本發(fā)明屬于采空區(qū)治理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋼管柱處理采空區(qū)工法。

背景技術(shù)：

采空區(qū)是指將地下資源采出后地下形成的開采空間，當(dāng)?shù)叵沦Y源采出后，空洞周圍原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，引起應(yīng)力重分布，采空區(qū)其上覆巖體會(huì)逐漸失穩(wěn)而產(chǎn)生位移、開裂、破壞垮落，根據(jù)其上覆巖體變形和破壞程度將其大致分為“垮落帶”、“斷裂帶”、“彎曲帶”，隨著地下巖體向上的變形發(fā)展，當(dāng)波及至地表時(shí)，地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形，根據(jù)地表移動(dòng)變形的速率將其分為“初始期”、“活躍期”、“衰退期”、“殘余變形期”。當(dāng)在采空區(qū)上進(jìn)行建筑活動(dòng)時(shí)，在其上的建構(gòu)筑物必然會(huì)受到采空區(qū)變形的影響，在進(jìn)行工程建設(shè)前必須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)建構(gòu)筑的重要程度和建設(shè)場(chǎng)地的復(fù)雜程度確定治理措施進(jìn)行處理。

針對(duì)于減小采空地面變形的處理方法，目前主要有井下處理（地面以下）和井上處理（地面以上）。受開采成本制約，國(guó)內(nèi)礦區(qū)開采大多采用全陷法進(jìn)行開采，即不對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理，在其上進(jìn)行建設(shè)活動(dòng)時(shí)往往需要進(jìn)行井上處理方式，目前對(duì)采空區(qū)的地面處理方法主要有注漿法、開挖回填法、強(qiáng)夯法、跨越法、穿越法等。開挖回填法、強(qiáng)夯法、穿越法主要適用于埋深較淺的采空區(qū)；跨越法主要使用于處理巷道、井筒等范圍較小的區(qū)域；注漿法應(yīng)用范圍較廣，通過調(diào)整漿液配比及注漿工藝能適用于絕大多數(shù)采空區(qū)，在處理過程中需將影響其上部建構(gòu)筑建設(shè)的所有采空范圍進(jìn)行充填，充填量大；當(dāng)采空區(qū)內(nèi)空洞較大時(shí)，漿液不宜凝固成型；當(dāng)采空區(qū)內(nèi)富水時(shí)，漿液不宜凝固當(dāng)為動(dòng)水環(huán)境時(shí)，漿液擴(kuò)散面積增大會(huì)大大增大施工成本和注漿效果；當(dāng)采空區(qū)位于水源地附近時(shí)，注漿材料會(huì)隨著地下水的流動(dòng)對(duì)地下水質(zhì)造成較大影響。

針對(duì)于注漿處理采空區(qū)過程中，施工工程量大、工期長(zhǎng)、漿液結(jié)實(shí)率低、對(duì)地下環(huán)境有一定影響等缺點(diǎn)。也有采取鋼管樁穿越采空區(qū)，在鋼管內(nèi)充填混凝土的治理方法，其治理思想相當(dāng)于微型樁穿越之采空區(qū)至底板一定深度，將上部荷載通過樁體傳至樁體側(cè)壁及樁端以達(dá)到減小采空區(qū)影響的目的，但隨著采空區(qū)深度的增大，鋼管樁周圍巖土體加至鋼管樁的下拉荷載會(huì)大大增加，樁體的穩(wěn)定性和承載能力會(huì)大大降低，且會(huì)增加施工成本和難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提出了一種鋼管柱處理采空區(qū)工法，通過采用將鋼管柱下至采空區(qū)區(qū)域，在鋼管柱內(nèi)澆筑混凝土使其與周圍巖體成為一個(gè)錨塞體，從而在采空區(qū)內(nèi)形成承載短柱，達(dá)到阻止、降低采空區(qū)繼續(xù)變形滿足上部建筑物變形的目的。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案：一種鋼管柱處理采空區(qū)工法，該工法包含以下步驟：

步驟1：結(jié)合擬建場(chǎng)地采空區(qū)分布特征、周邊環(huán)境條件及建筑物特點(diǎn)，設(shè)計(jì)鉆孔的平面布置及深度；

步驟2：根據(jù)鉆孔深度以及巖土體強(qiáng)度自孔口至孔底將鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1~2次變徑，即自上而下鉆孔孔徑逐漸減小1~2級(jí)；

