一種采空區(qū)處理充填灌漿的施工方法
【專利摘要】一種采空區(qū)處理充填灌漿的施工方法，該方法包括以下步驟：1）鉆孔前施工準備；2）在采空區(qū)處理范圍內(nèi)，布置充填灌漿孔，測量采空區(qū)的放樣鉆孔孔位；3）對采空區(qū)的覆蓋層及基巖段鉆進；4）對采空區(qū)的鉆孔進行沖洗；5）通過鉆孔對采空區(qū)內(nèi)部進行灌漿處理：灌漿采用水固比為0.8:1或1:1的高摻粉煤灰的水泥粉煤灰漿液，其中水泥：粉煤灰的重量比為0.15：0.85；6）灌漿質(zhì)量檢查。本發(fā)明提供的一種采空區(qū)處理充填灌漿的施工方法，采用鉆孔注漿方法有效解決了采空區(qū)的工程地質(zhì)問題，以阻止上覆巖體的進一步冒落，防止地面沉降或塌陷，保證穿過采空區(qū)建筑物的運行安全。
【專利說明】一種采空區(qū)處理充填灌漿的施工方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采空區(qū)處理充填灌漿的施工方法，屬于水利工程和相應工程的基礎處理和地質(zhì)災害治理領域。
【背景技術】
[0002]隨著國家基礎建設的大力發(fā)展，工程選址和地質(zhì)條件越來越復雜，而大量的礦產(chǎn)開采使得地下采空區(qū)面積越來越大。而由于采空區(qū)塌陷引起的一系列環(huán)境巖土工程地質(zhì)問題，如地面下沉、道路開裂、耕地減少等，往往嚴重影響人民的正常生活，造成重大經(jīng)濟損失。
[0003]國內(nèi)外在采空區(qū)上修建工程，尤其是水利工程的經(jīng)驗很少，無成熟的施工經(jīng)驗，且沒有相關的規(guī)程規(guī)范和技術標準可參考。南水北調(diào)中線工程為大型水利工程，工程在安全方面要求高，進行工程選址時，南水北調(diào)中線工程河南省禹州段無法避開采空區(qū)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種采空區(qū)處理充填灌漿的施工方法，采用鉆孔注漿方法有效解決了采空區(qū)的工程地質(zhì)問題，以阻止上覆巖體的進一步冒落，防止地面沉降或塌陷，保證穿過采空區(qū)建筑物的運行安全。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是:一種采空區(qū)處理充填灌漿的施工方法，該方法包括以下步驟:
1)鉆孔前施工準備；
2)在采空區(qū)處理范圍內(nèi)，布置充填灌漿孔，測量采空區(qū)的放樣鉆孔孔位；
3)對采空區(qū)的覆蓋層及基巖段進行鉆孔；
4)對采空區(qū)的鉆孔進行沖洗；
5)通過鉆孔對采空區(qū)內(nèi)部進行灌漿處理:灌漿采用水固比為0.8:1或1:1的高摻粉煤灰的水泥粉煤灰漿液，其中水泥:粉煤灰的重量比為0.15:0.85 ；
6)灌漿質(zhì)量檢查。
[0006]步驟3)中，針對煤系地層采空區(qū)覆巖的不同巖性特征，分別采用合金鉆頭、金剛石薄壁鉆頭、全斷面合金或金剛石鉆頭，并采用膨潤土泥漿作為循環(huán)液護壁。
[0007]步驟5)中，采用地面制漿站來制配水泥粉煤灰漿液，，采用壓力注漿法進行灌漿。
[0008]灌漿前的灌漿阻塞方式用“孔口封閉法”和“似法蘭盤法”。
[0009]本發(fā)明提供的一種采空區(qū)處理充填灌漿的施工方法，有益效果如下:
