采空区注浆治理（精选7篇）
采空区注浆治理 篇1
摘要：根据晋城市某采空区的地质勘察报告, 制定了采空区治理的目标, 并从注浆孔设计、注浆工艺、注浆材料、浆液配比、质量检测等方面, 阐述了采用注浆法进行采空区治理的设计方案, 为类似工程施工积累了经验。
关键词：采空区,注浆法,注浆材料,质量检测
0 引言
近年来, 晋城市建成区范围不断扩大, 原来属乡村之间的大片煤矿采空区也列入了城市扩建范围, 采空区经过治理后作为建设用地的项目也越来越多。由于大多数采空区开采深度较深, 开采后任其垮塌, 终采关闭矿后时间较长, 许多采空区已无法下人采取治理施工, 所以大多采用了注浆法治理采空区, 本人参照相关规范, 总结了部分工程治理设计实例, 提出了注浆法采空区治理设计的基本方法步骤, 作为注浆法采空区治理设计的参考, 以期获得推广运用。
1 采空区治理设计的基本条件
采空区治理设计的基本条件是详实准确的《采空区勘查报告》, 由于采空区现状与矿层厚度、埋层深度、采深采厚比、上伏岩层特性、顶板、伪顶板特性、矿层产状、开采方式、回采放顶方式、终采时间等各方面因素有关, 而采空区勘察的手段又有一定的局限性, 因此要求实现详实准确的采空区勘查报告难度较大, 所以, 尽管要求采空区勘查报告要详实准确, 但一定要考虑动态设计、动态施工, 在施工过程中进一步查明采空区情况, 调整采空区治理设计。
2 采空区治理设计的目的
采空区治理设计的最终目的是要满足场地稳定性要求, 满足上部建筑的承载力和变形要求, 因此采空区治理设计以及上部建筑的情况, 要依据采空区现状塌陷情况, 以及采空区对地表的影响情况, 采取不同的治理设计要求以期达到治理设计的目的。
2.1 采空区治理设计的基本内容
采空区治理设计的基本内容包括:注浆孔的设计布置;注浆孔的工艺要求;注浆材料;注浆液配合比;注浆浆液添加剂;注浆工艺要求;采空区注浆量确定, 注浆治理质量检测。
2.2 注浆孔的设计布置
注浆孔的设计布置, 要结合采空区勘查报告进行, 其范围的确定应在采空区圈定的范围基础上, 考虑建筑物的保护带宽度, 考虑采空区上覆岩层移动影响宽度。建筑物的保护带宽度, 可依据建筑物的安全等级, 按一级的30 m、二级的20 m、三级的15 m确定。采空区上覆岩层移动影响宽度可按D'=2hcotφ+H1cotβ'+H2cotγ'确定。其中, h为地表松散层厚度;H1, H2分别为采空区上山和下山边界上覆岩层厚度;β'为采空区下山方向上覆岩层斜交移动影响角;γ'为采空区上山方向上覆岩层斜交移动影响角。
式中:β———采空区下山方向上覆岩层移动影响角;
γ———采空区上山方向上覆岩层移动影响角;
δ———走向方向采空区上覆岩层移动影响角;
θ———围护带边界与矿层倾向线之间所夹的锐角 (公式字母含义见图1) 。
采空区影响宽度基岩移动影响角 (γ, δ) 可按表1取值。
注浆孔的间距可按表2选取。
在采空区范围边缘部位设置帷幕孔, 宜按双排、三角形布置、间距可取普通注浆孔间距的1/2~2/3且不宜大于10 m。
注浆孔的深度应钻至煤层下1 m~2 m。注浆孔开孔孔径宜控制在130 mm~150 mm。经变径后孔径不应小于91 mm, 变径应在进入完整基岩4 m~6 m处 (软岩取大值, 硬岩取小值) , 变径处为注浆管的封口位置。
2.3 注浆材料及配合比添加剂
注浆材料选用普通硅酸盐水泥, 强度等级不低于32.5;粉煤灰符合国家二、三级质量标准;砂粒径不大于2.5 mm, 有机物含量不大于3%;石屑或矿渣最大粒径不大于10 mm, 有机物含量不大于3%;水符合拌制混凝土要求, p H值大于4;水玻璃, 模数2.4~3.4, 浓度50°Be'以上。水泥、粉煤灰的比例应为2∶8或3∶7, 水与干料的比例应为1∶1.0~1∶1.3。并按试验确定试块抗压强度, 按设计要求达到1.0 MPa~2.0 MPa。遇采空区注浆孔吃浆量较大或采空区有水时, 可加入添加剂水玻璃, 一般为水泥重量的3%~5%。
2.4 注浆工艺要求
注浆顺序应先帷幕孔、倾斜矿层先下山脚孔, 后中间孔;注浆压力控制在1.5 MPa~2.0 MPa;单孔结束注浆标准:在1.5 MPa~2.0 MPa下, 持续15 min, 注浆孔吃浆量小于50 L/min。当地表冒浆时, 也可在孔口压力不小于0.3 MPa时结束, 后期补注浆处理。当采空区为单层时, 采用一次成孔, 自下到上, 一次全灌注施工;当采空区为多层采空区, 矿层间隔较小, 各矿层冒落、裂隙带互相贯通时, 采用上行法注浆施工工艺, 一次成孔, 自下到上, 一次全灌注施工;当采空区为多层采空区, 矿层间隔较大, 各矿层冒落、裂隙带没有互相贯通时, 采用下行法注浆施工工艺, 自上到下, 分段成孔, 分段注浆。当单孔注浆量较大时, 可采用多次间歇注浆法注浆, 注浆间隔时间12 h, 每次注浆前用清水冲孔5 min~10 min, 采空区充水时, 可灌注石粉、砂等粗骨料、加入水玻璃, 采用低压浓浆灌注等方法。
2.5 采空区注浆量的确定
总注浆量可按下式估算:
式中:S———采空区地基处理面积, 按采空区处理范围确定;
M———采空区平均厚度;
K———矿层回采率, %;
τ———灌注损耗率, 可取1.2~2.0;
η———充填系数, 取0.85~0.95;
C———结石率, 以试验确定, 并不小于80%;
α———矿层倾角;
ΔV———采空区剩余空隙率, 由采空区勘查报告确定。
单孔注浆量可按下式估算:
其中, R为注浆孔半径, 其他字母同总注浆量公式中的含义。
2.6 注浆治理质量检测
注浆治理质量检测, 一般在注浆完成6个月后, 委托第三方检测。检测指标标准见表3。
注浆孔检测数量一般为注浆孔总量的3%~5%, 位置选取可在主要建筑物下, 施工有疑点的地方, 以及设计单位认为有必要的地方。
3 结语
上述方法步骤检测标准等, 基本涵盖了采空区治理设计的主要内容。在具体的工程实践中, 应针对主要问题进一步分析研究细化, 必要时组织相关专家论证, 以期达到经济合理, 技术可行的标准。
参考文献
[1]JTG/T D31—03—2011, 采空区公路设计与施工技术细则[S].