步驟3：在土層、風(fēng)化巖內(nèi)采用大孔徑鉆至基巖面以下一定深度后下入保護(hù)管，防止孔壁坍塌；

步驟4：縮小鉆孔直徑繼續(xù)鉆孔穿過采空區(qū)至采空區(qū)底板1~2米；

步驟5：根據(jù)采空區(qū)資料以及孔壁的完整程度，下入無縫鋼管至孔底，所述的無縫鋼管長(zhǎng)度超過采空區(qū)頂板不少于2米；

步驟6：無縫鋼管下至孔底后，將混凝土澆筑導(dǎo)管下至無縫鋼管底部向孔內(nèi)灌注細(xì)石混凝土填灌注至無縫鋼管頂部3~5米，形成錨塞體；

步驟7：待無縫鋼管內(nèi)混凝土初凝后，向孔內(nèi)灌注砂漿進(jìn)行封孔。

優(yōu)選的，所述的步驟4中還包括下入鉆井成像儀器觀測(cè)孔內(nèi)壁完整程度。

優(yōu)選的，所述的步驟4中觀測(cè)孔壁完整程度的方法為：下入超聲波探頭，向孔壁周圍360度空間范圍發(fā)射和接收超聲信號(hào)，掃描整個(gè)鉆孔周圍0.5米范圍內(nèi)圍巖的地質(zhì)情況，通過分析超聲波的速度、振幅、頻率對(duì)鉆孔孔壁的完整度進(jìn)行分析。

優(yōu)選的，所述的無縫鋼管上部?jī)?nèi)側(cè)開有螺紋，通過接頭與鉆桿相連，即接頭的一端與無縫鋼管相連，一端與鉆桿相連，接頭兩端的螺紋方向相反，即：與無縫鋼管連接的螺紋為“反絲”，與鉆桿相連接的螺紋為“正絲”。

在地面將無縫鋼管、接頭、鉆桿相接，下入孔內(nèi)，待無縫鋼管穿過采空區(qū)下至孔底后，通過鉆機(jī)向下加壓同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿，此時(shí)，鉆桿與接頭相連的“絲扣”逐漸變緊，而無縫鋼管與接頭相連的“絲扣”逐漸變松直至脫扣，此時(shí)，接頭與無縫鋼管脫開，無縫鋼管即下入預(yù)定位置，上提鉆具即可進(jìn)入向無縫鋼管內(nèi)灌注混凝土的工序。

優(yōu)選的，所述的步驟5中，下入無縫鋼管前，將硝銨炸藥放入采空區(qū)頂板3~5米，通過爆破擴(kuò)大孔徑，從而增大步驟6中錨塞體的體積。

本發(fā)明的有益效果：1、針對(duì)于水源地采空區(qū)處理時(shí)，采用在鋼管內(nèi)澆筑混凝土不改變?cè)兴臈l件，將對(duì)地下水的擾動(dòng)和污染降至最小。

2、支撐于采空區(qū)頂?shù)装彘g的鋼管柱錨塞體解決了鋼管樁穿越采空區(qū)所遇到的長(zhǎng)樁壓曲穩(wěn)定性和作用于樁側(cè)的負(fù)摩阻力問題，鋼管柱錨塞體受力更合理，穩(wěn)定性更高。

3、較常規(guī)注漿治理，大大減小了采空區(qū)的治理面積，減小了材料用量、節(jié)約了成本，施工效率大大提高。

4、當(dāng)采空區(qū)底板傾斜度較大、采空區(qū)空洞高度較大、采空區(qū)飽水、采空區(qū)處于動(dòng)水環(huán)境中時(shí)，采用常規(guī)的注漿治理會(huì)存在注漿量增大、漿液結(jié)石率低等缺點(diǎn)，采用鋼管柱工法進(jìn)行治理時(shí)由于外側(cè)有鋼管的束縛，不會(huì)增大施工工程量，同時(shí)能保證較好的治理效果，該工法的適應(yīng)范圍更廣。

5、鋼管頂部插入采空區(qū)頂板，注漿時(shí)溢出的漿料可以填充裂隙，改善采空區(qū)頂板地質(zhì)環(huán)境。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1，施工完成的鋼管柱示意圖；

