大直径顶板钻孔（共8篇）
大直径顶板钻孔 篇1
1 工作面概况
淮南矿业集团公司丁集煤矿在11-2煤层西一采区首采工作面1262 (1) 回采期间, 回风流瓦斯频繁超限, 严重制约产量的提升。该工作面于2007年12月26日投产, 计划产量7 273 t/d, 回采时期经预测11-2煤层绝对瓦斯涌出量为45.46 m3/min。该工作面走向长2.15 km, 倾向长0.25 km, 底板等高线变化范围-840～-895 m, 倾角在0～6°之间, 工作面煤厚3.2 m, 工作面采用倾向长壁一次采全高综合机械化采煤和全部垮落法管理顶板。
在采用沿空留巷措施, 工作面回采72 m后, 绝对瓦斯涌出量已达到34.52 m3/min, 一直采用通风和瓦斯抽放相并重的治理措施, 工作面风量为3 000 m3/min, 采用通风可以稀释的瓦斯量为18 m3/min, 抽放可解决的瓦斯为16.52 m3/min, 其中采空区抽放瓦斯量为3.91 m3/min, 地面抽放瓦斯量为2.85 m3/min, 高位钻孔和倾向钻孔抽放量为8.57 m3/min, 顺层抽采瓦斯为1.19 m3/min。工作面产量5 000 t/d, 工作面支架与充填墙之间有瓦斯积聚现象, 回风巷瓦斯超限频繁, 平均每天因瓦斯超限造成的断电影响时间大于5 h, 因此, 沿空留巷技术不能作为瓦斯治理的主要措施, 经分析决定采用大直径顶板钻孔抽采瓦斯技术来解决瓦斯超限问题。
2 大直径顶板钻孔与高抽巷抽采瓦斯分析对比
以往的实践表明大直径顶板走向钻孔和高抽巷抽放瓦斯技术, 都有可能取得良好的瓦斯治理效果, 但其适用性不同, 这需要现场的实践来证明, 通过前期工作面沿空留巷治理瓦斯的实践表明, 该技术不适用于丁集矿的现状, 为此, 丁集矿探索采用大直径顶板钻孔来治理瓦斯, 具体如下: (1) 施工效率。众所周知, 高抽巷需要在工作面布置巷道前率先施工, 以保障工作面巷道掘进和回采的安全施工。根据工作面的实际情况, 高抽巷共需掘进巷道2.15 km, 需工时13个月。这将使得施工周期比工作面切眼贯通晚4个月, 带来接替紧张局面。而如果采用大直径顶板走向长钻孔施工, 工程量大约为500 m钻孔, 而且施工可以和回采作业同时进行, 所以设计钻场和钻孔的形成仅需2个月, 避免了采掘接替紧张。 (2) 经济效益。从工程量和所需费用方面对两种技术进行对比分析, 各自所需的工程量和技术成本如表1所示。通过对比分析不难看出, 施工顶板钻孔的费用还不到顶板高抽巷的一半, 所以从经济角度看, 采用大直径顶板走向长钻孔经济上更加合理可行。综上所述, 采用大直径顶板走向长钻孔抽放瓦斯技术效率高, 而且成本更低。
3 大直径长钻孔施工方案
3.1 高位钻场布置
根据抽放需要, 共设计了5个高位钻场, 均布置在1262 (1) 轨道顺槽中, 钻孔从300～500 m不等。从1#钻场到5#钻场的间距分别为215 m、276 m、278 m、470 m, 其中1#钻场距工作面切眼间距为605 m, 钻场从1262 (1) 轨道顺槽向11-3顶板方向施工, 到达顶板后掘平巷, 平巷断面为3.2 m×3.25 m, 如图1所示。
3.2 钻孔成孔情况
由于钻孔数量较多, 选取5#高位钻场为例, 5#钻场共施工钻孔11个, 钻孔呈扇形布置, 各钻孔终孔点距轨道顺槽投影的水平距离在0～60 m之间, 距煤层顶板的垂距在25～35 m之间, 孔深在500～520 m之间。
钻孔的施工工序为先形成初始小孔径钻孔 (孔径约为133 mm) , 然后进行扩孔 (最终孔径为153 mm) 。为避免钻孔形成后垮孔影响抽放效果, 钻孔采用φ108 mm的钢质花管进行支撑, 护孔长度均保证在200 m以上。孔口封孔材料采用聚氨脂, 封孔长度为10 m, 孔口抽放管径为125 mm, 丁集煤矿5#高位钻场封孔情况汇总如表2所示。
这次5#高位钻场的11个抽采孔主要有以下几个特点: (1) 抽采技术与工艺保障。钻孔的扩孔技术。上述的11个钻孔中, 有4个扩孔孔径达到φ153 mm, 7个扩孔至φ133 mm, 另外还试验了φ193 mm钻孔1个, 扩孔长度达320 m。大直径钻孔密封。施工过程中采用5寸铁管封孔, 并用6寸软管连接到汇流管 (φ426 mm) , 使得φ426 mm干管直接进钻场。抽采负压高, 抽放负压达40 kPa, 抽放流量51.6 m3/min, 浓度为50.5%, 从而瓦斯流量达到26.1 m3/min。 (2) 钻孔流量监测与保障。每个钻孔单独计量, 并根据其抽采量的变化及时调控。钻孔流量考核采用涡街流量计, 保证计量的方便准确。使用参数仪实时监测抽采干管的流量变化, 并及时传达地面, 同时井下实时监测, 只要发现抽采量低于18 m3/min, 将采用措施及时弥补。 (3) 钻场布置优化。工作面实际共布置高位钻场5个, 钻场间距在300～500 m之间, 保证钻孔尽可能不穿大断层。另外, 钻场均布置在11-2煤顶板5～15 m位置, 保障钻孔尽可能是2°～5°的上山孔, 便于施工。为保证钻孔布置均匀和开钻方便 (钻机型号为ZDY-10000S) , 钻场的上平巷参数达15 m×5 m×3 m。
4 瓦斯抽采情况及治理效果
地面泵站型号为2BEF72-300, 抽放管路的规格从抽放干管到抽采管的变化依次是:抽放干管直径630 mm→轨道顺槽直径450 mm PE管→直径426 mm (三通) →直径420 mm (汇流管) →直径150 mm (抽采管) 。抽放过程中, 对抽放效果进行了单孔考察, 其中5#钻场单孔最大抽采量为3 m3/min, 抽采混合量可以达到51.6 m3/min (抽放负压-40 kPa) , 抽放浓度为50.5%, 纯抽放瓦斯量为26.1 m3/min。
总体瓦斯治理效果:在工作面绝对瓦斯涌出量45.46 m3/min的条件下, 通过瓦斯抽采共抽放瓦斯34.46 m3/min, 抽采率75.8%, 有效的保障了工作面的安全生产, 现工作面产量达到8 000 t/d, 并可保证工作面产量达到10 000 t/d, 未发生瓦斯超限。这充分说明采用大直径顶板走向长钻孔替代高抽巷治理瓦斯是可行的。
5 结论
针对丁集煤矿1262 (1) 矿井西一采区11-2煤层首采工作面瓦斯频繁超限问题, 研究提出了采用大直径顶板钻孔替代高抽巷抽采瓦斯技术。
(1) 从技术效率和效益两个方面对大直径顶板钻孔和高抽巷抽采瓦斯技术进行了对比分析, 提出了采用顶板钻孔抽放来治理瓦斯超限问题。
(2) 根据丁集矿工作面特点, 对钻场位置及其合理间距、钻孔布置等进行了设计, 并采用扩孔的方式提高抽放钻孔孔径, 利用套管护孔保证抽放周期。
(3) 通过现场抽放效果考察, 表明该技术实施效果良好, 工作面总抽采瓦斯34.46 m3/min, 抽采率75.8%, 工作面采用顶板走向钻孔抽采期间未发生瓦斯超限。
大直径顶板钻孔 篇2
【关键词】复杂地质条件；大直径；钻孔灌注桩；快速施工
1.工程概况