[2]山西省交通厅, 中交通办公路勘察设计工程有限公司.高速公路采空区 (空洞) 勘察设计与施工治理手册[M].北京:人民交通出版社, 2005.
采用注浆法对采空区进行治理 篇2
山西省阳泉地区煤炭资源丰富, 开采历史悠久, 境内有许多历史年代不同, 大小、形状及埋深各异的采空区。由于采空区情况复杂, 勘察和施工时有时难以发现, 可能会造成部分已建建筑物倾斜、开裂或路基的塌陷。针对这一特殊情况, 结合当地的材料供应情况和施工条件, 一般采用注浆法进行处理。
1 注浆法加固机理
注浆法是将水泥、粉煤灰及水的混合悬浮浆液用泥浆泵通过已埋设的注浆管注入地层, 在一定压力的作用下, 浆液以填充、渗透、劈裂、挤密等方式将岩土体中的空气、自由水和毛细水排出, 并占据其位置。在灌浆初期, 水泥浆先以渗透的方式将地层中的空洞、裂隙充填, 通过控制灌浆压力, 达到充填、密实、固结地基的目的。
随着灌浆压力的不断调整, 地层形成劈裂→充填→挤密→固结→劈裂的反复循环过程。由此水泥结石体将原来松散的颗粒胶结成一个整体, 重新形成一个结构新、强度大、防水及防渗性能强的良好固结体。随着水泥微颗粒内核的不断水化, 水泥粉煤灰结石体的强度随着时间的增长不断提高。
2 注浆法施工工艺
注浆法的施工工艺流程为:成孔→下管→封孔→配浆→灌浆→清洗灌浆设备。
2.1 钻孔成孔要求
采用口径≮89.00 mm的钻头回转钻进成孔, 终孔层位为穿过丈八煤确认煤层底板终孔。
2.2 下管
钻孔达设计层位终孔后, 立即下注浆管。
若为裂隙孔, 注浆管采用Φ 32.00 mm的UPVC管。花眼间距为15.00～20.00 mm, 交叉分布;花眼直径为Φ 5.00 mm～Φ 10.00 mm。
若为采空孔, 注浆管采用Φ 75.00 mm的UPVC管。
2.3 封孔
将加工好的花管轻轻地下入孔内, 然后用微湿的强度为32.5 MPa的水泥捣实。
封孔段长度:封孔段≮2.00 m。
2.4 灌浆主要控制指标
(1) 灌浆段长度:
根据地层情况及加固目的确定。加固目的一般有以下几种情况:充填采空区、充填挤密因采空引起的岩层裂隙带、塌陷位置周围地基的加固补强, 应视具体工程情况确定。
(2) 灌浆压力:
在选择灌浆方案时, 根据加固目的和不同地段地层的可灌性, 可采用渗入性灌浆、劈裂灌浆和压密性灌浆。渗入性灌浆以无压自流为主, 待地层中的浆液基本充填满后, 再逐步加压至设计压力;劈裂灌浆和压密性灌浆的设计压力一般为0.10～0.50 MPa。
(3) 浆液配比:
根据各孔地层实际吃浆量的大小, 随时调整浆液的配比。浆液配比按质量比计算, 水固比控制在0.6∶1～1∶1之间, 固相比控制在2∶8～4∶6之间。
(4) 所用材料:
主剂为不稳定的粒状悬浮材料, 即P·S 32.5水泥和粉煤灰;溶剂为一般饮用水。在地层吃浆量大时, 根据其吃浆情况向孔内添加适量的石子和石屑来控制浆液的流动性, 以避免浆液扩散范围过大造成浪费。
(5) 搅拌时间:
将主剂与溶剂按设计比例放入搅拌机内搅拌3～5 min, 待水泥、粉煤灰与水充分混合后, 用泥浆泵将均匀混合的水泥粉煤灰浆液送入孔内。
2.5 灌浆工艺
按照成孔→下管→封孔→配浆的程序完成后, 将注浆管与孔内管路牢固连接, 通过泥浆泵先以无压自流状态将水泥粉煤灰浆液送入孔内。当孔壁周围一定范围土层内的浆液灌满后, 管路上的压力表开始显示压力, 此时通过控制泥浆泵的回流量来控制灌浆压力。在灌浆压力作用下, 浆液克服地层的初始压力和抗拉强度, 引起土体结构的破坏和扰动, 使地层的可灌性和浆液的扩散距离增大, 达到地基补强加固的目的。
当地层吃浆量较大时, 可通过增大浆液浓度、添加粗骨料、间隔灌浆、调整压力等技术手段来控制浆液的扩散半径, 使浆液控制在有效范围内, 达到节省材料和地基加固的最佳效果。
2.6 终止标志
(1) 地面出现溢浆。间歇一段时间后进行复注, 直到压力达到0.50 MPa以上且吃浆量很小或不吃浆, 即可终止。
(2) 钻孔间窜浆。将窜浆钻孔封堵后继续灌注, 直至达到设计压力。
(3) 压力急剧上升至0.50 MPa以上, 且浆液无明显消耗即可结束。
(4) 若注浆过程中地面出现裂缝、地鼓等现象, 即可结束。
3 工程实例
3.1 工程概况
中石化阳泉分公司盂县七里沟加油站位于山西省盂县清城乡乌玉村东214省道北侧。加油站于1998年建成并投入使用。2007年3月27日早晨, 在站棚东侧、油罐区南侧, 1辆运煤车进站加油时路面突然塌陷, 将拖车后轮陷入坑内。将汽车救出后, 发现混凝土路面下的塌坑南北向约8 m、东西向约6 m、深约15 m。经对路面坍塌原因进行分析, 该塌坑是由于15号煤层开采后采空区冒落引起上部地层坍塌所致。