圖2是本發(fā)明治理水源地采空區(qū)的鋼管柱示意圖；

圖3是本發(fā)明治理傾斜采空區(qū)的鋼管柱示意圖；

圖4是實(shí)施例1中鉆孔平面布置圖局部示意圖；

圖中，1、土層，2、風(fēng)化巖、3、巖層，4、采空區(qū)頂板，5、采空區(qū)，6、采空區(qū)底板，7、土層套管，8、混凝土澆筑導(dǎo)管，9、無縫鋼管，10、裂隙，11、混凝土，12、砂漿，13、水位線。

具體實(shí)施方式

為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)細(xì)節(jié)，現(xiàn)結(jié)合附圖和具體施工案例進(jìn)行說明。

步驟1，結(jié)合擬建場(chǎng)地采空區(qū)分布特征、周邊環(huán)境條件及建筑物特點(diǎn)，設(shè)計(jì)鉆孔的平面布置及深度；

根據(jù)《煤礦采空區(qū)建（構(gòu)）筑物地基處理技術(shù)規(guī)范》、《采空區(qū)（空洞）勘察設(shè)計(jì)和施工治理手冊(cè)》等規(guī)范規(guī)程的有關(guān)要求，結(jié)合采空區(qū)空洞大小、上覆巖土體的裂隙發(fā)育情況以及擬建建構(gòu)筑物立面平面布置形式、荷載大小、基礎(chǔ)形式等因素，綜合確定鉆孔平面布置，孔深根據(jù)前期資料收集、勘察評(píng)價(jià)等資料所揭露的煤層深度確定。該步驟為施工前的常規(guī)判斷手段，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，可根據(jù)規(guī)范規(guī)程要求確定如何實(shí)施。

步驟2、3：根據(jù)鉆孔深度以及巖土體強(qiáng)度自孔口至孔底將鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1~2次變徑，即自上而下鉆孔孔徑逐漸減小1~2級(jí)，在土層1、風(fēng)化巖2內(nèi)采用大孔徑鉆至基巖面以下后下入保護(hù)管（土層套管7），防止孔壁坍塌。鉆孔孔徑大小主要根據(jù)孔深、巖土層破碎程度，鋼管柱直徑大小等因素，針對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常在土層1與巖層3之間設(shè)置一次變徑，同時(shí)下入保護(hù)管（土層套管7）。該層位鉆孔變徑的主要原因是，土層1與巖層3物理力學(xué)性質(zhì)差別較大，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，巖體破碎，且地下水通常滯留于土層1與巖層3之間，加大了該界面的不穩(wěn)定性，加之孔內(nèi)鉆具對(duì)孔壁的碰撞擾動(dòng)，該區(qū)域極易發(fā)生掉塊塌孔，因此，鉆孔深度通過巖土層交界面且達(dá)到穩(wěn)定巖層后，下入與鉆孔孔徑一樣大小的保護(hù)管（土層套管7）至完整巖石后，將鉆孔孔徑縮小一級(jí)向下繼續(xù)鉆進(jìn)。在鉆進(jìn)過程中，如若遇到極破碎巖層（如穿多層采空區(qū)域），成孔困難時(shí)，可滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上可按上述方法，再下入一層保護(hù)管（土層套管7），縮小孔徑，以達(dá)到通過破碎巖層的目的?？讖揭?guī)格按dcdma標(biāo)準(zhǔn)，φ108、φ127、φ146、φ168等，也可為市場(chǎng)上通用的標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)管材。

步驟4：縮小鉆孔直徑繼續(xù)鉆孔穿過采空區(qū)至底板1~2米后，觀測(cè)孔內(nèi)孔壁完整程度；具體工法為：下入超聲波探頭，向孔壁周圍360度空間范圍發(fā)射和接收超聲信號(hào)，掃描整個(gè)鉆孔周圍0.5米范圍內(nèi)圍巖的地質(zhì)情況，通過分析超聲波的速度、振幅、頻率對(duì)鉆孔孔壁的完整度進(jìn)行分析。觀測(cè)孔內(nèi)壁完整程度的目的有兩個(gè)：

（1）通過觀測(cè)采空區(qū)位置及其周圍裂隙發(fā)育程度，以指導(dǎo)施工和對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行把控（通過觀測(cè)采空區(qū)空洞大小以獲得下入無縫鋼管的長(zhǎng)度以及孔內(nèi)填筑混凝土超過鋼管柱頂面的高度等參數(shù)信息）。