双洎河大桥位于新郑市南区移民大道跨越双洎河桥处，是一座跨河、跨铁路桥梁。桥梁中心桩号K0+597.000，桥梁所在道路范围内为直线段，桥梁设计为正交桥形式。桥梁结构形式采用七跨装配式预应力混凝土箱形连续梁桥，桥梁主体长度为280m，桥梁主梁分为两联（3992+2×4000+3992；3992+4000+3992）。梁桥梁总宽度为40m，桥面横断面布置为40m=5.5（人行道、栏杆）+29m（车行道）+5.5（人行道栏杆）。车行道设2%向外横坡，人行道设1%单向向内横坡。双洎河北侧有登杞地方铁路通过，铁路为单线铁路，桥梁北侧跨越此铁路。下部结构桥台为钢筋混凝土肋板式桥台，桥墩为桩柱桥墩形式，基础采用钻孔灌注桩。桥台下设置承台，承台高3m，每个桥台下设12根直径2m的钻孔灌注桩，单根桩长40m。桥墩墩柱直径为1.6m，桩径2m，桩长为59m。该桩基工程的特点是地质条件复杂，一方面上层为淤泥质粘土，土质承载力低，容易塌孔。另一方面中间夹有的卵石层，需要采用冲击钻施工，钻进困难。最后下面一层为红色粘土，含有部分粒径较小的砂砾，承载力较大，摩阻力大。
2.钻机选择
进场前由于对地质情况了解的不够，同时在考虑成本的情况下，选择2台反循环钻机配合4台冲击钻进行施工，由于机器性能不足，特别是反循环钻机在施工红色粘土层的时候，容易遇到大直径砾石造成泥浆泵阻塞甚至破损，而且由于砂砾较多的原因，造成钻孔直径大小不一，导致成孔后钢筋笼下不去，需要重新钻孔。冲击钻由于机器功率较小，钻头质量为5T左右，钻头质量较小，冲击钻进速度较慢。针对这种情况，项目部分析后决定改變施工方法，采用1台三一SR280旋挖钻配合4台冲击钻（钻头质量7T左右）进行施工，施工上部淤泥和粘土层时，采用旋挖钻配直径2m钻头施工，中部卵石层采用冲击钻，由于钻头质量较大，钻进速度较快，施工下部红色粘土层时，由于砂砾含量较大，直接采用2m直径钻头，钻进困难，项目部最后决定采用先用1.5m直径钻头钻进至设计标高，然后再采用直径2m钻头将桩径扩至设计要求。采用反循环钻机配合冲击钻的施工工艺时，上部淤泥与粘土层施工时间为2天，冲击钻施工时间为7-10天，下部红色粘土层施工时间为3天，总时间为12-15天。采用旋挖钻配合冲击钻的施工工艺时，上部淤泥与粘土层施工时间为1天，冲击钻施工时间为3-5天，下部红色粘土层施工时间为1天，总时间为5-7天。相较于反循环钻机配合冲击钻的施工工艺，施工效率提高了1倍多。
3.施工方法
3.1施工工艺流程
埋设护筒→旋挖钻就位→钻挖至卵石层→冲击钻就位→冲击钻进至红色粘土层→旋挖钻机就位→旋挖钻配直径1.5m钻头钻至设计深度→更换为2m直径钻头后扩孔至设计深度→清孔→灌注水下混凝土→拔护筒。
3.2施工过程中的质量控制措施
3.2.1桩基偏位控制措施
在护筒埋设、机械设备调换及下钢筋笼前都必须重新放样，以重新校正护筒的位置，保证最后桩基的偏位在规范的要求之内。
3.2.2成孔的质量控制措施
成孔后及时下探笼，以保证下道工序的顺利进行。如遇到探笼无法顺利下去，及时安排旋挖钻重钻。清孔时采用大功率泥浆泵将清水压入桩基底部，以尽量缩短清孔时间，防止坍孔等情况发生。
3.2.3钢筋笼质量控制措施
钢筋笼的加工制作严格按照规范要求进行，下钢筋笼的过程中尤其注意焊接的质量，最后一节焊完后，严格控制钢筋笼的标高，整个过程由技术员全程旁站监督。
3.2.4水下混凝土灌注质量控制措施
成孔后及时清孔，在泥浆相对密度及沉渣厚度达到规范要求后，方可进行混凝土灌注。为了保证灌注质量，采取了增大首盘混凝土的用量，灌注过程中保证导管的埋深等措施。
3.3施工过程中需要注意的事项
3.3.1护筒偏位的控制
由于在河中的围堰上施工，河中的淤泥层较软，需要埋设长护筒（4-6m）进行施工，埋设时需要精心定位，在工序转换过程中需要重新定位校正护筒的位置，在下钢筋笼之前仍需要校正一次。
3.3.2泥浆的配制
泥浆采用优质粘土配制，在旋挖钻施工上部淤泥及粘土层时候，泥浆相对密度采用较大值，控制在1.1-1.2之间，冲击钻施工时重新进行调浆，控制在1.2-1.4之间，在旋挖钻施工下部红色粘土层的施工时，由于地质较好，无需进行泥浆调配。
3.3.3清孔
由于桩基上部的地质非常软弱，清孔必须在成孔后及时进行，另外泥浆比重较大，需要采用大功率的泥浆泵进行清孔，清孔完毕后立即灌注混凝土。如果时间间隔较长，容易造成桩基底部沉渣较厚甚至坍孔。
3.3.4水下混凝土灌注
灌桩必须在洗孔完成后立即进行，否则沉渣较厚会造成灌注困难，甚至灌注过程中坍孔，造成废桩。首盘混凝土的用量尽量比规范要求的大，保证将沉渣冲起，防止底部断桩。
3.3.5场地的平整与压实
由于旋挖钻为大型施工设备，本身自重大，容易失衡，如果场地坑坑洼洼加上压实度不够，很容易造成旋挖钻倾覆事故的发生。大部分的工地在这一点上往往容易忽视，因此施工前一定要做好场地的平整与压实工作，同时旋挖钻在移动过程中必须要有专人指挥，以保证机械和人员的安全。
3.4施工中出现问题处理
3.4.1护筒冒水。埋设护筒时周围土不密实，或护筒水位差太大，或钻头起落时碰撞都会引起护筒外冒水。因此，在埋护筒时坑底与四周要选用最佳含水量的粘土分层夯实，起落钻头时防止碰撞护筒。发现护筒冒水时可用粘土在四周填实加固，如护筒严重下沉或位移则应返工重埋。
3.4.2坍孔。造成坍孔的原因：（1）土质松散，加之泥浆护壁不好；护筒埋设不好，筒内水位不高；（2）提住钻头钻进；钻头钻速过快或空转时间太长都易引起钻孔下部坍塌；（3）成孔后待灌时间和灌注时间过长等。采取的措施：（1）在松散易坍土层中适当深埋护筒，密实回填土，使用优质泥浆，提高泥浆比重和粘度，升高护筒，终孔后补给泥浆，保持要求的水头高度；（2）保证钢筋笼制作质量，防止变形，吊设时要对准孔位，吊直扶稳，缓缓下沉，防止碰撞孔壁；（3）成孔后待灌时间一般不超过3h，并尽可能加快灌注速度、缩短灌注时间；在钢筋笼未下孔内的情况下，浆砂、粘土混合物回填至坍塌孔深以上1～2m，或全孔回填并密实后再用原钻头和优质泥浆扫孔；（4）在钢筋笼碰撞孔壁而引起轻微坍塌的情况下，用直径小于钢筋笼内径的钻头以优质泥浆扫孔或用导管清孔。
3.4.3沖击钻卡钻头。卡钻的原因：（1）用冲击钻施工时，出现梅花孔，冲击钻头被狭窄部位卡住；（2）坍孔、落石或工具掉进孔内，卡住钻头；（3）护筒倾斜，下端为钻头冲击变形，同钻头卡在一起；（4）未及时焊补钻头，钻孔直径逐渐减小，而焊补超限，又用高冲程猛击，发生卡钻；（5）伸入孔内不大的探头石未被打碎，卡住冲击锥顶或锥脚；（6）下钻太猛，大绳松放太多，钻头碰撞在孔内倾倒，顶住孔壁。
采取的措施：（1）当为梅花孔卡钻时，先松绳落钻然后再提钻，使钻头转一个角度（可用撬棍配合），有可能顺梅花孔提上来；（2）用小钻头冲击卡钻一边孔壁或钻头，使钻头松动后，再起吊；（3）探准障碍物的位置，收紧钻头大绳，用冲、吸的办法，将卡钻处松动后再提出；（4）在地质情况较好的情况下（防止坍孔后埋钻），用压缩空气管或高压水管下入孔内，对卡钻处适当冲射一段时间，使卡点松动后再提出；（5）用滑轮组或千斤顶强行提出。为避免拉断大绳，造成掉钻事故，另备安全绳（钢丝绳）下入孔内套住钻头；将枕木垛远离孔口，以免压力过大而坍塌。 （6）采用“辅助爆破法”，在钻头底部进行小药量松动爆破，同时用提升设备进行起吊将钻头捞出。
