凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短，都影響著注漿質(zhì)量。所以，在實(shí)際注漿前要進(jìn)行大量試驗(yàn)，測(cè)定不同配比下漿液的凝結(jié)時(shí)間，此外注漿過(guò)程中調(diào)整配比或材料有變化時(shí)，都需進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間的測(cè)定。不同代替比例下，2種漿液的凝結(jié)時(shí)間結(jié)果如圖4。

圖4 不同代替比例下2種漿液凝結(jié)時(shí)間Fig.4 Setting time of two kinds of slurry under different replacement ratios

由圖4可知，未添加再生骨料時(shí)，1#漿液初終凝時(shí)間均大于2#漿液，這是因?yàn)?#漿液粉煤灰比例較大。當(dāng)加入骨料后，2種漿液的凝結(jié)時(shí)間相對(duì)于純水泥粉煤灰漿液，都呈先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)；當(dāng)代替比例為30%時(shí)，由于此時(shí)漿液體系中粉煤灰仍占較大比例，水泥水化及粉煤灰火山灰反應(yīng)仍快速發(fā)生，加入骨料后由于其顆粒較大，分散在體系的反應(yīng)產(chǎn)物中，使得反應(yīng)產(chǎn)物“絮凝”作用減弱，初終凝時(shí)間延長(zhǎng)；隨著骨料添加比例的增大，骨料與漿液體系的分布狀態(tài)發(fā)生改變，水泥與粉煤灰顆粒填充在骨料中間，形成局部團(tuán)聚，水泥水化產(chǎn)物及其與粉煤灰作用產(chǎn)物在小范圍內(nèi)形成絮凝體，將骨料連接，骨料量越大這種局部作用形成固體的速度越快，因此漿液體系的凝結(jié)時(shí)間總體減少。此外，由2.1 可知，隨著骨料量的增加，漿液中固定的結(jié)合水減少，也使得反應(yīng)時(shí)間減少。

2.4 漿液結(jié)石體強(qiáng)度特性

注漿充填是為了使?jié){液進(jìn)入采空區(qū)后，形成的結(jié)石體和原巖共同作用，支撐采空區(qū)頂板、圍巖，加固上覆巖層，從而使上覆巖層至地表長(zhǎng)期穩(wěn)定，因此，漿液結(jié)石體的長(zhǎng)期強(qiáng)度特性極為重要，反映著結(jié)石體本身的力學(xué)性能。2種漿液結(jié)石體在標(biāo)準(zhǔn)恒溫箱養(yǎng)護(hù)和水下養(yǎng)護(hù)條件下，各齡期強(qiáng)度特性隨代替比例變化情況如圖5和圖6。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)條件1#漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度隨代替比例變化情況Fig.5 The compressive strength of1# slurry stone body varies with replacement ratio under different curing conditions

圖6 不同養(yǎng)護(hù)條件2#漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度隨代替比例變化情況Fig.6 The compressive strength of2# slurry stone body varies with replacement ratio under different curing conditions

由圖5和圖6可知，①當(dāng)結(jié)石體齡期為7d時(shí)，2組漿液均已具備一定強(qiáng)度值，2#漿液在對(duì)應(yīng)比例下抗壓強(qiáng)度大于1#漿液，當(dāng)代替比例在50%以內(nèi)時(shí)，2組漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度最小值為1.12MPa，最大值可達(dá)3.44MPa；②當(dāng)結(jié)石體齡期為14d時(shí)，除代替比例為100%的1#漿液外，2種養(yǎng)護(hù)條件下所有漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度全部大于2MPa，且代替比例為0、30%、50%時(shí)，1#、2#漿液結(jié)石體強(qiáng)度遠(yuǎn)大于2 MPa，最小強(qiáng)度也達(dá)2.6MPa，因此在此齡期時(shí)，漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度已達(dá)到采空區(qū)充填治理規(guī)范要求；③當(dāng)結(jié)石體齡期為28d時(shí)，代替比例為100%的1#漿液，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、水下養(yǎng)護(hù)條件下結(jié)石體抗壓強(qiáng)度分別為1.8MPa、2.6MPa，未達(dá)到2MPa。其余不同代替比例下，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度均較大，其中最小值為3.05MPa、最大值可達(dá)6.31MPa；④當(dāng)結(jié)石體齡期為90d時(shí)，此時(shí)漿液反應(yīng)基本完成，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度基本達(dá)到穩(wěn)定值。各組抗壓強(qiáng)度值相對(duì)于28d仍有所上升，但增長(zhǎng)速率較慢，未出現(xiàn)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。圖中數(shù)據(jù)也反映出，在達(dá)90d的養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定，具有較好的實(shí)際應(yīng)用性。