根据坍塌原因进行了治理方案设计, 一是将塌坑用素土尽快充填, 避免坑壁坍塌危及站棚和油罐的安全;二是采用水泥灌浆法对采空区进行充填密实, 并对塌坑回填土进行充填补强加固。治理范围为油罐区南部塌坑周围20 m×15 m, 目的是加固塌坑周围已松动的土层及充填密实周围的采空巷道, 孔间距为5 m, 深度为22～30 m。方法为压力灌浆, 所用材料为P·S 32.5水泥, 水灰比为0.6∶1。
3.2 处理效果检验
对该工程采空区注浆加固的效果, 采用钻探方法进行了抽检。根据规范要求和场地采空塌陷情况, 结合现场实际注浆的吃浆情况, 边施工、边进行抽检。如果在施工时有空隙, 再次进行注浆到注满为止;如果检验时采空部位无空隙, 则表明已注满。
该工程通过钻探施工过程中的钻进速度、难易程度、冲冼液的消耗情况、岩芯的采取率和完整性等指标来检查注浆的效果。
(1) 从钻进速度来看, 在检查孔施工过程中, 与施工注浆前钻孔的情况相比, 钻进效率明显降低。
(2) 从钻进的难易程度来看, 在施工检查孔过程中, 与施工注浆孔时相比钻进难度增大, 钻机操作人员在实际操作中感觉地层明显变硬, 在相同压力下不进尺, 只有加大压力才能钻进。
(3) 从冲冼液的消耗情况来看, 在施工注浆孔时, 孔内基本不返水;而检查孔施工中孔内返水情况良好, 并且消耗量不大, 说明通过注浆原地层中的空洞已被充填、空隙已明显减少, 地层的透水性降低, 注浆效果明显。
(4) 从岩芯的采取率和完整性来看, 在整个钻进过程中没有掉钻现象, 岩芯采取率由原来的60 %提高到95 %以上, 在整个钻孔的岩芯中均不同程度地见到块状、脉状、柱状、星点状的水泥粉煤灰浆液结石体, 在采空部位提取到灰白色的水泥和粉煤灰混合物的结石体。
以上情况表明, 采用注浆加固效果明显, 达到了采空区充填地基加固补强的目的。
参考文献
[1]杨爱青.黄土丘陵区中小煤矿土地塌陷规律探讨[J].山西煤炭干部管理学院学报, 2004, 17 (2) :61-62.
[2]李富平, 邹继兴, 刘福东.地方矿业开发引起的地表塌陷问题及防治对策[J].河北理工学院学报, 1999, (S1) :70-73.
浅谈采空区锚杆桩注浆施工 篇3
1 工程概况
长深高速公路唐山段第二合同采空区位于长深高速遵化段东互通内,采空区共5个,其中4-8号,4-9号位于主线路基及D匝道与主线连接处,对路基稳定性影响较大。根据专家组对4-8号,4-9号采空区重新物探后提出的处理方案是锚杆桩注浆+C30钢筋混凝土框架梁+玻璃纤维土工格栅,其中锚杆桩注浆范围沿路基方向长150 m,垂直路基方向宽78 m,锚杆桩横向间距3 m,纵向间距3 m,处理深度为桩点填土高度加15 m。锚杆桩采用ϕ140 mm钻孔后插筋、注浆。
2 施工技术及要求
2.1 施工准备
根据现场锚杆桩施工范围,对已填筑的路基进行抄平,按照图纸提供的设计坡率及标高对路基进行整平,碾压密实,采用全站仪放出锚杆桩主轴线控制桩位。现场技术人员根据控制桩位按桩距3 m×3 m进行加密,且注浆锚杆桩孔位误差不大于5 cm。
2.2 施工过程
1)根据锚杆桩的桩位,在钻机的左前方开挖泥浆池,边沟两侧的土略高出地面20 cm左右,保证泥浆正常循环,通过对泥浆进行加膨胀土进行调浆,采用此浆进行护壁。
2)钻机就位后,准确的检查钻杆是否对准桩位,钻机是否平稳,牢固,钻机的位置不要影响其他钻机施工。钻机开钻前,先检查泥浆循环系统的密封情况,如发现漏浆情况及时处理。
3)启动泥浆泵待循环系统正常后,才能开动钻机慢速回转并下放钻头。开始钻进时先慢转,当钻头正常后,逐渐加大转速调整钻压。在换或者加钻杆时,要将钻杆卡好,以防掉入孔内。
4)钻进过程中应细心观察进尺及孔口泥浆的含砂石情况,当孔口涌出泥浆量较少时应适当减慢钻进速度,并加大浆液稠度,待翻浆正常后再正常钻进。
5)钻进时如孔内出现坍孔等异常情况时,应立即将钻具提离孔底并控制泵量,保持泥浆循环以冲动坍落物,同时向孔内输送性能符合要求的泥浆,以抑制继续坍孔。
6)为提高钻进效率和保证孔壁稳定,必须及时换浆和排渣,确保泥浆性能指标满足钻进成孔要求。
2.3 钢筋笼及注浆管制作安装
1)锚杆桩钢筋笼由2根Φ25螺纹钢并排焊接在一起,焊接长度按单面焊不小于25 cm,双面焊不小于13 cm,控制好焊接的起灭弧长。
2)注浆管采用2根外径20 cm塑料管,下料长度大于桩成孔深度40 cm。第一次注浆管管底不必密封,四周不开孔;第二次注浆管管底密封严实,孔口向下5 m开始,每隔2 m设置4个出浆孔,采用塑料胶布封住,防止浆液流入堵塞注浆管。
2.4 成孔检查
锚杆桩成孔后及时清孔,通过计算取出钻杆的长度来测定桩的成孔深度,通过不断的调整泥浆的稠度达到清孔的效果。 若暂时不能安装锚杆桩和注浆,应采取措施对进钻孔进行保护,防止碎石土落入堵塞孔口。
2.5 钢筋笼吊放
1)钢筋笼在运输吊放过程中严禁高起高落,以防弯曲变形。