4、结束语
通过在复杂地质条件下钻孔灌注桩的施工，总结出了各种问题的处理措施。最重要的是取得了钻机设备选择的经验，钻机设备选择时候，首先应详细查阅地质勘探资料，充分了解各地层的物理及力学性能，其次根据地质情况选择在经济指标以及技术指标上相符合的钻机设备，只有这样，才能综合确定成本最低、机械配备合理和优质高效完成任务的钻机选择方案。
参考文献
取代巷道大直径钻孔的施工 篇3
a.钻机的钻矩、给进力和起拔力要足够大, 既能够满足在中厚煤层上钻进4600mm钻孔所需的扭矩和给进力, 又要满足在处理孔内卡、埋事故强力起拔时所需的起拔力;b.对使用大扭矩、大给进力和大起拔力钻机配套使用的辅助设备要匹配;c.研制钻进4600mm钻孔的钻头和配套螺旋钻杆, 既要保证满足保直钻进要求, 又要保证排粉的要求。
2 钻进取代顺槽横贯 (巷道) 的大直径钻孔
2.1 大直径钻孔参数。
由于试验场地的煤层稳定, 结构简单, 属于中灰低硫优质无烟煤, 而且是在尾巷与回风巷之间试验, 此处煤质起伏变化不大, 孔深较浅, 且是贯通孔, 钻孔深度在17—50m之间。4个试验钻孔的开孔、终孔倾角和方位角等参数见表1。
2.2 钻进用设备。
钻进试验用设备主要包括钻机、泥浆泵。2.2.1钻机。试验钻进用钻机为ZDY4000s全液压坑道钻机。该钻机的扭矩、给进力和起拔力大, 可以满足在中厚煤层中钻进4600mm钻孔所需的大扭矩、大给进力及大起拔力的要求。2.2.2泥浆泵。选用泥浆泵的主要功能是排岩 (煤) 粉、冷却钻头及防尘。
2.3 成孔用钻具。
2.3.1钻头。4113mm三翼金刚石复合片。该钻头中间内凹, 破碎岩石时孔底中部形成短岩心柱有利于钻头的导向作用, 加上钻头体上有较长的外保护, 对孔底有较强的切削作用, 而对孔壁很少产生切削作用, 试验中用于开孔和先导孔的保直钻进。由于四翼合金钻头在设计中采用20mm x 20mm X8mm的大片状合金, 钻头前端有长200mm的导向结构, 也同样镶焊大合金片, 所以, 该钻头碎岩能力较强, 通水排渣流畅, 具有良好的导向性能。同时, 钻头的四翼结构设计有利于在发生埋钻事故时, 钻头能够顺利地提出孔底。2.3.2钻杆。分析473mm外平式和489/420mm高强度螺旋式2种钻杆。2.3.2.1 473mm外平钻杆。a.钻杆接头采用内加厚方式使局部壁厚增加, 并通过摩擦焊接方式和钻杆体相连, 钻杆成型后外径为473mm, 杆体部分内径为54.02mm, 而两端接头内径为437mm, 这样增加了钻杆易损坏部位的强度, 而又不浪费材料, 解决了大能力钻机配套间题。b.钻杆管材经调制处理, 强度达到1205的标准。c.钻杆两端接头扣型为圆锥螺纹, 螺距为5mm, 采用零紧密距控制公差, 丝扣采用数控车床加工, 精度较高。d.钻杆刚性好, 抗弯扭能力强, 其厚壁及高强性能可满足深孔大直径钻孔的钻进要求, 在试验中末发生一例钻杆折断事故。2.3.2.2 489/420mm高强度螺旋钻杆。489mm的钻杆体和螺旋叶片2部分组成。钻杆体连接采用2种方式。一种为接头连接, 两端扣型为圆锥螺纹, 采用零紧密距控制公差, 丝扣采用数控车床加工, 精度高;另一种为插销式连接, 采用高强度“u”形插销, 配合“o”形圈进行密封, 这种连接方式钻杆拆卸方便。螺旋叶片是用厚度为10mm的高强钢板加工而成, 焊接在钻杆体上。该钻杆的优点是有利于排出孔内岩 (煤) 屑, 在钻进时起保直扶正作用。2.3.3测斜仪。测斜仪结构简单、能耐震、测程大、测量结果直观、操作维修简便等特点, 是一种轻便、简捷测量井斜变化, 及时指导施工的测斜仪器。
2.4 钻进成孔工艺。
成孔钻进采用三级成孔的工艺结构, 即开孔时采用4113mm的子翼金刚石复合片钻头保直钻进至设计孔深, 完成导向孔, 经测斜确认钻孔方向沿设计向方延伸后, 换20mm扩孔钻头配同径螺旋钻杆扩孔至设计孔深, 最后再用4600mm扩孔钻头配直径420mm螺旋钻杆扩孔钻进至设计孔深终孔。
2.5 排粉方式及冲洗液的作用。
由于试验钻孔为水平钻孔, 且钻孔孔径为600mm, 加之试验矿煤层为小厚煤层, 煤层较软, 瓦斯含量大, 成孔过程中空内出渣量很大, 使用冲洗液排粉, 极易发生塌孔、埋钻事故。所以, 先导孔钻进时, 使用高压水流排除钻进过程中产生的煤粉, 扩孔钻进时, 岩煤粉较多, 采用螺旋钻杆机械式强制排粉和高压水冲洗相结合的排粉方式, 即冲洗液是作为辅助作用, 其主要作用是冷却钻头, 灭尘, 钻进过程中产生的煤粉主要靠螺旋钻杆强制排出, 以满足大直径钻孔钻进的排粉要求。
为了节约用水, 保持施工钻场的清洁, 在钻场一侧开挖1个冲洗液循环池, 在钻进过程中循环供水, 但应该注意的是:从钻孔排出的岩 (煤) 渣必须过滤或沉淀后, 再排入循环池, 以免渣块颗粒过大而堵塞泥浆泵。另外, 用水作为冲洗介质, 每次开钻前必须等孔口正常返水后.方可开钻, 以免钻头水眼被岩 (煤) 渣封堵, 每次停钻后, 必须用水冲洗钻孔3-5min, 才可以停泵。
2.6 钻进工艺参数。
钻进工艺参数主要是指钻压、转速和冲洗液量。试验过程中, 根据所掌握的地质资料、所采用的螺旋钻杆配四翼合金钻头的钻具组合及孔门排渣情况, 及时调整钻进工艺参数。先导孔钻进时, 给进系统压力控制在3.5-5MPa之间, 主轴转速控制在160—180r/min之间。
2.7 钻孔轨迹控制。
2.7.1全面系统掌握煤层地质资料, 结合钻孔方位角和倾角, 煤层走向和倾角, 合理地选择开孔方位角和倾角, 并尽可能选择煤层较稳定地段施工顺煤层大直径联络巷钻孔。2.7.2严格控制开孔孔位、倾角和方位角误差。一般开孔的孔位的误差控制在5cm以内, 倾角、方位角误差控制在1cm以内。2.7.3用钻孔跟踪设计方法, 即根据前—个钻孔施工情况选择确定下一个钻孔的开孔参数。2.7.4先导孔钻进时, 采用内凹复合片保直钻头钻进成孔。2.7.5开孔前, 将钻机摆放平稳, 固定好.并校验开孔参数无误后方可开钻。严防钻机松动或移位, 一旦发现, 立即重新加固或者复位后重新固定。2.7.6钻进过程中, 严格按照钻机操作规程及工艺规程参数进行, 如果误操作或发生孔内异常使钻机挪位, 应及时复位并重新加固钻机。
3 建议
为了进一步推广和推进大直径联络巷钻孔技术的发展, 总结经验, 不断创新, 针对试验中所发生和发现的问题, 提出以下建议:
3.1 试验中研制的大直径螺旋钻杆自重过大, 人工拧卸劳动强度大, 同时增加钻具自重容易造成钻孔下斜。
随着新型复合型金属材料的发展, 建议改进螺旋钻杆的加工材质, 在满足高强要求的前提下, 进一步减轻螺旋钻杆的自重;同时在设计上优化设计参数, 尽量加大螺旋间距、减小螺旋叶片厚度以减轻自重。
3.2 大直径钻孔在施工过程中, 钻孔钻岩 (煤) 粉量大, 施工过程中如不能及时清理, 将限制施工场地, 影响工人操作。
参考文献
[1]张海权, 王惠风, 王向东.大直径高位钻孔代替高抽巷抽采瓦斯的研究[J].煤炭科学技术, 2012 (6) .