分析圖5和圖6的總體趨勢(shì)可得如下結(jié)果：

1）純水泥粉煤灰漿液結(jié)石體各齡期抗壓強(qiáng)度大于其它各添加骨料的組別。

2）不同代替比例水下養(yǎng)護(hù)結(jié)石體抗壓強(qiáng)度總體大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度值，尤其是在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14d以內(nèi)時(shí)，此規(guī)律較明顯，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，不同養(yǎng)護(hù)條件下抗壓值趨于相近。

3）在對(duì)應(yīng)代替比例下，2#漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度值基本大于1#漿液。當(dāng)代替比例由70%增加到100%時(shí)，2組漿液結(jié)石體呈現(xiàn)相反的規(guī)律，1#漿液各組抗壓強(qiáng)度程下降趨勢(shì)，2#漿液各組抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，分析此規(guī)律，主要原因?yàn)闈{液中水泥添加量的不同，當(dāng)代替比例為100%時(shí)，漿液為純水泥骨料漿，水泥水化產(chǎn)物將骨料連接、包裹，在共同作用下抵抗外界的力。2#漿液中水泥占比小，水化產(chǎn)物較1#漿液少，與骨料相互作用抵抗外界作用力的能力小，因此強(qiáng)度較小。

由以上結(jié)果可知，對(duì)于充水型采空區(qū)，漿液進(jìn)入裂隙帶、垮落帶后，在擾動(dòng)較小的情況下，其結(jié)石體強(qiáng)度形成規(guī)律與水下養(yǎng)護(hù)更接近。因此，本研究水下養(yǎng)護(hù)條件下漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度結(jié)果，更能為為漿液綜合性能的判斷、配比的調(diào)整提供參考依據(jù)。

2.5 高濃度漿液性能研究

以上研究均為低濃度漿液物理性能及強(qiáng)度特性，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)工程條件如控制漿液的堆積形態(tài)、節(jié)約成本等，需充填高濃度漿液。所以，在基于低濃度漿液試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了2組高濃度再生充填漿液，即在代替比例為100%前提下，水固比取1∶2和1∶3。其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6和表7。

從表6和表7中可知，4組漿液結(jié)石率都達(dá)到80%以上，且水固比為1∶3時(shí)結(jié)石率均在96%以上；當(dāng)水固比為1∶2時(shí)，1#、2#漿液流動(dòng)度分別為36.7 、36cm，此比例下漿液流動(dòng)度良好且漿液離析現(xiàn)象不明顯，漿液初凝時(shí)間分別為12.33h、15.5h，終凝時(shí)間分別為15.92h、18.17h；當(dāng)水固比為1:3時(shí)，1#漿液流動(dòng)度為19cm、2#漿液流動(dòng)度為18cm，2組漿液流動(dòng)度均較小，1#漿液凝結(jié)時(shí)間偏短，初、終凝時(shí)間分別為8.5h、11.33h。水固比1∶3時(shí)2組漿液流動(dòng)度形態(tài)如圖7。

圖7 水固比1∶3時(shí)2組漿液流動(dòng)度形態(tài)Fig.7 Fluidity morphology of two groups of slurry when water solid ratio is1∶3

4組高濃度漿液結(jié)石體在標(biāo)準(zhǔn)、水下養(yǎng)護(hù)時(shí)強(qiáng)度特性如圖8。

從圖8中可以看出高濃度漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度水下養(yǎng)護(hù)值仍大于標(biāo)準(zhǔn)恒溫箱養(yǎng)護(hù)值，與低濃度漿液規(guī)律相似。其原因主要如下：

圖8 不同養(yǎng)護(hù)條件下高濃度漿液結(jié)石體強(qiáng)度隨時(shí)間變化情況Fig.8 Changes in the strength of high-concentration slurry stone body with time under different curing conditions

1）水下養(yǎng)護(hù)雖處于恒溫環(huán)境，但其仍受外界環(huán)境影響，總體溫度高于恒溫箱，故漿液反應(yīng)速度快，反應(yīng)程度大。

2）測(cè)試了養(yǎng)護(hù)用水的pH值，呈弱堿性，此環(huán)境促進(jìn)了粉煤灰的火山灰反應(yīng)。

3）水下養(yǎng)護(hù)結(jié)石體表面水分充足，內(nèi)部熱量能夠及時(shí)釋放出去，防止了結(jié)石體內(nèi)部開(kāi)裂現(xiàn)象。