1、在采空區(qū)處理范圍內(nèi)，布置充填灌漿孔，通過壓力注漿法向巖層的空隙和采空區(qū)斷裂帶、冒落帶和采空部分注入具有較好充填性能和膠結性能的漿液材料，漿液硬化后形成具有一定強度的支撐體，對采空區(qū)上覆巖體形成支撐作用，以阻止上覆巖體的進一步冒落，防止地面沉降或塌陷，保證穿過采空區(qū)建筑物(構筑物)的運行安全；采用鉆孔注漿方法有效解決了采空區(qū)的工程地質(zhì)問題，以阻止上覆巖體的進一步冒落，防止地面沉降或塌陷，保證穿過采空區(qū)建筑物的運行安全。
[0010]2、針對采空區(qū)覆巖(壤土層、卵石層、基巖段等)不同的巖性特點，分別采用合金鉆頭、金剛石薄壁鉆頭、全斷面合金或金剛石鉆頭，并輔以膨潤土泥漿作為循環(huán)護壁液，有效地解決了采空區(qū)煤系地層快速高效成孔的問題。
[0011]3、充填灌漿采用高摻粉煤灰的水泥粉煤灰漿液，粉煤灰摻量高達85%，不僅降低了原材料成本，又較好地解決了采空區(qū)上覆巖體的沉陷穩(wěn)定問題。
[0012]4、根據(jù)采空區(qū)充填灌漿量大的特點，采用了制漿效率較高的地面制漿站來制配水泥粉煤灰漿液，滿足了充填灌漿連續(xù)性的要求，提高了充填灌漿施工工效，并且確保了充填灌漿的施工質(zhì)量。
[0013]5、灌漿前的灌漿阻塞方式操作簡便易行:鉆孔護壁套管兼起孔口管的作用，直接連接孔口封閉裝置即可進行灌漿，操作簡便易行，并從一定程度上節(jié)省了材料和工藝成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明:
圖1為本發(fā)明的施工工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0015]一種采空區(qū)處理充填灌漿的施工方法，該方法由以下步驟組成:
I)鉆孔前施工準備，準備工作如下:
1-1)搭建施工平臺:采用槽鋼或工字鋼焊接形成支撐面較大的施工平臺，并與 鉆機的機架整體螺栓連接，以確保高桅桿作業(yè)時的施工穩(wěn)定性要求。
[0016]1-2)鉆孔設備配置:煤礦采空區(qū)的埋深一般較大，且地層復雜，故鉆孔一般選 用動力IlKW以上、扭矩不小于lllON.m的回轉(zhuǎn)或潛孔鉆機。
[0017]1-3)鉆孔器具配置:針對采空區(qū)覆巖(壤土層、卵石層、基巖段等)的不同巖 性特點，宜分別配置合金鉆頭、金剛石薄壁鉆頭、全斷面合金或金剛石鉆頭若干；鉆桿
按實際鉆孔需要選用Φ42ι?πι、Φ 50mm等不同規(guī)格,采用鎖絲接頭。
[0018]1-4)灌漿設備配置:采空區(qū)注漿量大、且連續(xù)注漿時間一般較長。因此，要求
灌漿泵的低檔理論排量不小于80L/min且具備多級調(diào)速功能，實際施工中多選用BW250/50型灌漿泵作為主力機型。
[0019]1-5)制供漿系統(tǒng):由于采空區(qū)供漿需求量較大，制漿設備采用帶自動控制系統(tǒng)
的大型地面制漿站統(tǒng)一制配，通過中轉(zhuǎn)站輸送至各施工作業(yè)面；考慮高摻粉煤灰水泥漿液的流動性差、沉淀較快、易堵管的特點，漿液水灰比(重量比)一般不宜濃于0.6:1。
[0020]2)在采空區(qū)處理范圍內(nèi)，布置充填灌漿孔，測量采空區(qū)的放樣鉆孔孔位。
[0021]3)對采空區(qū)的覆蓋層及基巖段進行鉆孔，步驟如下:
3-1)鉆孔施工順序:先鉆要處理的采空區(qū)域的周邊孔，然后逐漸向中部推進，
同時在序孔上分兩序進行，先鉆I序孔，再鉆II序孔；
3-2)鉆孔定位:鉆孔孔位按照設計布孔原則，采用全站儀或GPS，結合使用鋼 尺放樣即可；