探析大直径钻孔灌注桩施工技术 篇4
近二十年来, 随着大型工业、民用建筑、高层建筑等工程项目的涌现, 钻孔灌注桩日益成为大型工程经常采用的一种深基础型式。钻孔灌注桩以其自身的优越特点--噪音低、振动小、施工操作简便、工效高、经济效益较好以及承载力高等, 越来越受到建设单位、设计单位和施工单位的重视。然而, 若在施工中处理不当, 也时常会出现断桩、吊脚桩、斜孔、塌孔等质量问题, 直接影响工程质量及经济效益。
1 案例工程项目概况
(1) 福州某大厦, 层高22层, 地下室一层, 结构体系为框筒结构, 总建筑面积2.48万m2。桩基型式选用钻孔灌注桩, 直径1000mm, 设计总根数216根, 桩长51～56m。单桩承载力为3400kN, 桩端持力层为含泥砂砾卵石, 桩身材料采用C30混凝土, 设计要求桩端进入持力层≥3m。
(2) 场地工程地质条件自上而下划分为9个工程地质层。质层依次为杂填土, 厚1.00～2.30m;粉质粘土, 厚1.5～2.60m;淤泥, 厚3.2～6.90m;含泥砂夹淤泥, 厚4.35～13.90m;中砂, 厚11.00～15.00m;淤泥质土, 厚6.30～13.40m;饱和粉土, 厚1.00～3.50m;中砂, 厚1.1～6.95m;含泥砂卵石, 厚10m左右, 稍中密状, 骨架颗粒以3～5cm为主, 最大超过10cm, 含泥量约为10%。
2 钻孔灌注桩施工过程
2.1 施工机械及施工工艺选择
结合工程实际情况, 在保证工期的同时考虑现场施工场地条件的局限, 选用四台GPS-15型钻孔桩机分向施工。尽量减少搬迁时间和辅助时间, 遵循相邻两孔施工中心距≥5m, 或最少时间间隔不小于24h的原则, 进行隔孔或跳孔施工。根据本工程地质勘察报告提示地质条件, 第五层、第八层均为中砂层, 且厚度均在5m以上, 本工程选择泵吸反循环施工工艺, 这样既提高了钻成孔功效, 又可避免施工过程可能出现的涌砂现象, 从而保证了成孔质量。
该施工工艺流程:设置护筒→安装反循环钻机→钻挖第一次清孔→移走反循环钻机→测定孔壁回淤厚度→吊放钢筋笼→插入导管→第二次清孔→水下灌注混凝土→拔出导管→拔出护筒。
2.2 埋设护筒
根据地质条件, 护筒用4mm厚钢板卷制焊接而成。护筒长度制成2.0 m, 内径大于桩径20cm。护筒埋深不小于1m, 高出地面不少于30cm。挖除护筒外壁周围0.5～1.0m范围内杂填土, 分层夯填粘土至护筒底0.5m以下, 埋设好的护筒中心与桩位中心偏差不得大于5cm, 护筒倾斜度不得大于1%。
2.3 钻孔施工
(1) 桩孔钻进操作要点:桩机就位后, 对准护筒中心, 待桩机平衡后, 桩机开孔。首先起动砂石泵, 待反循环正常后, 才能开动钻机慢速回转下放钻头到底。开始钻进时, 应先轻压慢转, 待钻头正常工作后, 逐渐加大转速, 调整压力, 并使钻头吸口不产生堵水。其次控制好泥浆比重, 保持孔口稳定。钻进时应认真仔细观察进尺和砂石泵排水出渣的情况, 排量减少或出水中含钻渣量较多时, 应控制钻进速度, 防止因循环液比重太大而中断反循环。在淤泥和淤泥质土中, 应根据泥浆的补给情况, 严格控制钻进速度, 一般不宜大于1m/min, 同时每钻进3m, 应回尺2～3次, 以使护壁充分稳定。进入粘土层时, 此层可硬塑, 含砂少, 钻孔时应注意控制泥浆比重, 出现堵水口现象应停机处理后, 加碎砖块钻进。在松散砂层中, 钻进速度不宜超过3m/h, 同时应注意控制泥浆比重在1.3～1.5之间。在硬土层中的钻进速度, 以钻机不发生跳动为准, 并改换四翼钻头, 在砂砾卵石层中钻进时, 为防止钻渣过多, 卵砾石堵塞管路, 可采用间断钻进, 并以此来控制钻进速度。加接钻杆时, 应先停止钻进, 将钻具提离孔底20～30cm, 维持冲洗液循环2～3min, 以清洗孔底并将管道内的钻渣携出排净, 然后停泵加接钻杆。钻进时如孔内出现塌孔、涌砂等异常情况, 应立即将钻具提离孔底, 控制泵量, 保持冲洗液循环, 吸除塌落物和涌砂;同时向孔内输送性能符合要求的泥浆, 保持水头压力以抑制继续涌砂和塌孔, 恢复钻进后, 泵排量不宜过大, 以防吸塌孔壁。当钻进达到设计要求孔深停钻时, 仍要维持冲洗液正常循环, 清洗吸除孔底沉渣直到返出冲洗液的钻渣含量小于4%为止。起钻时应注意操作轻稳, 防止钻头拖刮孔壁, 并向孔内补入适量冲洗液, 稳定孔内水头高度。
(2) 桩孔清孔:清孔过程中应观测孔底沉渣厚度和冲洗液含渣量, 当冲洗液含渣量小于4%, 孔底沉渣厚度符合设计及规范要求时即可停止清孔, 并保持孔内水头高度, 防止发生塌孔事故。清孔后泥浆比重应控制在1.15～1.25, 粘度≤22s, 含砂率≤8%, 第一次清孔, 在终孔时停止钻具回转, 将钻头提离孔底50～80cm, 维持冲洗液的循环, 并向孔中注入含砂量小于4%的新泥浆或清水, 令钻头在原地空转10min左右, 直至达到清孔要求为止。第二次清孔, 在第一次清孔达到要求后, 待安放钢筋笼及导管就绪后, 再利用导管进行第二次清孔。当二次清孔后孔底沉渣允许厚度符合设计及规范规定要求时, 应立即进行水下混凝土灌注施工。
2.4 安装钢筋笼
制作好的钢筋笼必须符合设计与规范要求, 为使钢筋笼达到图纸要求的保护层, 在钢筋笼主筋上每隔2m左右对称设置四个水泥垫块。钢筋笼入孔时对准孔位吊直扶稳, 缓缓下沉避免碰撞孔壁, 下笼过程中遇阻不得强行下放晃动, 可徐起直落和正反旋转使之下放防止碰撞孔壁因而引起坍塌, 下放过程中要密切注意观察孔内水位情况, 如发生异样马上停止并检查是否发生塌孔。每节钢筋笼焊接完后必须补足搭接部位的箍筋, 下好钢筋笼后, 应拉好护筒上的十字线, 调整好钢筋笼的中心位置, 采用四跟定位钢筋将钢筋笼固定在护筒顶的钢管上, 以防止钢筋笼的下沉或上浮。
2.5 水下混凝土灌注施工
(1) 水下混凝土的配合比。配合比应通过试验确定, 混凝土坍落度宜控制在18～22cm范围。
(2) 浇注水下混凝土。施工程序为:放钢筋笼→安设导管→使隔水栓与导管内水面紧贴→灌注首批混凝土→剪断铁丝→隔水栓下落至孔底→连续灌注混凝土→提升导管→混凝土灌注完毕→拔出护筒。
(1) 灌注首批混凝土。开始浇注混凝土时, 为使隔水栓能顺利排出, 导管底部至孔底的距离宜为30～50cm。首批混凝土按下式计算:
其中:Vf-混凝土量 (m3) ;d-桩孔直径 (m) ;d1-导管内径 (m) ;L-钻孔深度 (m) ;H-导管埋入混凝土深度, 一般可取H=1.0m;h-导管下端距灌注前测得的孔底高度 (m) , 一般取h=0.3～0.5m;t-灌注前孔底沉渣厚度 (m) 。
本工程采用内径250mm的导管, 实际初灌量控制为2.5 m3。
(2) 导管埋深。在水下灌注混凝土时, 应根据实际情况严格控制导管的最小埋深, 一般宜在2m以上, 以保证桩身混凝土的连续均匀, 不使其可能裹入混凝土上面的浮浆皮和土块等, 防止出现断桩现象;对导管的最大埋深不宜超过最下端一节导管的长度或6m, 以防止埋管太深造成埋管事故。
(3) 连续浇注混凝土。首批水下混凝土浇注正常后, 必须连续施工, 不得中断, 否则先浇注的混凝土达到初凝, 将阻止后浇注的混凝土从导管中流出, 造成断桩。在灌注过程中, 应经常用测锤探测混凝土面的上升高度, 并适时提升导管进行捣实、逐级拆卸导管, 保持导管的合理埋深。探测次数一般不宜少于所使用的导管节数, 并应在每次起升导管前, 探测一次管内外混凝土面高度。
(4) 混凝土灌注时间及桩顶标高控制。混凝土灌注的上升速度不得小于2m/h。每根桩的灌注时间按初拌混凝土的初凝时间控制, 本工程混凝土灌注时间控制在3～6h内, 当浇注接近桩顶部位时, 应控制最后一次浇注量, 使桩顶的浇注标高比设计标高高出0.5～0.8m以便清除桩顶部的浮浆渣层。桩顶灌注完毕后, 应即探测桩顶面的实际标高。混凝土灌注结束后, 空孔部分用导管灌填砂石到地面以防混凝土上升造成缩径。
3 类似施工中常见问题原因分析、预防措施与处理方法
3.1 孔壁坍落
(1) 原因分析。护壁泥浆比重不足, 起不到可靠的护壁作用;护筒埋深位置不合适, 埋设在砂或粗砂层中;成孔速度大快, 在孔壁上来不及形成泥膜, 孔内水头高度不够或出现承压水, 降低了静水压力;安放钢筋笼时碰撞了孔壁, 破坏了泥膜和孔壁;排除较大障碍物 (如40cm左右的漂石) , 形成大空洞而漏水致使孔壁坍塌。