（2）在鉆孔過程中若出現(xiàn)孔壁坍塌，鉆進(jìn)困難時(shí)，可下入成像儀觀測(cè)孔壁裂隙發(fā)育情況，以查明鉆井困難原因，同時(shí)根據(jù)裂隙大小，長(zhǎng)度等信息，調(diào)配砂漿、混凝土，將其注入孔內(nèi)，待其凝固后，在原孔位繼續(xù)鉆進(jìn)至采空區(qū)底板6（孔壁經(jīng)砂漿、混凝土加固后，利于施工的繼續(xù)，同時(shí)有利于無縫鋼管9下入至設(shè)計(jì)層位）。

步驟5、6：根據(jù)采空區(qū)資料以及孔壁的完整程度，下入無縫鋼管9至孔底，所述的無縫鋼管9長(zhǎng)度超過采空區(qū)頂板不少于2米；無縫鋼管9下至孔底后，將混凝土澆筑導(dǎo)管8下至無縫鋼管9底部向孔內(nèi)灌注細(xì)石混凝土填灌注至無縫鋼管9頂部3~5米，形成錨塞體。

在下入無縫鋼管之前，可以將硝銨炸藥放入采空區(qū)頂板3~5米，通過爆破擴(kuò)大孔徑，增大鋼管柱（無縫鋼管9灌入混凝土11形成鋼管柱）上部的錨塞體的體積，從而起到增大鋼管柱支撐力的作用。受孔內(nèi)爆破影響，孔壁坍塌，無縫鋼管無法下入原鉆進(jìn)深度，需進(jìn)行掃孔后方能進(jìn)行后續(xù)步驟，掃孔的具體方法為：在原孔位下入鉆具，鉆至原深度并取出孔內(nèi)破碎巖體（即重新鉆至采空區(qū)底板1~2米），方可進(jìn)行后續(xù)步驟。

步驟7：待無縫鋼管9內(nèi)混凝土11初凝后，向孔內(nèi)灌注砂漿12進(jìn)行封孔。

實(shí)施例1，以鋼管柱處理采空區(qū)工法成功應(yīng)用于徐州淮海藝術(shù)品展示交易中心東南側(cè)建筑場(chǎng)地為例，介紹本工法的技術(shù)細(xì)節(jié)。

該地塊地下45米左右為22煤采空區(qū)，原煤層開采厚度為1.0米左右，鉆探揭露采空區(qū)區(qū)域巖芯破碎，掉鉆可達(dá)10cm。

如圖1所示，采空區(qū)處理樁孔的結(jié)構(gòu)為：土層1中下入φ168mm的薄壁鋼管1護(hù)壁，巖層部分孔徑為φ146mm，樁底應(yīng)鉆進(jìn)至22煤底板1.0m，樁孔平面布置為每行橫向樁距為2米，行距為2米，每行樁孔與相鄰行的樁孔錯(cuò)開布置，如圖4所示。

采空區(qū)段下φ146mm的無縫鋼管9，壁厚8mm，鋼管中空部分灌滿c35細(xì)石混凝土11，鋼管柱長(zhǎng)度根據(jù)采空區(qū)的情況，確保22煤采空區(qū)以下不少于1.0m，22煤采空區(qū)煤層頂板4不少于2.0m。將無縫鋼管9下到孔底后，采用混凝土澆筑導(dǎo)管8向孔內(nèi)灌注c35細(xì)石混凝土11充填灌注至鋼管柱頂部以上3.5m處。待鋼管內(nèi)混凝土11初凝后，向孔內(nèi)灌注砂漿12進(jìn)行封孔。本場(chǎng)地下采空區(qū)處理完成后，擬建建筑物砌筑基礎(chǔ)前開挖基槽時(shí)，應(yīng)超挖不少于0.5m，鋪設(shè)碎石墊層（厚度不少于0.5m），并按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行夯實(shí)處理。

本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在當(dāng)采空區(qū)底板6傾斜度較大、采空區(qū)空洞高度較大、采空區(qū)飽水、采空區(qū)處于動(dòng)水環(huán)境中的處理，以上幾種情況都會(huì)導(dǎo)致常規(guī)的注漿治理會(huì)存在注漿量增大、漿液結(jié)石率低等缺點(diǎn)，而且在治理水源地采空區(qū)時(shí)還會(huì)存在對(duì)地下水的擾動(dòng)和污染。本發(fā)明采用鋼管柱工法進(jìn)行治理時(shí)由于外側(cè)有鋼管的束縛，如圖2所示，灌漿時(shí)，漿料直接灌進(jìn)鋼管中，并形成錨塞體，承載效果好，且不會(huì)增大施工工程量，實(shí)現(xiàn)較好的治理效果。