3-3)鉆孔孔排距:根據(jù)生產(chǎn)性試驗情況，檢測漿液擴散范圍，確定充填灌漿鉆 孔最優(yōu)孔排距，一般選用18?22m，最大孔距不超過30m。
[0022]3-4)鉆孔孔深:達到設計孔深要求，具體以鉆孔過程中出現(xiàn)明顯的掉鉆現(xiàn)象后， 繼續(xù)鉆進至穿過煤層底板I?1.5m，以確保受灌段充分揭露。
[0023]3-5)鉆孔孔徑:開孔孔徑宜大于終孔孔徑兩個級差，常采用Φ 110?130mm，鉆 至深入基巖5m后，變徑為Φ 76?91mm繼續(xù)鉆進，直至達到終孔深度。
[0024]3-6)鉆孔孔斜:由于充填灌漿孔的間排距一般較大，且鉆孔以鉆穿采空區(qū)為準， 鉆孔孔斜控制要求不高，但應在鉆孔開孔前或重新就位后嚴格校正鉆機立軸角度，保
證鉆孔的垂直度要求。
[0025]3-7)護壁套管埋設:鉆孔開孔至深入基巖5m后，埋入Φ 108?127mm的護壁套 管(可兼作灌漿管)，定量注入0.5:1的純水泥漿液嵌固管腳，嵌固長度不得超過該基巖
段長。為加快灌漿段的鉆孔施工進度，可加入水泥重量1%?3%的速凝劑，加速套管嵌固水泥漿液的凝固。
[0026]3-8)鉆進方法:采空區(qū)鉆孔自上而下一般穿過壤土層、卵石層、基巖段(包括 彎曲帶、裂隙帶、冒落帶)，針對不同的地層特點，鉆進方法可采用以下幾種方式進行:
①壤土層鉆進采用合金鉆頭，如三頁鉆，以膨潤土泥漿作為循環(huán)液護壁，中低 轉(zhuǎn)速鉆進；
②卵石層鉆進采用金剛石薄壁鉆頭，以膨潤土泥漿作為循環(huán)液護壁，低轉(zhuǎn)速鉆 進;
③基巖段一般采用全斷面鉆頭、長鉆桿、中高速鉆進，采用清水作為循環(huán)液，
中途不用提鉆取芯，減少了鉆進過程中的加鉆桿次數(shù)，可大大提高鉆進效率；遇強度較高的石英砂巖地層時，應提鉆換用金剛石薄壁鉆頭鉆進。
[0027]4)對采空區(qū)的鉆孔進行沖洗:
壤土層、卵石層的鉆渣，通過膨潤土泥漿的懸浮作用帶出孔外，進入泥漿回漿池中沉淀排出；基巖段采用全斷面鉆頭鉆進，鉆孔過程中可加大清水沖洗液的流量，將巖粉沖出孔外；鉆孔終孔后，不提鉆繼續(xù)用壓力清水沖洗不少于lOmin，將巖石裂隙、空隙中的充填物帶走，以使注漿時漿液擴散范圍加大。
[0028]5)灌漿前的灌漿阻塞:
灌漿阻塞方式可采用“孔口封閉法”和“似法蘭盤法”兩種:
5-1)灌漿前，將機械式阻塞器阻塞在護壁套管內(nèi)，或采用孔口封閉器與護壁套 管直接連接。采用這一阻塞方式，簡便易行，但長時間灌漿后套管不易起拔。
[0029]5-2)鉆孔結束后，起拔護壁套管，將一端帶有法蘭托盤的注漿管下入孔內(nèi)變徑處，注漿底管用反向絲扣連接，以便注漿結束后，使上部注漿管能夠正轉(zhuǎn)提出，重復使用；然后向孔壁和注漿管間定量注入水灰比為0.5:1的濃水泥漿液，將注漿管與孔壁嵌固，嵌固高度亦不超過該段的基巖長度。
[0030]6)通過鉆孔對采空區(qū)內(nèi)部進行灌漿處理:
6-1)總的施工順序:
灌漿孔按采空區(qū)的傾斜方向，先施工采空區(qū)底板標高較低位置的灌漿孔及構造物部位的灌漿孔，再沿傾斜方向由低向高、由邊部向中心展開施工。同時在序孔上分兩序進行，先灌I序孔，再灌II序孔，以形成“圍、擠、壓”的充填灌漿效果。[0031]6-2)灌漿材料:
充填灌漿采用水固比為0.8:1或1:1的高摻粉煤灰的水泥粉煤灰漿液(水泥:粉煤灰=0.15:0.85)。其中水泥采用P.042.5級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用II級粉煤灰。一般0.60多。