(2) 预防措施与处理方法。在松散砂土或流砂中钻进时, 应控制进尺, 选用较大比重、粘度、胶体率的优质泥浆;将护筒的底部贯入粘土中0.5m以上;成孔速度应根据地质情况选取;如地下水位变化大, 应采取升高护筒、增大水头, 或用虹吸管连接等措施;从钢筋笼的绑扎、吊插以及定位垫板设置安装等环节均应予以充分注意;如孔口发生坍塌, 应先探明坍塌位置, 将砂和粘土混合物回填到坍孔位置以上1～2m, 如坍孔严重, 应全部回填, 等回填物沉积密实后再进行钻孔。
3.2 桩孔偏斜
(1) 原因分析:孔时遇有倾斜度的软硬土层交界处或岩石倾斜处, 钻头所受阻力不均而偏位;钻孔时遇较大的弧石、探头石等地下障碍物使钻杆偏位;钻杆弯曲或连接不当, 使钻头、钻杆中心线不同轴;地面不平或不均匀沉降使钻机底座倾斜。
(2) 预防措施与处理方法:有倾斜状的软硬土层处钻进时, 应吊住钻杆, 控制进尺速度并以低速钻进, 或在斜面处填入片石、卵石冲平后再钻进;探明地下障碍物情况, 并预先清除干净;钻杆、接头应逐个检查, 及进调整, 弯曲的钻杆要及时更换;场地要平整, 钻架就位后要调整, 使钻盘与底座水平, 钻架顶端的起重滑轮边缘同固定钻杆的卡孔和护筒中心三者在同一轴线上, 并注意经常检查和校正;在桩孔偏斜处吊住钻头, 上下反复扫孔, 使孔校直或回填粘土, 待沉积密实后再钻。
3.3 断桩
(1) 原因分析:混凝土坍落度太小, 骨料粒径太大, 未及时提升导管及导管倾斜, 使导管堵塞, 形成桩身混凝土中断。灌注时导管提升过高, 以致底部脱离混凝土层或埋深太浅;灌注质量差, 灌注作业因故中断过久, 表层混凝土失去流动性, 而继续灌注的混凝土顶破表层而上升, 将有浮浆泥渣的表层覆盖包裹形成断桩;提升导管时碰撞钢筋笼, 使孔壁土体混入混凝土中;导管没扶正, 接头法兰挂住钢筋笼。
(2) 预防措施与处理方法:混凝土坍落度应符合设计要求, 粗骨料粒径按规范要求控制, 边浇注混凝土边拔套管, 并勘测混凝土顶面高度, 随时掌握导管埋入深度, 避免导管脱离混凝土面;加强测探员的技术培训, 反复细心探测混凝土面, 认真绘制混凝土灌注曲线, 正确指导导管的提升;灌注中, 严格遵守操作规程, 导管提升应匀速平稳, 慢慢起升;当导管堵塞, 混凝土尚未初凝时, 可吊起一节钢轨或其它重物在导管内冲击, 把堵塞的混凝土冲开, 使混凝土继续浇注, 也可迅速提出导管, 用高压水冲通导管, 重新下隔水栓浇注, 浇注时当隔水栓冲出导管后, 将导管继续下降, 直到导管不能再插入时再稍许提升, 继续浇注混凝土;如果混凝土在地下水位以上中断, 桩径又较大 (1m以上) , 泥浆护壁好, 可抽掉孔内水, 用钢筋笼网保护, 对原混凝土面进行凿毛并清洗钢筋, 再继续浇注混凝土;如果混凝土在地下水位以下中断, 可用比原桩稍小的钻头, 在原桩位钻孔至断桩部位以下适当深度时 (可由验算确定) 重新清孔, 在断桩部位增加一节钢筋笼, 其下部埋入新钻孔中, 然后继续浇注混凝土;如果导管接头法兰挂住钢筋笼, 钢筋笼埋入混凝土又不深, 则可提起钢筋笼, 转动导管, 使导管与钢筋笼脱离。
3.4 吊脚桩
(1) 原因分析:清孔后泥浆比重过小, 孔壁塌落或孔底漏进泥砂, 或未立即浇注混凝土;安放钢筋笼或导管碰撞孔壁, 使孔壁泥土坍塌;清渣未净, 残留沉渣过量。
(2) 预防措施与处理方法:清孔要符合设计要求, 并立即浇注混凝土;安放钢筋笼和浇注混凝土时, 注意不要碰撞孔壁;注意泥浆比重控制并及时清渣。
4 本工程施工过程中出现的问题及处理方法
4.1 护筒冒水
(1) 原因分析:64#桩在钻进过程中发现护筒冒水, 经检查发现是由于埋设护筒时周围填土不够密实所至。
(2) 处理方法:立即停止钻进, 将护筒四周不密实的填土全部挖除, 并选用含水量适当的粘土重新填筑, 填筑时分层夯实, 每层厚为20cm, 从而很好地解决了这一问题。
4.2 堵管
⑴原因分析:185#桩在混凝土灌注过程中发生堵管现象, 经检查分析是由于混凝土灌注时间过长, 造成表面混凝土已初凝所至。
(2) 处理方法:立即决定上下提动导管数次, 并进行振捣以使导管疏通, 恢复灌注时在不增长水灰比的原则下重新拌和混凝土。
5 结束语
本桩基工程完成后, 托福建省建筑工程质量监督检测中心站进行桩静载试验和动测检验。静载试验结果表明, 单桩承载力均符合设计要求;动测检验结果合格率达100%, 其中一类桩43根占91.5%, 二类桩4根占8.5%。根据本桩基工程施工案例, 有深刻的体会:严格按规范和设计要求, 精心组织施工, 加强施工管理力度, 切实建立现场技术管理体系以及质量保证体系, 大直径钻孔灌注桩的施工技术及工艺是可行的, 施工质量是可以保证的, 并且能够取得良好的社会及经济效益。
摘要：本文结合工程实例, 具体阐述了大直径钻孔灌注桩成套施工技术, 并针对以往施工中常见的工程质量问题, 提出了相应的预防及处理技术措施。
大直径钻孔灌注桩施工的质量控制 篇5
由于钻孔灌注桩的施工大部分在水下进行, 其施工过程无法观察, 不可预见因素多, 稍有不慎就可能出现各种质量问题, 所以必须要从施工准备、成孔、清孔、灌注水下混凝上等施工全过程中各工序、各环节着手开展质量控制, 以期保证或者提高钻孔灌注桩的成桩质量。现对影响钻孔桩质量的关键因素及改进措施进行探讨。
1 影响因素
1.1 孔壁泥皮的影响分析
众所周知, 在钻孔桩成孔过程中, 泥浆的作用至关重要, 尤其是在大直径深长桩的成孔过程中, 泥浆不但可以护壁防塌, 而且可以上浮钻渣。但是由于钻孔桩钻孔过程中需采用泥浆护壁成孔, 必然会在桩侧产生一定厚度的泥皮, 桩侧泥皮的存在对桩侧摩阻力的发挥产生了重要的影响。
1.2 孔底沉渣的影响分析
由于钻孔桩属于非挤土桩, 在成桩过程中桩端土非但不产生挤密作用, 相反出现扰动, 应力释放, 同时在桩底往往产生沉渣, 使桩端阻力降低。孔底沉渣属松散结构, 其强度一般比桩端土层端阻力低, 当沉渣厚度较大时, 犹如桩底存在“软垫”, 受沉渣影响, 桩端极限承载力受沉渣强度控制。孔底沉渣使桩底部刚度减小, 桩端阻力不能正常发挥, 从而降低桩的承载力。
1.3 成孔成桩时间的影响分析
钻机进尺较慢时, 钻进过程对孔壁的扰动较大, 孔壁粗糙度较大, 这对承载力提高是有利的。但总体来讲, 成孔时间过长, 桩的承载力将明显降低。因为泥浆在孔内时间过长, 形成的泥皮相对较厚;同时, 因为钻孔灌注桩为非挤土桩, 当钻孔完成后, 孔壁应力释放, 且随着时间的增加, 孔壁应力释放越多, 这种卸载作用易造成土体塌落, 使土的天然结构松动或破坏, 土体抗剪强度降低, 从而降低了桩侧摩阻力。
1.4 成桩后时间效应的影响分析
粘土中非挤土灌注桩承载力随时间的变化, 主要是由于成孔过程中孔壁土受到扰动, 由于土的触变作用, 被损失的强度随时间逐步恢复;另外桩土接触面的水泥浆本身也有凝结硬化、强度增长的过程。
1.5 施工工艺的影响分析
钻孔灌注桩常用正循环施工方法和反循环施工方法两种施工工艺。正循环施工工艺一般采用自流式循环泥浆, 施工设备简单轻便, 操作简易, 工艺技术成熟, 适用于狭小场地作业, 工程费用较低, 但对桩径较大、桩孔较深及容易塌孔的地层, 正循环钻进施工钻进效率低, 采用的泥浆比重较大, 用正循环泥浆排渣, 泥浆上返速度慢, 孔底沉渣多, 孔壁泥皮厚。反循环成孔工艺操作较为复杂, 施工中采用较小的泥浆比重, 并采用泵吸反循环或气举反循环工艺清渣, 成孔效率高, 对孔壁的冲刷作用小, 在孔壁上形成的泥皮相对较薄, 清渣较干净, 成孔质量好。但有少数观点认为, 采用正循环成孔所形成的孔壁粗糙, 桩的承载力较高, 采用反循环成孔所形成的孔壁光滑, 成桩的承载力较低。但普遍观点认为:反循环施工工艺在成孔质量上明显优于正循环施工工艺。通过大量资料分析认为:为确保大直径深长钻孔灌注桩的成孔成桩质量, 宜采用反循环施工工艺。
2 改进措施
2.1 后压浆技术
众所周知, 钻孔灌注桩是属于成桩质量可靠度较低的桩型, 一般在成孔过程中无法避免持力层扰动, 并且孔底总是残留一部分沉渣, 使持力层状态发生变化, 同时, 桩端阻力往往由于沉渣形成的“软垫效应”而不能充分发挥出来, 为消除这种影响, 可采取压浆工艺。后压浆技术是在己完成的钻孔桩桩底和桩侧进行压浆, 以达到胶结固化桩底沉渣和改善桩土界面条件, 提高单桩承载力的目的。
2.2 改变桩型
