煤層采空區(qū)注漿投砂全充填處治施工工藝

高文宗

(中鐵二局股份公司工程部,四川成都610031)

高速公路下伏采空區(qū)危害性大、治理技術(shù)眾多[1]，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[2]規(guī)定，高速公路下伏采空區(qū)治理一般采用充填法治理。充填法狹義上只指從坑內(nèi)外通過車輛運(yùn)輸或管道輸送廢石、河砂、尾砂等充填采空區(qū)，廣義上還包括垃圾、粉煤灰、廢液等充填采空區(qū)[3]。

煤層采空區(qū)注漿投砂全充填處治施工工藝，是在地表打孔，將水泥粉煤灰混合漿液注入采空區(qū)及其上覆蓋層巖體裂隙(若采空區(qū)冒落)中，利用漿液將大量的砂(占總注漿量的50%以上)帶入采空區(qū)，對(duì)采空區(qū)全充填。漿液經(jīng)過固化可膠結(jié)巖層裂隙帶，同時(shí)采空區(qū)內(nèi)的漿液形成結(jié)石體對(duì)其上覆蓋層形成支撐作用，達(dá)到降低地基變形提高地基穩(wěn)定性的一種方法[4]。

1 工藝特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

該施工工藝簡(jiǎn)單，所需機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)單，施工作業(yè)簡(jiǎn)便。相對(duì)其他工藝，成本較低，效果顯著。施工周期短，有利于后續(xù)工程的施工。本工藝適用于尚未或局部冒落塌陷的采空區(qū)和其他較大的地下空洞。

2 工藝原理及設(shè)計(jì)要求

2.1 工藝原理

通過對(duì)采空區(qū)注入水泥粉煤灰混合漿液和砂，采用速凝劑控制漿液擴(kuò)散半徑，用加壓注漿的方法達(dá)到全充填的效果；漿液和砂形成的結(jié)石體，對(duì)其上覆蓋層形成支撐作用，達(dá)到降低地基變形提高地基穩(wěn)定性的作用，從而確保地面結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定和安全。

2.2 工藝設(shè)計(jì)要求

成孔采用二序鉆孔，間隔鉆孔，成孔后用水泥砂漿澆注孔口管。

注漿投砂工藝要求如下。

(1)漿液材料：水、水泥、粉煤灰、速凝劑(采用水玻璃)等材料以滿足結(jié)石體強(qiáng)度和方便投入孔為宜。由試注試驗(yàn)獲得漿液流量、投砂速度、間隙注漿的時(shí)間、機(jī)具型號(hào)等指標(biāo)參數(shù)，用以指導(dǎo)施工。

(2)終孔標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求值(1～1.2 MPa)，泵漿量達(dá)到設(shè)計(jì)要求(70～100 L/min)且穩(wěn)定10～15 min時(shí)，該孔注漿結(jié)束。

3 工藝流程及操作要點(diǎn)

煤層采空區(qū)注漿投砂的全充填處治施工工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

3.1 施工準(zhǔn)備

3.1.1 臨時(shí)設(shè)施建設(shè)

清理平整場(chǎng)地，確保道路暢通，合理布設(shè)蓄水池、一級(jí)和二級(jí)攪拌池，鋪設(shè)好漿液管路。

3.1.2 施工放樣

按設(shè)計(jì)孔位施工放樣，偏差值≤1.0 m。

3.1.3 計(jì)劃備料

根據(jù)每孔所需材料數(shù)量和施工進(jìn)度，計(jì)算儲(chǔ)備材料數(shù)量，設(shè)計(jì)庫(kù)房大小，做好防雨防潮。

3.1.4 制備漿液

詳見制漿流程圖2。

圖2 制漿流程

3.2 施工工藝

3.2.1 計(jì)算單孔注漿量

Q=A·π·R2·m·ΔV·K·η/C

式中：Q為單孔注漿量(m3)；A為單孔注漿量漿液損耗系數(shù)，取值1.0～2.0之間；R為漿液有效擴(kuò)散半徑，按孔距的一半計(jì)算(m)；m為采空區(qū)煤層厚度(m)；ΔV為采空區(qū)剩余空隙率，取值在0.2～1.0之間。K為煤層采取率。η為注漿充填系數(shù)，取值在0.75～0.95之間。C為漿液結(jié)石率，取值在0.7～0.95之間。

3.2.2 成孔

(1)使用φ146 mm鉆頭開孔，鉆至穩(wěn)定基巖3～5 m處，變徑為89 mm，繼續(xù)鉆至塌陷冒落帶或采空區(qū)頂板終孔，用鉆桿測(cè)量掉鉆深度，用以推測(cè)采空區(qū)高度，驗(yàn)證調(diào)整設(shè)計(jì)。