觀察圖8中強(qiáng)度變化結(jié)果可知，除水固比為1:2的1#漿液結(jié)石體，其7d的強(qiáng)度小于2MPa外，其余組別結(jié)石體抗壓強(qiáng)度在2種養(yǎng)護(hù)條件下，7d時(shí)都大于2MPa，滿足地下充填治理強(qiáng)度要求，在90d時(shí)，水固比1∶2，1#、2#漿液水下強(qiáng)度值分別為5.90 MPa、9.62MPa，水固比1∶3時(shí)，1#、2#漿液水下強(qiáng)度值分別為9.71MPa、15.94MPa。從圖8中對(duì)比可知：在水固比為1∶3時(shí)，1#漿液與2#漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度相差較大；7d時(shí)（水下養(yǎng)護(hù)）強(qiáng)度相差3.32MPa，齡期為90d時(shí)強(qiáng)度相差6.23MPa；主要原因?yàn)樗鄵搅康牟煌?，所以在?shí)際應(yīng)用過(guò)程，可通過(guò)靈活調(diào)整水泥用量，保證漿液結(jié)石體良好的力學(xué)性能。

從分析結(jié)果并聯(lián)系工程實(shí)際分析可知，在合理的設(shè)計(jì)配比前提下，當(dāng)注漿量累計(jì)到一定程度，漿液進(jìn)入采空區(qū)能形成良好的堆積或充分填充于裂隙內(nèi)部時(shí)，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度能夠得到保證，治理區(qū)域內(nèi)總體抗變形能力也能較大提升。

3 不同類型采空區(qū)充填治理漿液優(yōu)選

采空區(qū)注漿充填是1項(xiàng)集材料、工藝、設(shè)備于一體的綜合治理技術(shù)，同時(shí)也需要對(duì)采空環(huán)境、裂隙發(fā)育情況、“三帶”情況有良好的分析判斷。所以，在研究材料及漿液性能的基礎(chǔ)上，還需結(jié)合實(shí)際情況對(duì)不同配比的漿液進(jìn)行優(yōu)選，從而達(dá)到最好的治理效果及經(jīng)濟(jì)效益。本研究主要是將再生骨料制成新型充填漿液應(yīng)用于采空區(qū)治理，故針對(duì)研究結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用時(shí)有以下建議：

1）本研究所配水泥粉煤灰漿液，各項(xiàng)物理性能良好、長(zhǎng)期強(qiáng)度穩(wěn)定，可應(yīng)用于各類采空區(qū)治理，實(shí)際應(yīng)用時(shí)結(jié)合注漿工藝合理調(diào)整。

2）水固比為1∶1.2 、代替比例為100%的1#、2#漿液，其結(jié)石率較低、漿液離析，不符合技術(shù)要求，因此不建議應(yīng)用于實(shí)際工程；代替比例為70%時(shí)，對(duì)漿液擴(kuò)散要求大、空洞大時(shí)，可結(jié)合采空區(qū)空洞大小、地下水情況酌情判斷選用。

3）代替比例30%以內(nèi)，可視為與水泥粉煤灰漿液具有同等效果，應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行試注，確保合理工藝，水泥比例不能低于固相的20%，根據(jù)實(shí)際注漿情況合理增加；代替比例為30%～50%時(shí)，可用于充填部分小裂隙及較大空洞、縫隙、鉆探過(guò)程有掉鉆現(xiàn)象、帷幕孔中期注漿等各類情況。

4）本研究的高濃度漿液可用作采空塌陷空洞體積大或一些需要封堵地下巷道的采空區(qū)，由于其采空高度大、橫向展布較長(zhǎng)，所以其耗漿量大，前期用普通水泥粉煤灰漿液填充效率低，而高濃度漿液可得到有效利用。特別對(duì)于水固比為1∶3的膏體漿液，在對(duì)堆積體積要求較大的充填、堵水治理中，具有較好的應(yīng)用前景，實(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)工程情況動(dòng)態(tài)調(diào)整比例，同時(shí)可添加適量粉煤灰增加和易性。

4 工程應(yīng)用

山東某礦條帶開(kāi)采平面圖如圖9，該地區(qū)由于城市發(fā)展迫切需求，須將圖中位置地下采空區(qū)治理后，才能確保地上土地的利用。根據(jù)資料收集及勘察情況表明，圖中所框?yàn)椴糠止ぷ髅妫珹地塊往西南為2條巷道，采空區(qū)處于全充水非充分垮落狀態(tài)。