桩身的几何外形也是影响承载力的主要因素之一。直身桩型本身限制了桩侧摩阻力的发挥, 于是人们不得不另辟蹊径, 把目光放在了桩孔孔壁变化上, 以期来改变直身桩平滑的孔壁来提高桩侧摩阻力, 于是出现了三种新的成孔方法:挤压多支承力盘、凹凸型成孔及钻孔变截面成孔, 与之相应的三种桩型为:多支承力盘桩、凹凸桩及变截面桩。前两种桩型一般不适用于大直径深长钻孔灌注桩, 后一种桩型在大直径深长钻孔桩中有所应用。
2.3 施工控制
(1) 泥浆控制:泥浆在钻孔过程中的作用至关重要, 其各项指标控制着钻孔的效率和成孔质量。泥浆性能好, 则其护壁效果好、孔壁泥皮薄, 孔底沉渣少, 可确保桩基的有效承载力;泥浆性能差, 则其在孔壁会造成较厚的泥皮, 减少了桩周摩擦力, 并在孔底形成很厚的沉渣, 从而降低桩基承载力。因此泥浆应根据现场地质情况和钻孔经验进行配置, 并应在钻孔过程中根据实际情况进行调整, 使泥浆既要达到护壁防止塌孔的效果, 又要能有效地悬浮钻渣, 同时力争成桩后泥皮对桩基承载力的影响降低到最低程度。
(2) 清孔控制:由于桩底沉渣直接影响桩顶沉降, 进而影响桩基极限承载力, 所以必须加强清孔质量, 严格控制桩底沉渣厚度。大直径钻孔灌注桩一般都要进行两次清孔, 当钻到设计标高后, 要求不停机、不提钻、不给进, 进行第一次清孔, 待钢筋笼下放、导管安装结束后, 在混凝土浇灌前, 进行第二次清孔, 实践证明, 进行两次清孔可以有效地减小沉渣厚度。
(3) 成孔成桩时间控制:成孔成桩时间长短也是影响钻孔灌注桩承载力不容忽视的因素, 故应加强施工管理, 改进施工工艺, 选择合适的施工机具, 加快工序衔接, 完善灌注方法, 力争尽快成孔成桩。
(4) 混凝土浇筑控制:钻孔灌注桩的混凝土浇筑, 特别是水下混凝土的浇筑, 容易产生各种质量问题, 如离析、缩颈、夹泥、断桩等, 将会极大地影响承载力, 因此必须严格按照规范施工, 加强混凝土浇筑控制。
3 结语
钻孔灌注桩每一道工序的施工都必须认真严格地进行, 任何一个疏忽都有可能给桩基带来施工事故或质量事故。本文对影响钻孔桩质量的关键因素及改进措施进行了系统的探讨, 对付事故的最好办法还是以预防为主, 在施工之前, 就应做足一切必要的防患措施, 尽量做到少出事故。万一出现事故, 就需要采取恰当的措施改进。
摘要：大直径钻孔灌注桩施工过程不可预见因素较多, 现对影响大直径钻孔灌注桩质量的关键因素及改进措施进行分析和探讨。
关键词：大直径,钻孔灌注桩,质量控制
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大直径钻孔在瓦斯抽采中的应用 篇6
杉木树矿于1972年简易投产,原设计生产能力90万t/a,2011年实际产量为115万t/a,为煤与瓦斯突出矿井,矿区开采的煤层为上二叠统宣威组内的B4上、B4、B3+4煤层。根据2008年7月的矿井瓦斯等级鉴定结果可知:矿井瓦斯绝对涌出量116.668 m3/min,矿井瓦斯相对瓦斯涌出量46.477m3/t,二氧化碳绝对涌出量26.219 m3/min,二氧化碳相对涌出量10.445 m3/t。我国在运用小直径钻孔针对不同地质条件下煤层进行瓦斯抽采的技术研究得较多,在大直径钻孔抽采瓦斯方面的理论研究近些年也逐渐增多,在大直径钻孔的实际应用方面也取得了较好的效果。以杉木树矿为例,在采用大直径钻孔进行瓦斯抽采之前,抽采钻孔直径为75mm,钻孔单孔流量较ф120 mm以上的大直径钻孔小,抽采率低;但采用大直径钻孔技术后[1,2,3],钻孔工程量得到明显减少,瓦斯抽采率也有效提高。
1 大直径钻孔施工设备
杉木树矿所使用的大直径钻孔施工设备主要是CMS1-3200/58型全液压钻机、ZDY4000L型和ZDY4000S型全液压钻机,当挂孔高度﹤1.5 m时则使用ZY-750(D)型全液压钻机,通过二次成孔的方式形成大直径钻孔。所用钻杆为ф110 mm螺旋钻杆和ф73 mm外平钻杆;所采用的钻头为三翼合金钻头,选用ф215 mm、ф190 mm、ф153 mm、ф130mm和ф120 mm多种规格的合金螺旋钻头,适用于煤层瓦斯抽放钻进及软岩地层中的地质钻进。
与普通直径的钻孔相比,大直径钻孔的优势体现在:①增加了施工钻孔时排出的煤粉量,在钻孔周围易形成较多的裂隙,解吸瓦斯释放通道多且相互连通,从而大幅度降低煤层内瓦斯压力,并增加煤体的塑性;②大直径钻孔产生裂隙的同时,煤体内积蓄的弹性能部分释放,使掘进工作面前方和两帮的集中应力得到释放,并迫使集中应力带向前和巷帮深部移动,降低了掘进段和巷帮的集中应力,增加了有效卸压范围,减小了发生突出的可能性[4,5,6,7,8,9]。
2 大直径钻孔钻进工艺
2.1 稳定钻机、调整方位角及倾角
先安置CMS1-3200/58型和ZDY4000L型全液压钻机主机,使机身纵轴线与钻孔方位处于同一垂直平面内,主机前端距孔口留够接钻杆距离,主机位置确定后,将钻机四角的4根液压油缸伸出使钻机履带离地,油缸上部接顶。按设计要求调整钻孔倾角,将给进机身、前后横梁、支撑杆等组件之间的盖瓦分别松开,然后根据设计的倾角用调角油缸将机身缓缓调整到设计所要求的角度,再将松开的盖瓦锁紧。
2.2 钻机试运转
连接好各油管,进行通电试运转,钻机试运转正常后,在钻机卡盘内插入ф73 mm主动钻杆并用U型卡插接好螺旋钻杆及钻头或在钻机卡盘内插入ф73 mm外平钻杆及钻头。
2.3 开孔及正常钻进
将给进压力调到最小,将给进手把推到给进位置,再缓慢增加给进压力。当钻具开始移动时,停止增加给进压力,让钻头旋转着慢慢推向岩面进行开孔,待钻头接触岩石后,将给进压力调节到规定值的50%左右钻进约2 min后,将给进压力逐渐调到规定值,开始正常钻进。钻进完1根钻杆后,加下一根钻杆,继续钻进,如此循环钻进。
2.4 钻进工艺流程
当钻机钻进至设计要求深度或者碰到异常情况为了防止孔内事故的发生时,停止钻进,开始退钻杆:操作动力头带动钻具后移,退出1根钻杆后,卸出U型卡,取出螺旋钻杆,操作动力头及主动钻杆前移,接上孔内的螺旋钻杆,插上U型卡,然后再退钻杆。如此循环操作,至退出全部钻具为止,并及时封孔[10,11]。其钻进工艺流程如图1所示。
3 现场应用情况
杉木树矿从2013年开始,实现了瓦斯抽采钻孔全部为ф120 mm以上的大直径钻孔,主要是分布在S30、N30、N24、N26这4个采区。下面分别介绍顺层大直径钻孔在3022工作面和N2492工作面的应用情况。
3.1 N3022工作面的概括
N3022工作面位于N30采区西翼,北为布置的N3042工作面,西为N30采区保护煤柱,南为已经完成回采的S3022工作面,东为N3022-2工作面。煤层厚度为1.2~3.6 m,平均厚2.1 m。N3022工作面位于滥泥坳向斜北翼,属向南倾斜的一单斜构造。煤岩层产状:倾向335°~350°,倾角2°~5°,平均3°。根据掘进施工期间的瓦斯涌出实测资料,推算该巷道的绝对瓦斯涌出量为3.3 m3/min,相对瓦斯涌出量为20.84 m3/t。
3.1.1 钻孔布置方式
钻孔按照三花眼双排布置,间距2 m;钻孔方向垂直于工作面两巷,沿煤层施工(图2)。
3.1.2 应用效果分析
实测资料表明,大直径钻孔瓦斯抽采效果明显,单孔流量显著增加,瓦斯浓度得到较大提高,控制的瓦斯抽采范围增加,配合ZY750D型全液压坑道钻机使得施钻速度更快,施钻孔深更深,遇软煤层打钻过程中的垮孔现象减少,高瓦斯突出矿井瓦斯治理及时有效,大大减少了煤与瓦斯突出事故。在同等负压下,直径为120 mm钻孔流量为0.042 3 m3/min~0.067 6 m3/min,ф120 mm钻孔单孔流量比ф75mm(0.016 2 m3/min~0.019 5m3/min)钻孔单孔流量有显著提高,大大增加了瓦斯抽采率,从而确保了高瓦斯的有效利用,变废为宝。
N3022工作面于2013年3月开始抽采,抽采负压为13 k Pa,工作面瓦斯抽采情况见表1。从表1可以看出,投入抽采后瓦斯抽采浓度高,均在30%以上,其中有16组达到40%以上,初始流量为300~570 L/min。
将同负压情况下ф120 mm钻孔和75 mm钻孔瓦斯浓度、流量参数进行对比可知,75 mm钻孔单孔纯流量为0.008~0.015 m3/min,ф120 mm钻孔单孔纯流量为0.012~0.034 m3/min。可以明显地看到,采用了更大直径的钻孔对煤层瓦斯进行抽采时,瓦斯抽采率显著提高,煤层的瓦斯涌出量减少,消除或降低了煤层的突出危险性,减少了瓦斯超限、煤与瓦斯突出等危险对采掘生产的影响。