(2)在鉆進(jìn)過程中，第四系松散層采用泥漿護(hù)壁；基巖中應(yīng)采用清水鉆進(jìn)。

(3)鉆孔施工過程中，如發(fā)現(xiàn)漏水、掉鉆、埋鉆等現(xiàn)象要詳細(xì)記錄其深度、層位和耗水量。

3.2.3 澆注孔口管

注漿投砂管采用φ76PVC管(鋼管)，下端2 m處接φ130 mm法蘭盤，下至孔內(nèi)變徑處，放入少量黃土后灌入水灰比為1∶1.5的水泥砂漿(加2 %速凝劑)，澆鑄長(zhǎng)度為8 m。

3.2.4 注漿投砂工藝

(1)連通管路。在孔口連接兩通(連接投砂器和注漿管)。試驗(yàn)證明將注漿管口位適當(dāng)下移，培土成土漏斗，既方便又能大大加快投砂速度。

(2)先稀后濃法注漿。①采用先稀后濃法注漿。稀漿灌注量取單孔注漿量的30 %，但平均水固比不宜低于設(shè)計(jì)最小水固比。當(dāng)灌注量達(dá)到30 %左右時(shí)，孔口若無壓力，則改用濃漿灌注；當(dāng)注漿量達(dá)到60 %時(shí)，孔口仍無壓力，采用間隙注漿或在漿液中加入水泥重量2 %的速凝劑。②帷幕孔施工時(shí)，在漿液中加入水泥重量2 %的速凝劑，加速凝固，若仍不起壓，可加入適當(dāng)?shù)纳盎蚣哟笏倌齽┑挠昧俊＂墼谧{的末期，采用加壓注漿，僅注漿液。

(3)投砂工藝。①投砂方式：采用裝載機(jī)運(yùn)輸，人工配合投砂，以漿液帶砂的方法投入到采空區(qū)。②投砂量的控制：根據(jù)設(shè)計(jì)投砂量和漿液流量計(jì)算單位時(shí)間的投砂量，漿液流量決定投砂的速度，單位時(shí)間的投砂量控制總的投砂量。③用裝載機(jī)將砂堆積在土漏斗上方，高度以方便人工操作為宜，因采空區(qū)大且氣體流通，加之漿液的下墜，幾乎沒有發(fā)生堵管。④隨著漿液濃度的增加，逐漸減少投砂量，孔口起壓后，停止投砂。

3.2.5 封孔

用鉆機(jī)拔起注漿管，對(duì)于埋深較深的孔，用價(jià)格便宜的PVC注漿管較為經(jīng)濟(jì)。用水泥砂漿封孔，防止雨水及地表水和采空區(qū)上伏含水層滲入采空區(qū)。

3.2.6 工后注漿質(zhì)量檢測(cè)

工后質(zhì)量檢測(cè)采用為鉆探和物探結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)法。

4 質(zhì)量控制措施

(1)定時(shí)觀測(cè)泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，收集原始數(shù)據(jù)。

(2)個(gè)別鉆孔尤其是帷幕孔如果長(zhǎng)時(shí)間不起壓，可加大投砂量或速凝劑的用量。若仍然不起壓，應(yīng)停止注漿，分析是否有漏漿等原因，采取間歇注漿等相應(yīng)的措施。

(3)為防止堵孔，應(yīng)避免在短時(shí)間投入大量的砂，投砂量應(yīng)控制在設(shè)計(jì)規(guī)定值內(nèi)。

(4)當(dāng)注漿量較大采用間歇式注漿法施工時(shí)，間歇前后需用清水沖洗孔10～15 min。

(5)注漿中后期，個(gè)別鉆孔會(huì)出現(xiàn)吃漿量減少，壓力上升較快的情況，應(yīng)減少或停止投砂，可采取稀漿小泵量長(zhǎng)時(shí)間注漿，以確保漿液均勻壓入。

(6)為確保帷幕孔止?jié){效果，帷幕孔的注漿量可根據(jù)具體的孔內(nèi)情況進(jìn)行調(diào)整。對(duì)第一序次鉆孔，其注漿量根據(jù)鉆孔資料，按理論計(jì)算量的1.3～1.5倍考慮。

(7)注漿投砂過程中若出現(xiàn)地表裂隙大量跑漿，相鄰鉆孔串漿時(shí)，應(yīng)立即采取間歇式注漿、多孔交替注漿或多泵同時(shí)注漿工藝。

采用此工藝施工，在榆神高速公路采空區(qū)的治理中取得了良好效果，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，證明了該工藝是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、適用、高效的采空區(qū)治理施工方法。

[1] 童立元，劉松玉，邱鈺.高速公路下伏采空區(qū)危害性評(píng)價(jià)與處治技術(shù)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2006

[2] 國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2000

[3] 李俊平，肖旭峰，馮長(zhǎng)根.采空區(qū)處理方法研究進(jìn)展[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012,(3)

[4] 河南高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司，河南省地球物理工程勘察院.高速公路下伏采空區(qū)治理工程——勘察設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、招投標(biāo)[M].北京：人民交通出版社，2008