[0032]6-3)灌漿管路布置:
回漿管路不宜安裝在灌漿泵出口處，應加長管路至孔口回漿，防止長時間灌注時，
堵塞進漿管路，造成不必要的麻煩；同時，應在孔口回漿管前安裝一個止回閥，以控制在灌漿初始階段無壓狀態(tài)時，防止?jié){液回流而堵塞回漿管路。
[0033]6-4)灌漿方法
充填灌漿采用“純壓式、連續(xù)注漿法”，當灌漿量大或采空區(qū)裂隙、空隙較大時，
在孔口加漏斗狀的投砂器，用漿液將砂或礦渣帶入孔內(nèi)。
[0034]6-5)灌漿段長:灌漿段長為變徑后至終孔的那段長度，即深入基巖5m后至鉆孔 終孔的那段長度。
[0035]6-6)灌漿壓力控制:充填灌漿的灌漿流量與灌漿壓力呈負相關關系，即灌漿過 程中灌漿基本以自流(壓力為OMPa)狀態(tài)灌注，而最后5?30min灌漿流量驟降至IOL/
min以下,灌衆(zhòng)壓力從OMPa升至1.0?1.5MPa。
[0036]因此，灌漿壓力控制應派專人進行監(jiān)控，當壓力超過0.3MPa時，提醒施工人員 立即將止回閥打開，防止爆管現(xiàn)象的發(fā)生。另一方面，在前階段的無壓灌注狀態(tài)中，為
避免漿液將回漿管路堵塞，灌漿過程中應關閉止回閥。
[0037]6-7)灌漿結束標準:考慮灌漿結束階段歷時較短，嚴格的結束標準并非難以達
至IJ。因此，可采用當孔口壓力在規(guī)定的壓力值(1.0MPa)，泵量小于10L/min，穩(wěn)定10?15min,即可結束該孔的充填灌衆(zhòng)施工。
[0038]6-8)灌漿記錄:以采用灌漿自動記錄儀記錄為主，考慮充填灌漿歷時較長，在施工現(xiàn)場復雜惡劣的環(huán)境條件下，記錄儀長時間運行，不可避免地會發(fā)生信號中斷、打印輸出不完整等故障，此時，應立即采用手工記錄灌漿過程。
[0039]7)灌漿質(zhì)量檢查:
7-1)檢查方式:在相應單元工程注漿施工結束7天后進行充填灌漿質(zhì)量檢查，檢查方式以地質(zhì)CT鉆孔掃描和壓漿檢查為主，同時結合鉆孔取芯和灌漿資料成果分析為輔，綜合判斷灌漿效果。
[0040]7-2)檢查孔布置:每40?50個孔劃分為一個單元,每個單元設置兩個檢查孔,相鄰兩孔間距宜控制在CT掃描儀的檢測精度范圍內(nèi)，一般為25?30m ；
7-3)壓漿檢查:采用水固比0.8:1或1:1的水泥粉煤灰漿液連續(xù)注漿，結束標準同充填灌漿要求。壓漿結束后，以檢查孔單孔注入干灰耗量進行兩類比較，一是小于該單元平均單孔干灰耗量的25%，則認為注漿效果較好，二是以檢查孔單孔干灰耗量進行控制(根據(jù)灌漿資料確定)，若小于此值，則認為注漿效果較好，檢查孔壓漿滿足上述任意一個標準，則認為單元工程注漿質(zhì)量合格。
[0041]7-4)考慮煤礦采空區(qū)覆巖破壞形式一般為“三帶型”，充填灌漿處理范圍主要為采空部分、冒落帶和斷裂帶。因此，檢查孔取芯只對終孔深度以上50m范圍的采空區(qū)段取芯，巖芯采取率不小于設計技術要求的規(guī)定。[0042]7-5)對于質(zhì)量檢查不合格的單元，根據(jù)地質(zhì)CT掃描、壓漿檢查、灌漿成果資料綜合分析，由監(jiān)理或設計單位確定是否需要補灌或補充檢查。
[0043]8)特殊情況處理:
8-1)鉆孔卡鉆、埋鉆現(xiàn)象
煤系地層以軟質(zhì)泥巖為主，砂巖多為泥質(zhì)膠結，采用全斷面鉆進的施工方法，會有大量巖粉產(chǎn)生，極易發(fā)生“埋鉆”現(xiàn)象；“三帶”分布明顯，裂隙發(fā)育，掉塊現(xiàn)象時有發(fā)生，卡鉆現(xiàn)象頻次也會比較高。