除此之外,经现场试验发现ф120 mm顺层平行钻孔的工程量比ф75 mm顺层平行钻孔减少约200个,节约抽采时间约20 d,钻孔施工效率得到了显著提高,且瓦斯控制范围增大。尤其在钻场紧张的情况下,可以缓解钻场布置紧张的压力,为采区、采面巷道掘进赢得时间。
N3022工作面于2013年8月完成钻孔施工,2014年7月抽采瓦斯量1 061 842 m3,现已开始进行回采。
3.2 N2492工作面概况
N2492工作面东至采区保护煤柱(煤柱以西为已结束的N20采区),西至N24采区中部保护煤柱,北为已开采的N24112工作面,南为已开采的N2472工作面,工作面平均走向长1 000 m,南北宽200 m,储量118.4万t。N2492工作面位于滥泥坳向斜北翼,煤(岩)层产状变化不大,倾向135°~155°,煤层倾角9°~15°,平均12°。据已揭露资料推测,该工作面内存在3条对工作面回采有较大影响的断层。
N2492工作面现已在回采过程中,根据DGC瓦斯测定仪测定,该工作面残余瓦斯含量最大为7.889 1 m3/t,结合2009年煤炭科学研究总院重庆研究院对杉木树矿的测定结果,其残存瓦斯含量为2.19 m3/t,计算得出N2492工作面可解吸瓦斯量为5.699 1 m3/t(表2)。根据《N2492工作面回采作业规程》中日产量为3 005 t,可知N2492工作面瓦斯预抽率、残余瓦斯含量及可解吸瓦斯量均符合AQ1026—2006煤矿瓦斯抽采基本指标中的相关要求。
2014年2月和11月,N2492工作面回采过程中出现了29次瓦斯超限和36次防突预测超标的情况,其中每米预测钻孔瓦斯涌出初速度的最大值Qmax=17 L/m;每米预测钻孔钻屑量的最大值Smax=4.2 kg/m。经过杉木树矿对N2492工作面造成超标情况的分析总结,认为其存在问题还是在钻孔设计和施工过程中的管理:①N2492工作面下块分别在中巷和运输巷施工钻孔,但钻孔未能交叉覆盖空挡区域;②钻孔施工过程中钻孔长度不一造成工作面存在三角带;③封孔仍然存在长度不够、不严实情况。N2492工作面ф120 mm及以上钻孔混合流量45.0~56.7 L/min,纯流量27.00~31.75 L/min,分别是ф75 mm钻孔混合流量和抽采纯流量的1.67~2.10倍和3.38~3.92倍。
4 全矿井应用效果总结
2014年1—11月完成打钻进尺197 744 m,其中大直径钻孔进尺163 948 m,12月份打钻进尺计划19 000 m,其中大直径钻孔约16 150 m,则全年杉木树矿完成打钻进尺216 744 m,其中大直径瓦斯抽放孔180 098 m,大直径钻孔进尺占全年总进尺的83.1%(表3)。采用大直径钻孔抽放瓦斯,钻孔施工效率可提高在1~2倍,为采煤工作面治灾赢得时间和空间,缓解掘进工作压力;抽采效果好,能够很好解决生产过程中的瓦斯问题;大功率钻机扭矩大,排渣较容易,可广泛用于低透气性高瓦斯松软厚煤层工作面。
注:N26轴部运输巷、N3042胶带运输巷、N3042回风巷碛头钻孔总进尺包含水力割缝。
5 结语
大直径钻孔投入使用后,杉木树矿N3022工作面瓦斯抽采浓度高,均在30%以上,其中有16组达到40%以上,初始流量为300~570 L/min;N2492工作面ф120 mm及以上钻孔混合流量为45.0~56.7 L/min,纯流量为27.00~31.75 L/min,分别是ф75 mm钻孔混合流量和抽采纯流量的1.67~2.10倍和3.38~3.92倍;S3062回风巷及切眼掘进未出现防突预测指标超标的情况。从而可知,大直径钻孔在杉木树矿的应用情况良好,在地质情况相同或相似的矿井可推广应用该技术,施工大直径钻孔,可有效提高瓦斯抽采率,减少突出事故的发生,有助于矿井的安全生产。
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大直径钻孔灌注桩断桩处理方案 篇7
随着社会发展,市场经济不断深化,我国高速公路正在日新月异的发展,桥梁和隧洞工程在高速路上广泛运用。为适应当前科技水平的发展,现代化施工要求,机械化程度不断提高,桥梁工程中大直径桩基不断的增多。桥梁桩基由于深埋在地表下,再加上多数施工区域地下水较高,岩溶较多,因而桩基的质量一直都难以控制,桩基质量将直接影响桥梁的整体质量。因此,大直径桩基的施工是很多桥梁工程技术人员非常关注的问题,也是桥梁施工中的一大关键工序。
2 工程概况
遵赤公路白蜡坎—茅台段高速公路是《泛珠江三角洲区域合作公路水路交通规划纲要》“十射、五纵、五横、六条国际通道”高速公路网第八射“麻江—遵义—泸州支线”中的一段,在贵州省骨架公路网规划中,是“三纵三横八联八支”中的第三联赤水—马场坪高速公路中的一段。路线起于遵义县鸭溪镇白蜡坎西部方向的岩脚,经过遵义县的枫香镇、仁怀市的长岗镇、坛厂镇、中枢镇,止于茅台镇。玉岩坡Ⅱ号大桥位于遵赤公路白腊坎—茅台段高速公路第六合同段分幅路基上,左幅桥为13×30 m先简支后结构连续预应力混凝土T形梁,桥宽11.25 m,桥梁全长399.87 m。
3 桩基施工及断桩原因分析
1)桩基施工情况。玉岩坡Ⅱ号大桥左幅12号桥墩原设计为两根分别为40 m,44.5 m长,1.8 m×2.2 m的方孔桩。因该桩基顶标高下10 m左右为人工回填土石的桥梁锥坡坡脚,且地勘报告显示该桩部分段落经过溶洞,采用人工挖孔易造成锥坡不稳定或其他安全隐患,因此通过多次与业主协商,将该桥墩桩基变更为两根直径2.5 m的钻孔灌注桩,右桩桩长为42 m,左桩桩长39.5 m,将原设计桩顶地系梁设计为桩帽式连系梁。地勘报告中提示右桩在19.1 m～22 m处有溶洞,建议采用亚黏土夹碎石充填,地勘钻孔位置在该桩中心位置右侧2.7 m处。该桩冲孔过程中,分别在距桩顶19.4 m和31.4 m处泥浆全部漏完,在孔内重新加水泥和黄泥拌合料进行冲孔;在距孔顶37.9 m及40.9 m处均出现不同程度的泥浆下沉情况。该桩混凝土灌注过程中,采用外径400 mm,壁厚8 mm的钢管作导管,用罐车运输混凝土进行灌注。7 d后,采用超声波检测技术对该桩进行检测,结果为该桩在18.5 m～21 m处混凝土离析,半破损检测(钻芯取样)情况与超声波检测情况基本吻合,判定为Ⅲ类桩。
2)断桩原因分析。主要原因是混凝土导管较小,导管影响的范围及经受的压力均不够,导管焊缝出现裂纹后漏浆,检查发现断桩后,对施工过程中用的所有导管进行仔细检查,对有怀疑的导管进行密封性检查,发现有一节导管出现漏水现象。其次有可能是在混凝土灌注过程中,溶洞段泥浆护壁坍塌,混凝土流失,泥浆被混凝土挤压进桩体,造成此次断桩。
4 断桩施工处理方案
由于该桩直径较大,桩基主钢筋和箍筋全部布置在外圈,钢筋保护层厚度为5 cm,因此桩基中间部分为素混凝土,在桩基中间开挖直径为1.0 m的圆孔到17.5 m处,18.5 m～21 m段挖孔直径为2.4 m,能看见主筋的1/2,17.5 m～18.5 m为开挖孔孔径渐变段,开挖完毕后对开挖部分桩基进行重新灌注混凝土。对混凝土开挖的整个过程,均采用风镐进行挖凿,不得用膨胀剂或微爆破。凿完混凝土后,在桩基18.5 m～21.3 m段,布置25的二级钢筋在直径为2 m的圆周,间距为15 cm,增加新老混凝土的连接。混凝土灌注仍然采用外径400 mm,壁厚8 mm的钢导管,先洒水将原混凝土润湿,按灌注桩的浇筑方法进行混凝土灌注,因为人工打振动泵浇筑混凝土不好操作,孔内有桩基体内散发出的温度,还有新浇混凝土的温度,温度较高,易造成人员安全隐患。
5 结语
本文所介绍的断桩情况从2008年11月2日开始决定处理,2008年12月10日进行混凝土灌注,2008年12月18日检测结果显示为18 m～21 m,声速偏低,波形异常,判定为Ⅱ类桩基;标志着本次断桩处理取得成功,但耗时。混凝土工程为一次性成品工程,一旦出现质量问题,处理十分困难,耗时又不经济,如遇本文叙述的相关情况,应结合工程实际情况慎重处理。同时,建议在进行大直径灌注桩混凝土施工时,尽量采用外径大于500 mm的混凝土导管。导管小了,一方面影响半径不够,易造成桩基外圈混凝土不密实,检测不能通过,另一方面易出现导管壁或接头部位破坏,造成漏浆。
参考文献
[1]JTJ 042-94,公路桥涵施工技术规范[S].