2)钢筋笼下放时,应先对准孔位,缓慢轻放,避免碰撞孔壁,下笼过程中如遇到阻力,不得强行下放,应查明原因后继续下笼。在钢筋笼下放过程中把注浆管及时绑扎在钢筋笼上,绑扎过程中注浆管一定要保证平直,以保证注浆能够下放到指定的位置,并将第二次注浆管用红油漆做上标记,以防两根注浆管混淆。
2.6 水泥浆浇筑
1)水泥浆浇筑前必须检测其比重,确保水灰比为1∶1,且水泥浆比重在1.45～1.55之间。
2)注浆泵的安装。采用高压注浆管连接,注浆时,通过流量计来记录每孔的注浆量和总注浆量。
3)第一次注浆为常压注浆,注浆过程中注意观察孔口返浆情况,待确保孔口冒出的浆液不含泥浆时方可停止注浆。第一次注浆完成后应注意观察孔内浆液面的变化情况,在浆液面下降时要及时进行补浆,补浆所用的浆液为1∶1的水泥浆并添加适当比例的速凝剂,以保证上部浆液与下部浆液的强度相差不大。补浆后采用膨胀钠土或红粘土进行封孔,以保证凝固后的浆体与地面取平,且防止第二次注浆时孔口溢浆。
4)在第一次注浆完成后的20 h～24 h后方可进行第二次注浆,第二次注浆包括两个阶段:劈裂阶段、注浆阶段。在劈裂阶段压力可能在2 MPa以上,此时不能视为最终的注浆压力,不能停止注浆。待劈裂阶段完成后压力会缓慢的下降,再逐渐的上升。当注浆压力再次上升到2 MPa以上时才是真正的注浆压力,方可停止注浆。
5)注浆完毕后要及时做上标记,记录备案,以防漏注。
3 4-8号,4-9号采空区所遇问题及解决方法
1)4-8号,4-9号采空区锚杆桩注浆位于东互通MK10+360～MK10+510主线路基段,沿路线前进方向150 m,垂直路线方向78 m。施工图纸出来迟,工程量大,工期紧,而此路基段原地面以下50 m～54 m除表层为1 m～1.5 m为耕植土外,其余均为碎石土。从试钻的情况来看,原地面以下15 m范围内有个别的孤石,并且孤石为微风化或未风化,为施工增添了很大的难度。
根据工期紧,工程大,场地平整,作业面较宽的情况,我部采用8台汽车勘察钻机,钻头采用耐磨合金压轮钻,经过65个工作日累计完成1 290根桩,钻孔深度241 450.75延米。注浆采用4台注浆泵,6个注浆管,经过87 d累计注浆量达7 809.05 m3。
2)在第一次注浆完成后,第二次注浆过程中出现边坡冒浆。
通过观察,发现路基填筑高度达到3.5 m,冒浆部位为地面向上0.5 m的边坡处。分析原因可能是由于路基与原地面接触部位填筑了一层尾矿渣,尾矿渣间出现渗浆。现场处理办法:采用清水对第二次注浆管进行冲洗,待从路基边渗出的浆液变稀后停止冲洗,经过8 h～10 h后再进行重新注浆,若能直接注浆则第二次完成注浆,若出现同样的情况得再次处理。从现场处理情况来看,一般情况下,都在第二次就结束注浆,个别出现第三次注浆。
3)在第一次注浆时,部分注浆孔经过30 min～50 min注浆孔口仍然不冒浆,且注浆量超过设计方量。
锚杆桩孔径140 mm,孔深18.5 m,设计注浆量0.28 m3,而现场通过50 min的注浆,注浆量达1.8 m3,超方达1.52 m3。现场分析可能是路基填筑的第一层尾矿渣间出现渗透或者是遇到渗透性的沙卵石层。处理方法为从孔口直接注浆,在注浆过程中掺入钠基膨润土。钠基膨润土的加入使其与水泥颗料相互吸引发生絮凝结构,使得浆液稠度增大。另一方面,由于钠基膨润土极强的吸水性,也可使稠度变浓起到速凝的作用。注浆至孔口后,采用速凝剂进行封孔。
4)路基两侧成孔后,由于孔深缩短到15.5 m,成孔量大,不能及时注浆,经过1 d～2 d后发现部分注浆孔内护壁浆液全部渗透,孔中只有钢筋笼,成为“干”孔。
经现场技术人员发现后,进行现场确认,改变注浆方法,由原来两塑料胶管变成只用第二次注浆塑料管。
5)主线与D匝道的互通连接部位,由于连接部位狭窄无法摆放钻机施工。
根据锚杆桩的布置位置,我们对空缺处采用填筑路基的方法,分层填筑,每层按25 cm填筑,碾压密实,填筑至路基齐平后施工。
6)路基边坡及结构物范围内布置有锚杆桩,钻机无法摆放。
通过向设计代表咨询,同意采用改变横向间距,纵向间距不变,保证总桩数。由原来的3 m×3 m的间距调整为2 m×3 m的间距。
7)按专家组及业主要求对4-8号,4-9号采空区按0.6%的桩基进行钻芯取样,共钻检测孔8个,每孔深25 m,共计200 m。发现芯样大部分趋向地面10 m～18 m部位芯样呈流态灰色和灰色土样,有1个芯样完全看不出浆液。
通过业主及专家组等人员现场分析,上述8种芯样均属正常。浆液注入地下后,由于砂卵层,碎石层及沙砾层均存在不均匀的渗透力,当压力加大时,浆液会随着阻力较小的地方渗透,从而出现部分地方可能没有水泥浆。
4 结语
通过对长深高速公路第二合同4-8号,4-9号采空区锚杆桩注浆施工,我们掌握了采空区锚杆桩注浆的施工工艺,同时对采空区注浆过程中遇到的问题,认真分析,找出原因,制定方案,最终不仅按期完成了工程量,而且给项目部节约了部分资源。
参考文献
[1]李继魁.注浆锚杆在岩溶地基处理中的应用[J].山西建筑,2009,35(11):86-88.