[0044]出現(xiàn)這種情況時，重點在于事前預防:一是采用扭矩較大的回轉(zhuǎn)鉆機，可有效避免卡鉆、埋鉆現(xiàn)象的發(fā)生；二是鉆進過程中加大沖洗液量和沖洗壓力，以及時將巖粉沖出孔外；三是護壁套管的管徑應大于終孔孔徑兩個級差，便于出現(xiàn)孔內(nèi)事故時的套取處理。
[0045]8-2)地表冒漿現(xiàn)象
開灌時，出現(xiàn)地表冒漿現(xiàn)象，應立即沖洗鉆孔，保證灌注通道暢通，然后重新進行止?jié){處理；對于灌注時間較長，或升壓階段出現(xiàn)的地表冒漿現(xiàn)象，應立即降壓灌注，沿漏漿點采取“土袋或沙袋壓重”止?jié){措施，；壓重止?jié){仍然無效時，待漏漿點出濃漿后待凝不少于8h，再掃孔復灌。
[0046]8-3)串孔現(xiàn)象
在采空區(qū)注漿過程中，一個孔灌注時，有時會在周圍臨近孔，甚至隔一孔，出現(xiàn)孔內(nèi)“串漿”現(xiàn)象。出現(xiàn)這一現(xiàn)象時，待被串通孔出濃漿后，采取兩孔或多孔同時灌注。
[0047]8-4)不吸漿現(xiàn)象
采空區(qū)灌漿過程中，部分鉆孔鉆到煤礦預留的煤柱，與煤礦采空區(qū)不貫通；部分鉆到煤礦采空區(qū)塌陷部位，且塌陷情況比較嚴重，與相鄰部位的貫通性較差，出現(xiàn)了個別孔不吃漿的現(xiàn)象。針對這一現(xiàn)象，可采取將灌漿壓力適當加大，將塌陷部位的薄弱面擊穿而增強可灌性；不能壓力擊穿時，需關注周邊孔的灌注情況，采取適當措施確保周邊孔的灌漿連續(xù)性，以增大其擴散范圍。
【權利要求】
1.一種采空區(qū)處理充填灌漿的施工方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 1)鉆孔前施工準備； 2)在采空區(qū)處理范圍內(nèi)，布置充填灌漿孔，測量采空區(qū)的放樣鉆孔孔位； 3)對采空區(qū)的覆蓋層及基巖段進行鉆孔； 4)對采空區(qū)的鉆孔進行沖洗； 5)通過鉆孔對采空區(qū)內(nèi)部進行灌漿處理:灌漿采用水固比為0.8:1或1:1的高摻粉煤灰的水泥粉煤灰漿液，其中水泥:粉煤灰的重量比為0.15:0.85 ； 6)灌漿質(zhì)量檢查。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種采空區(qū)處理充填灌漿的施工方法，其特征在于:步驟3)中，針對煤系地層采空區(qū)覆巖的不同巖性特征，分別采用合金鉆頭、金剛石薄壁鉆頭、全斷面合金或金剛石鉆頭，并采用膨潤土泥漿作為循環(huán)液護壁。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種采空區(qū)處理充填灌漿的施工方法，其特征在于:步驟5)中，采用地面制漿站來制配水泥粉煤灰漿液，采用壓力注漿法進行灌漿。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種采空區(qū)處理充填灌漿的施工方法，其特征在于:灌漿前的灌漿阻塞方式用“孔口封閉法”和“似法蘭盤法”。
【文檔編號】E21F15/08GK103628912SQ201310537073
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權日:2013年11月4日
【發(fā)明者】朱品安, 周兵, 石艷軍, 茍永平, 童耀, 張棟 申請人:葛洲壩集團基礎工程有限公司