大直径顶板钻孔 篇8
1试验地点概况
13091工作面对应地面位于平陌至大冶公路以北, 宋大铁路桥以东, 地面村庄有耿湾和张庄, 东有大冶至平陌简易公路通过, 地面地势较平坦, 起伏不大。工作面东有14361采空区, 西临13051、13071采空区, 北临原弋湾矿采空区, 南有13胶带下山、13回风下山。工作面走向长750～520 m, 平均635 m, 倾向长90～50 m, 平均70 m, 面积44 450 m2, 工业储量46.6万t, 可采储量39.6万t。
2理论依据
根据煤层赋存情况, 煤层平均厚度在 6 m以上, 高位抽放巷从采区回风巷开口, 在工作面顶板预计裂隙带内先沿回采工作面走向打一条贯穿工作面走向的专用抽放瓦斯巷道 (图1) 。巷道垂距一般应处在顶板裂隙带内。走向高抽巷初次抽出瓦斯位置一般在工作面回采到距切巷 28 m左右, 大量抽出瓦斯位置在38 m左右。利用走向高抽巷进行抽放解决工作面回采期间的瓦斯涌出, 大大缩短了高抽巷初次抽出瓦斯的距离, 减少了工作面回采期间的瓦斯超限次数。
依据高抽巷抽放原理, 在近水平方向上设计一组钻孔, 沿煤层走向方向施工至距切巷20 m位置处;高度控制在煤层顶板以上煤层厚3～5倍处, 使用MK-7钻机配最大直径 (Ø153 mm) 钻头, 钻出一条位于煤层顶板裂隙带内的微型“高抽巷”, 通过收集抽放数据, 找出合理的控制层位施工角度等参数。
3实施过程
试验阶段, 设计了4个钻孔, 参数见表1。
13091工作面疏水巷标高为+50 m, 工作面切巷标高+67 m, 钻孔设计仰角较大。依据高抽巷抽放原理, 在煤层厚度的3～5倍处能取得较好的抽放效果, 13091工作面切巷平均煤厚为7 m, 因此设计钻孔的终孔位置在切巷以上30 m处, 如图2所示。
在施工过程中, 1#和2#钻孔与13091工作面本煤层预抽钻孔打透报废, 在邻近位置补2个孔, 但考虑对比抽放效果, 所以将2个孔也封孔, 最后成孔为6个。原始成孔Ø93 mm, 最后扩孔为Ø153 mm。
使用Ø75 mm钢管配合聚氨酯封孔, 封孔长度为9 m, 孔口约1 m处用水泥砂浆固定埋管。然后用埋线胶管将高位抽放孔单孔连接到集流器, 汇总到主抽放管路进行抽放, 在每个单孔外端连接阀门和孔板流量计, 用于测试单孔瓦斯浓度和流量。
4数据统计及分析
每天由专人负责测试上述6个钻孔抽放参数, 如孔口负压、瓦斯浓度、流量等, 自2008年1月16日开始, 统计了连续2周的抽放数据, 如图3所示。
(1) 成孔钻孔抽放效果。
抽放效果比较好, 尤其是控制切巷上安全出口以下30, 40 m处的2#, 3#钻孔, 效果远远好于其他钻孔。2周内浓度保持稳定, 基本保持在12%左右, 最高单孔浓度达15%, 单孔日抽放量约207 m3 (纯量) 。在工作面经过5个多月本煤层瓦斯预抽情况下, 单孔浓度在10%以上, 可见抽放效果是十分显著的。2#, 3#钻孔分别控制工作面上安全出口以下30, 40 m处, 两处煤厚分别为7.5, 8.5 m, 瓦斯原始赋存量较大。而相对来说, 上安全出口以下20, 50 m处煤厚较薄, 瓦斯原始赋存量较小, 经过一段时间的煤层顺层消突钻孔的抽放后, 瓦斯含量已降低。
(2) 与该矿16121工作面高位抽放钻场内抽放瓦斯浓度的比较。
16121共掘高位抽放钻场4个, 平均单孔抽放浓度为4%～6%, 并且衰减很快, 钻孔服务期太短。与之相比, 13091工作面实行的大直径钻孔抽放则有较好的效果, 无论单孔抽放浓度还是服务时限。
(3) 各单孔瓦斯抽放浓度随工作面向施工位置推移而浓度逐渐下降。
在疏水巷内所做大直径钻孔因为仰角较大, 随着工作面的推移, 钻孔控制顶板位置随之下移, 导致钻孔的终孔位置不能始终处于工作面煤层顶板垮落之后形成的裂隙带内, 影响抽放效果。这一点, 随着工作面与疏水巷距离愈近, 表现得愈明显。
(4) 工作面内存在的断层对抽放效果的影响。
由13091工作面瓦斯地质图可知, 工作面内存在几个小断层。在断层附近, 由于岩层和煤层松动及应力的重新分布, 瓦斯赋存的原始条件已经破坏, 煤层透气性增加。因此, 断层附近瓦斯抽放效果较好。
(5) 工作面煤层顶板岩性对大直径钻孔抽放效果的影响。
如果工作面煤层顶板稳定, 并且岩性较硬, 在工作面回采过程中能够正常垮落形成具有较多孔隙的裂隙带, 则抽放效果较好;反之, 如果煤层顶板中存在岩性较软的岩层, 如13091工作面内的泥岩层, 则容易堵塞裂隙, 导致在工作面放顶过程中, 煤层中赋存瓦斯不能很好地进入顶板裂隙带内, 影响抽放效果。
(6) 顶板岩石大直径钻孔抽放试验。
进行用顶板岩石水平大直径千米钻孔替代走向高抽巷的试验, 以期在满足抽放要求前提下, 降低巷道成本。通过采用上述抽放技术, 可以不掘走向高抽巷, 大大提前了工作面开帮采煤时间, 并且可以节省用于施工走向高抽巷的大量资金及材料。
但顶板岩石水平大直径千米抽放钻孔与走向高抽巷比较也有不少缺点:走向高抽巷断面面积一般在4～5 m2, 比钻孔断面大得多, 并且是连续不断地进行抽放, 服务时间长, 瓦斯抽放量较大, 适用于厚煤赋存稳定的工作面。而抽放钻孔孔径较小, 抽放不连续, 单个钻孔服务时间短, 呈梯次依次进行, 抽放量较小, 适用于产量不超过150万t的工作面。
5结语