小窑浅埋采空区注浆处理 篇4
关键词：采空区,巷道,稳定性,注浆
0 引言
随着经济的快速发展，理想的建设用地已较为紧张，在老采空区上进行道路、工业与民用建筑的建设越来越多。地下煤层开采以后，采空区上的覆盖岩层和地表失去平衡而发生移动和变形。在采空区上新建建(构)筑物，建(构)筑荷载使地基土体中产生附加应力，并按一定规律向下传递，改变老采空区上方破裂岩土地基的受力状态，使破裂岩体的应力增加，产生附加沉降，将对新建建(构)筑物的安全构成威胁。因此必须对老采空区上的新建建(构)筑物的地基采取一定的处理措施，以保证建筑物的安全。
近年来，国内众多学者对浅埋采空区的处理等加以阐述[1,2,3,4]，但大多以公路、铁路下采空区为研究、处理对象，民用建筑下的浅埋采空区治理尚处于起步阶段，工程经验较少。本文结合工程实例，对小窑浅埋采空区的处理进行阐述，为地区类似工程设计、施工积累经验。
1 工程概况
徐州经济技术开发区某办公楼，地上13层、地下1层，带1座地下车库，拟建建筑西侧有一条小煤窑巷道(见图1)，巷道始建于1995年，1996年关闭，走向北偏西，倾角约20°，采用毛石砌筑，上口宽约1.8 m，下口宽约2.0 m，高约2 m。煤层开采区域在建设场地西北约200 m处，小煤窑关闭后巷道未发生塌陷冒落，巷道顶板距离地面0 m～27 m，由于巷道埋深较浅，为保证上部建筑物的地基稳定，需对巷道进行注浆充填处理。
2 地层结构及岩性特征
场地地貌为丘陵间的剥蚀准平原地貌单元，场地整体地势南高北低，呈缓坡地形。场地内地层自上而下分述如下:
第(1)层杂填土:以粘性土夹灰渣、少量碎砖石为主，局部表层含建筑垃圾。密实度不均，呈松散状态，层厚0.40 m～2.50 m。
第(2)层粉质粘土:灰黄～黄色，可塑状态，层厚0.50 m～2.90 m。
第(3)层粘土:黄色，硬塑状态，含铁、锰质结核，层厚0.70 m～3.00 m。
第(4)层泥岩:灰黄、浅灰、浅紫等色，泥质结构，层状或块状结构，裂隙发育，裂隙有铁锰质浸染，顶部泥岩为强风化层，强风化层～中等风化层呈渐变过渡。该层最大揭露厚度14.93 m。
第(5)层灰岩:灰色，微风化，中厚层状，溶蚀裂隙较发育，充填硬塑状粘土，岩芯表面可见小溶孔。岩芯较破碎～较完整，较硬岩。该层最大揭露厚度9.00 m。
第(6)层采空巷道:该层顶部为30 cm厚毛石，底部约为10 cm～30 cm厚残留煤块、矸石等，钻探时掉钻。
第(7)层泥岩:灰黄、灰色，中等风化，泥质结构，块状结构，裂隙发育，裂隙有铁锰质浸染。该层最大揭露厚度10.80 m。
根据勘察资料，第(5)层灰岩为主要含水层，该层水具承压性质。
3 采空区稳定性评价
按照《岩土工程手册》[5]相关内容对巷道顶板稳定性进行评价，设建筑物基底单位压力为P0，当巷道顶板的埋藏深度增大到一定的深度时，使顶板岩层恰好保持自然平衡(即作用在采空段顶板上的压力Q=0)，此时的附加应力影响深度H称为临界深度H0，则:
其中，H0为临界深度，m;B为巷道宽度，m，本处按2.0 m计算;γ为巷道上覆岩层的重度，取22.8 k N/m3;φ为巷道上覆岩层的内摩擦角，取39.0°。
当H<H0时，地基不稳定;当H0≤H≤1.5H0时，地基稳定性差，当H>1.5H0时，地基稳定。按P0=20 k Pa进行计算，H0=11.8 m,1.5H0=17.7 m;按P0=200 k Pa进行计算，H0=16.7 m,1.5H0=25.1 m。
巷道顶板距离地面0 m～27 m，小于1.5H0，巷道顶板的稳定性差，存在安全隐患，为保证上部建筑物的地基稳定，需对巷道进行充填注浆处理，以保证场地的稳定性。
4 注浆处理方案
4.1 注浆方案的确定
根据巷道与建筑物的相对位置、巷道埋深及地下水情况确定注浆处理方案。
注浆处理范围为南至地下室基础，北至用地红线，总长约48.5 m(见图1)。无地下水巷道部分(Ⅰ区)采用人工砌砖墙，砖墙厚2.0 m，再注浆充填，由于工期紧，该部分的施工在地下室基槽开挖后先进行。其余部分(Ⅱ区)采用钻孔注浆的方式，在基础垫层施工完成后进行。
4.2 注浆方法
由于巷道埋深较浅，注浆材料采用素混凝土，混凝土强度等级同地下室基础，为C30商品混凝土，加水玻璃等速凝剂。注浆动力采用车载固定泵，泵送压力根据勘察时揭露的水压确定，为5 MPa～12 MPa。
4.3 注浆孔的确定
参考其他注浆工程，注浆孔采用梅花形布置，孔间距2.0 m，孔径260 mm。
5 注浆施工及质量控制措施
5.1 Ⅰ区注浆控制措施
1)混凝土浇筑采取“一个坡度、分层浇筑、循序推进、逐步到顶”的方法，混凝土分层浇筑厚度约为0.5 m，并且任其斜向流动，层层推移，必须保证第一层混凝土在初凝前进行第二层混凝土的浇筑。
2)混凝土浇筑时采用机械振捣棒振捣，增加混凝土的密实和均匀性。
3)进行混凝土的保温、保湿养护。
5.2 Ⅱ区钻孔注浆施工顺序
钻孔注浆施工有严格的施工顺序，各个施工环节都有明确的施工技术要求，其施工工艺流程见图2。
5.3 钻孔注浆施工过程中应注意的主要问题
1)钻孔定位根据勘察揭露的巷道走向，采用全站仪精确定位，误差不大于10 mm。
2)采空巷道的上部岩层以泥岩和灰岩为主，风化程度不均，局部破碎。为了保证成孔的质量和速度，本次施工采用金刚石钻头钻进。
3)钻孔施工过程中，发现漏水、掉钻、埋钻等现象应及时详细记录其深度、层位等。
4)注浆导管选用DN125镀锌钢管，丝扣连接，下入至巷道顶板，以保证孔口孔壁稳定。
5)注浆按先下游后上游的原则实施，这样不仅易于保证质量，还可以及时地检查注浆效果。