圖9中工作面紅色區(qū)域（A地塊）地面為城市道路，不具備施工條件，此外為使工作面充填治理時(shí)漿液能夠有效注入采空區(qū)，先對(duì)2條巷道進(jìn)行充填。因此，采用定向鉆探技術(shù)對(duì)巷道及A地塊進(jìn)行注漿充填，2個(gè)巷道孔設(shè)計(jì)孔深530m。如圖9，施工順序?yàn)锳DX1、ADX2、DX1-1，每個(gè)孔鉆探完成后即刻進(jìn)行注漿。

圖9 開(kāi)采平面及注漿充填鉆孔布置圖（單位：m）Fig.9 Mining plane and drilling layout of the grouting filling

經(jīng)過(guò)注漿治理，ADX1鉆孔注2#水泥粉煤灰漿254m3、1∶3的高濃度漿液473m3后起壓，掃孔后重新注少量水泥粉煤灰漿液再次起壓，為確保巷道充分充填，重新沿ADX1孔的上層軌跡，開(kāi)分支孔ADX1-1，完成后重新注2#1∶3高濃度漿168m3，水泥粉煤灰漿516m3，達(dá)到設(shè)計(jì)終孔要求，結(jié)束注漿。ADX2鉆孔以間隔交叉的方式注入2#水泥粉煤灰漿449m3、2#1∶3高濃度漿1001m3后起壓，掃孔后重新注入2#1∶2高濃度漿90m3、水泥粉煤灰漿228m3后結(jié)束注漿。DX1-1定向孔采用間歇式注漿，分別注入1#水泥粉煤灰漿644m3、2#代替比例為30%的低濃度漿液495m3后，又以交叉的方式注入1#1∶3高濃度漿液445m3、2#水泥粉煤灰漿1210m3鉆孔起壓，掃孔后注入2#水泥粉煤灰漿2463m3、2#1∶2高濃度漿液687m3達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)后檢測(cè)及注漿分析表明，巷道封堵良好、A地塊充填治理合格。研究所設(shè)計(jì)漿液得到良好的實(shí)際應(yīng)用，節(jié)約了工期及治理成本。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）2組再生骨料新型充填漿液的結(jié)石率、流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間基本滿足正常注漿要求。漿液結(jié)石率隨骨料代替粉煤灰比例增加而減小，漿液流動(dòng)度與代替比例的大小成正比，漿液凝結(jié)時(shí)間隨代替比例增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)水固比為1∶1.2 、代替比例為100%時(shí)，漿液結(jié)石率低，存在離析現(xiàn)象。

2）1#、2#再生骨料新型充填漿液，28d結(jié)石體抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于充填治理規(guī)范要求，90d時(shí)水下養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度值最小為3.59MPa、最大值可達(dá)7.93MPa。固相比一定的純水泥粉煤灰漿液結(jié)石體各齡期抗壓強(qiáng)度大于其它各添加骨料的組別。

3）同配比的漿液，養(yǎng)護(hù)齡期小于14d時(shí)，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度水下養(yǎng)護(hù)值普遍大于標(biāo)準(zhǔn)恒溫箱養(yǎng)護(hù)值，90d時(shí)2種強(qiáng)度值趨于相近，在充水型采空區(qū)，水下養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度更能反應(yīng)漿液進(jìn)入采空區(qū)后結(jié)石體力學(xué)性能。此外，水固比相同時(shí)，合理增加水泥用量，能夠保證良好的漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度。

4）本研究的高濃度充填漿液結(jié)石率、流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、長(zhǎng)期強(qiáng)度特性等物理力學(xué)性能均較好，水固比為1∶3、水泥占比30%時(shí)，漿液結(jié)石體28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到10.4MPa、90d抗壓強(qiáng)度達(dá)15.94MPa。合理配比下，漿液進(jìn)入采空區(qū)能夠良好堆積、充填時(shí)，治理區(qū)域內(nèi)巖體抗變形能力得到有效提升。

5）新型充填漿液綜合性能良好，應(yīng)用于不同垮落狀態(tài)、不同裂隙發(fā)育情況的采空區(qū)時(shí)，需優(yōu)選良好的配比，保證最佳的治理效果。漿液應(yīng)用于實(shí)際工程，性能良好，工后檢測(cè)合格，充填治理效果顯著。

本研究所用的再生骨料具有良好的性能，可代替部分粉煤灰應(yīng)用于采空區(qū)充填治理，有效解決了部分地區(qū)因材料供應(yīng)不足耽誤施工進(jìn)度，降低了工程治理成本，合理利用了建筑固廢，減小環(huán)境污染。