6)每孔注浆前，先测量受注孔和相邻孔的孔深，先注入清水约0.5 m3，将钢管壁清洗，确保注浆液能顺利流通。
7)清水洗孔结束后，开始注浆。注浆压力根据地下水情况随时调节。
8)为防止浆液在受注孔周围地面渗冒，注浆时观察人员在周围巡视，发现地面冒浆采用减小泵量、间歇注浆等工艺措施，避免浆液从地面大量流失。
9)单孔注浆结束标准:当泵量小于0.5 m3/min，注浆压力10 MPa～12 MPa。稳定10 min～15 min，结束该孔的注浆。
6 注浆处理效果检测及评价
注浆施工结束一个月后，进行钻孔检验，共布置4个钻孔，Ⅰ区、Ⅱ区各2个。通过现场检测，浆液对巷道采空区的充填率在90%～100%，浆液结石率为80%～100%，送检取样试块12组，经抗压试验检测，单轴抗压强度最大值为23.6 MPa，最小值为8.2 MPa。
现场检测证明，采空巷道已被混凝土充填，达到了预期目的。
7 结语
1)建筑场地下存在小窑采空巷道，埋藏较浅、地层较复杂，注浆材料的选择和施工控制需经多方面综合考虑，治理方案及施工方法经过不断优化调整，取得了预期处理效果。
2)选用经注浆充填处理后的采空区地基作为建设场地，避免了另选场地、变更设计所带来的诸多问题，既节省了造价，又缩短了工期，取得了良好的经济效益。
3)目前，本高层建筑及地下车库已建成并投入使用。根据建筑物沉降观测资料，总沉降量小于4 mm，说明经注浆处理后，采空区地基稳定性良好。
4)本工程的成功实践对类似工程具有重要的指导意义和借鉴价值。
参考文献
[1]乔云国,杨云峰,杨善勇.浅埋采空区上的地基注浆处理[J].勘察科学技术,2006(4):43-46.
[2]王桂,李维平,夏立元.注浆技术在高速公路下伏煤矿采空区治理中的应用[J].西部探矿工程,2006(12):61-63.
[3]朱宜生,刘松玉,童立元,等.高速公路下伏富水多层采空区注浆处理技术研究[J].防灾减灾工程学报,2003,23(4):37-40.
[4]童立元,刘松玉,邱钰,等.高速公路下伏采空区问题国内外研究现状及进展[J].岩石力学与工程学报,2004,23(7):1198-1202.
煤矿采空区注浆法地基处理应用 篇5
1 工程概况
已建巨兴小区的J1-8、9、10、11#楼群, 2009年6月J1-11#楼出现墙体“八”字裂缝, 并且在2009年9月经历连续几场大雨之后发现J1-8、11#楼发生了不均匀沉降且西侧单元沉降严重。两栋楼最大沉降量分别为38.8mm和25.7mm并且伴有水平裂缝产生, 同时在J1-9、10#楼西侧单元也出现轻微裂缝现象。
1.1 场区地层构造。
场区地层结构相对简单, 场区大面积被第四系黄土所覆盖, 与下部基岩呈不整合接触。场区岩土层依次为:第四系黄土、下伏石炭系基岩地层。场区地层分述如下:第四系黄土:由杂填土、素填土、粉土、粉质粘土、及透镜状砾砂组成。下伏石炭系:由泥岩、中砂岩、煤、石灰岩组成。
1.2 场区采空区。
根据场区综合物探报告, 在太原组15#煤层底板以下岩石, 发现有采掘岩石巷道存在, 采掘巷道埋深31.0~33.0m, 巷道高度1~2m目前大部分岩石巷道已经塌落。由下向上依次形成冒落带、裂缝带、弯曲下沉带。
1.3 沉降原因分析。
在拟建初期勘察中, 没有揭露煤层下的岩石巷道, 故没有做相应地处理。地基采用了混凝土桩基, 桩端坐落于中风化泥岩上, 上部为素填土。由于近期雨季降雨量较大, 地表水下渗进入空巷塌落体内, 引起部分塌落体内的岩石软化再固结, 使已沉降稳定的空巷再次活动, 桩端持力层下塌陷, 导致了地基的沉降不均匀, 引起开裂等。
2 注浆治理方案
2.1 工程注浆处理范围的确定。
因为前期的地基为桩基, 在采空区治理时, 除对桩基范围内的采空区进行加固外, 对基础周边一定范围内的地表土体也要进行加固处理, 依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》确定采空区上部的覆岩影响范围。根据勘察状况, 本工程的治理范围为桩基外边缘外延2.0m。
2.2 注浆材料的选择。
在本工程中, 本地区火力发电场较多, 其排放的粉煤灰数量较大, 价格便宜, 且具有一定的活化作用, 而粘土较少, 无法大规模使用。且沉降量不大, 采用水泥粉煤灰浆的加固效果已可达到所需设计要求, 因此, 依据现场实际情况, 所以综合考虑, 采用水泥粉煤灰浆液。依据现场试验结果, 及采空区工程实践和已有的研究资料, 采用水灰比0.8~1.2配合比的浆液较为合适。
2.3 注浆形式:
一般分为两种, 在空巷以填充注浆为主其形式为自由扩散[2]。本工程大部分岩石巷道已经塌落, 主要采用以自由扩散形式为主的填充注浆。
2.4 扩散半径及注浆压力:
注浆压力与扩散半径是决定注浆工程最终效果的因素, 两者间也存在着一定的关系。根据先前的研究试验表明, 用试验数据及回归线方法进行归纳, 可以以表1作为参考。
如表1所示, 本工程理论的止浆压力应该采用1.5MPa。
2.5 注浆钻孔布置。
注浆钻孔孔位, 现场指定布置于墙体裂缝发育的部位。最外部钻孔孔位要求距离建筑物外墙约4.0m。内部孔位根据建筑物内部结构情况布置调整具体孔位。
3 注浆钻孔施工
3.1 施工顺序。
为了保证采空区注浆工程的质量, 施工顺序是:为先施工楼体两侧帷幕孔, 再施工中间的注浆孔, 注浆孔分二序间隔进行施表表11采采空空区区注注浆浆压压力力参参考考值值工。先施工室外钻孔采用大间隔施工, 间隔距离不少于2个钻孔。注浆时采用间歇式注浆单孔注浆量达50m3时停注24小时, 而后继续灌注, 如此循环。待室外钻孔全部注浆完成后最后对室内钻孔进行灌注。
3.2 钻孔施工。
钻孔严格按标定孔位就位。钻孔开孔孔径采用Φ127mm, 钻进至稳定基岩内3~5m后变径为Φ89mm, 终孔孔径为Φ89mm。钻孔设计深度为40.0m终孔层位要求深入采掘巷道底板以下不小于0.5m。揭露岩巷的勘察钻孔可直接下管注浆。对钻探过程中遇到地层分界、吊钻现象等进行详细的记录, 每个钻孔终孔经验收合格后, 按要求浇筑孔口管。采用Φ89mm钢管, 在管子前焊接一圆形法兰托盘, 下入孔内变径处, 松动、抽出原Φ127mm护壁管, 再注入水固比为1:1.2~1:1.5的稠水泥浆混合搅拌均匀后浇筑注浆管, 使注浆管与孔壁固结。
3.3 注浆施工。
钻机成孔后下入注浆管, 注浆管选用1.5寸钢管, 注浆管地表外露1.0m, 孔内要求伸入变径部位以下3.0m, 变径部位设置托盘钢管, 采用丝扣连接。封孔长度为3.0m, 稠水泥浆浇铸。采用BW-250型泥浆泵压力注浆, 当孔口管压力升至1.5MPa稳定3分钟或地表溢浆钻孔串浆时可以停止注浆。停止注浆24小时后对部分回落较大的钻孔均进行二次复注。注浆过程中出现地表裂隙大量冒浆时, 则改用采用间歇式注浆, 减小注浆压力。
3.4 注浆工程质量检测。
根据经验检测时间应在注浆结束一个月以后进行, 浆液材料才能达到设计要求的强度标准。本工程采用检验孔抽验, 钻孔数量不得少于5%, 取芯检查要求填充率大于75%, 波速测试, 横波速应大于160m/s。
4 地基加固效果评述
通过对住宅楼地基岩石巷道进行注浆加固已经对巷道空洞、上部裂隙、孔隙、冒落带进行了有效的充填, 注浆效果较好。对J-8#楼一个沉降点、11#楼两个沉降点进行沉降观测。从2010年6月施工完毕三个月后个沉降观测点的沉降速率已经小于0.025mm/d, 这说明建筑物的沉降已经稳定达到预期的目的。
结束语
在总结经验、教训的同时不断的摸索, 创新才取得了该采空区地基加固处理的成功, 本工程实践的成功说明注浆法是一种施工机械轻便、施工工艺简单, 工期短, 效果明显的地基加固方法, 在既有建筑物地基加固工程中具有明显的技术优势, 是已有地基基础加固处理的有效方法。
参考文献
[1]蔡胜华等.注浆法[M].北京:中国水利水电出版社, 2006.
[2]童立元, 邱钮, 刘松玉等.公路下伏多层富水煤矿采空区治理技术研究[A].第七届全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].2002, 9.
采空区注浆治理 篇6
本文通过采空区跨度和地基临界扰动深度对老采空区注浆处理范围的确定方法进行分类,探讨确定老采空区治理范围的估算方法,为采空区处理范围的确定提供了科学,符合实际的方法。
1 长壁全垮落法老采空区覆岩破坏分带
长壁全垮落法开采形成的采空区其覆岩破坏程度存在明显的分区性。根据覆岩的破坏程度和导水性能可将其划分为垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带。在老采空区中不同位置的岩体结构及其强度存在较大差异,这种次生的岩体结构差异对老采空区失稳有重要影响。
在垮落带中岩体主要为散体和碎裂结构,存在着较大的残余变形系数和空隙率。垮落带从中间到两边一般可以分为冒落岩块压密区、冒落岩块堆积区和未充分充填区,未充分充填区是由于煤壁上方顶板形成了悬臂梁与砌体梁结构而产生的。垮落带失稳的形式主要为空洞、空隙和裂隙的再压密以及转动和蠕变。
导水裂隙带中,由于块体间的相互铰接咬合形成一定的悬臂梁与铰接砌体梁结构。其主要失稳形式为外力作用下岩块结构失稳以及离层和裂隙的压密。
所以,老采空区失稳的主要原因是覆岩结构失稳和空隙裂隙的再压密、再压密的程度与附加应力的大小、采空区的跨度、采厚、深厚比和延续时间有直接关系。本文将针对附加应力和采空区的跨度对老采空区处理范围问题进行分析[5,6,7]。
2 长壁全垮落法老采空区处理范围影响因素
2.1 地基临界扰动深度计算
地面新建建筑物的荷载对采动破碎岩体地基的扰动是浅部老采空区发生失稳的重要原因[8]。
地基扰动深度的确定,一般采用当基础附加应力为自重应力的1%时作为对采空区失稳影响可以忽略的标准[6]。此时可以根据下面公式对扰动深度进行计算:
根据荷载分布形式的不同,可分别求解在集中力与分布力荷载时地基扰动深度Dz。考虑地基埋深为d时,地基扰动深度为Dz+d。
在老采空区中,垮落带与导水裂隙带处于应力相对平衡状态,在附加应力作用下可能会打破应力平衡,导致采空区失稳。当计算地基扰动深度达到或超过导水裂隙带底部深度时,必须对采空区处理范围进行全部充填注浆;若没有达到导水裂隙带底部,只需对采空区所需处理部分范围进行注浆达到控制垮落带和导水裂隙带内岩体的变形的目的[2]。
2.2 采空区跨度的对处理范围的影响
在采空区边界或者拐点附近,由于煤壁上方顶板形成了悬臂梁与砌体梁结构,从而使上方地表下沉达不到开采厚度,在采空区中表现为未充分充填并形成一定空间的空洞、空隙和裂隙。研究表明,采空区跨度越小,悬臂梁的长度就越大,顶板的垮落也就越不充分,对地表建筑物的危害越大,属于注浆处理的重点区域。
由悬臂梁的存在而引起的未充分充填区的大小可通过关键层理论进行计算。老采空区中岩层移动稳定后,煤壁承担绝大部分荷载,只有小部分荷载转移到垮落带中的岩块上。而且煤壁上方的第一断裂岩块对结构的稳定性起到关键性作用(可将第一断裂岩块的长度看做未充分充填区域的大小),在第一断裂岩块断裂后与其后面的断裂岩块发生相互作用将决定此结构的稳定。第二岩块后面的岩块由于有破碎岩体的支撑只有缓慢下沉运动。在此,可以将悬臂梁结构简化为铰接结构进行运动和受力分析。
其铰接平衡关系见图1[7]。
在图1(b)中,第一岩块回转后,则:
如果将岩块间接触视为塑性铰接关系,则水平推力T作用的位置可近似看为在a/2处。
所以垂向的平衡方程为:
式中:
W——覆岩荷载;
T——水平挤压力;
φ——岩块间摩擦角。
此时对铰点o取矩可得:
即:
将式(2)、(3)代入式(5)可得:
由式(6)可见,岩块长度与岩块回转角、岩块厚度和岩块间摩擦系数有关,岩块间摩擦角由煤壁上方岩块的岩性决定,摩擦角为25°<φ<35°[5,6,7]。根据老采空区中岩块回转原因可分为:(1)岩块的挤密导致b角增大[7],得:l>(0.5-0.7)h;(2)在附加应力作用下回转,导致b角增大[7],得:l>(0.5-0.7)h。由老采空区处理范围宽度d、采空区跨度D和未充分充填区域l的大小,通过D≤2l+d或D>2l+d可确定处理区域有没有到达未充分充填区域的位置。当D≤2l+d时,若不对老采空区处理范围边缘区域进行处理将引起采空区的失稳,因此应选取较为安全的采空区处理范围计算方法。
3 采空区处理范围分类计算
3.1 采空区处理范围分类
覆岩移动影响角是计算采空区处理范围的关键指标。通过以上分析可知,当采空区跨度和地基临界扰动深度不同时,要求的注浆填充范围是不同的。因此,应分别进行讨论。
(1)附加应力影响深度未达到导水裂隙带的底部位置,且采空区跨度D>2l+d时,采空区的变形由残余空洞、裂隙的再冒落和压密过程引起的,可认为在地表的影响范围较开采过程小,采空区覆岩移动的影响宽度按残余移动角计算,并可采用条带型注浆方法进行处理。
在确定带状充填宽度时,根据A1H威尔逊理论,条带注浆宽度a应为:
式中:
m——垮落带高度;
H——开采深度。
(2)附加应力影响深度达到导水裂隙带的底部位置,且采空区跨度D>2l+d时,地表的影响范围较煤层开采过程小,采空区覆岩移动的影响宽度按残余移动角计算。
(3)附加应力影响深度达到导水裂隙带的底部位置或采空区跨度D≤2l+d时,老采空区处理范围应保证在建筑物载荷作用范围内,岩体压实产生的变形小于建筑物允许的变形。因此,采空区覆岩移动的影响宽度按基岩移动影响角计算。
3.2 工程实例分析
西南某焦化场厂房场地长72 m,宽24 m,高40m,条形基础,基槽深度为4~6 m。基础平均载荷390k N/m,对地表不均匀沉降敏感。根据开采资料,确定厂房和老采空区的相对位置如图2所示。煤层采深89 m,采厚2.2 m,采空区跨度100 m,采煤方法为走向长壁采煤,全部垮落法管理顶板。
由于厂房位于老采空上方,垮落带与导水裂隙带存在,和采空区边缘存在悬臂梁与砌体梁的作用,拟建厂房下方离层、空洞和欠压密空间较大,对拟建建筑物安全有很大的威胁。经过基岩钻探和物探勘察表明,垮落带高度9.8 m,导水裂隙带高度33 m,导水裂隙带顶面距建筑物基底42 m。
根据该区域地层情况用公式(1)计算临界地基扰动深度为75.6 m,已经到达导水裂隙带的底部,并接触到垮落带。
根据勘探资料与公式(4)、(5)、(6)计算充分充填区域的宽度为12.76 m。
该区域地表松散层厚度为7.0~10.0 m,开采煤层倾角0°,走向移动角和基岩移动角72°~77°。根据采空区覆岩移动的影响宽度计算采空区区处理范围d=99.2 m。
计算采空区处理范围和未充分充填区的关系d+2×l=124.7 m,大于100 m。
因此,老采空区处理范围应保证在建筑物载荷作用范围内,岩体压实产生的变形应小于建筑物允许的变形。采空区覆岩移动的影响宽度应按基岩移动影响角计算才比较安全。
采用传统方法计算采空区处理的范围,该范围由建筑物范围、围护带宽度、采空区覆岩移动的影响宽度3部分组成。采空区覆岩移动影响宽度可参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中保护煤柱法进行计算。
在确定保护煤柱的边界之后就可通过计算得到保护煤柱角点坐标,即采空区处理范围。
具体计算方法如下:
式中:
l1——建筑物的宽(m);
l2——建筑物的长(m);
d——采空区围护带的宽(m);
H——采空区上覆岩层厚度(m);
h——地表松散层厚度(m);
δ——走向方向采空区上覆岩层移动影响角;
φ——地表松散层移动角;
γ、β——矿层上山和下山方向上覆岩层移动影响角;
θ——维护带边界与矿层倾向线之间所夹的锐角。
该区域地表松散层厚度为7.0~10.0 m,开采煤层倾角0°,走向移动角和基岩移动角为:72°~77°。根据公式(8~15)计算采空区区处理范围S1=S2,为79.5 m,所以d1=d2=79.5 m。
判断采空区处理范围和未充分充填区的关系为d3+d4+2×l=124.7,大于100,老采空区处理范围应保证在建筑物载荷作用范围内,岩体压实产生的变形小于建筑物允许的变形,因此采空区覆岩移动的影响宽度应按基岩移动影响角计算才比较安全。
4 结论
(1)采空带中未充分充填区域是采空区主要注浆处理范围,未充分充填区域的大小可采用关键层理论进行计算。
(2)在对长壁采煤老采空区地基进行处理时,对于一般工程地基,浅部开采时,附加应力不允许触及到采空区关键层的位置。当触及时,会造成较大危害,应进行注浆加固采空区中空洞和裂隙。
采空区注浆治理 篇7
关键词：采空区,注浆施工,检测
山东省新泰市某在建二级铁路, 由于对地下煤层的长期采挖, 在路基下方从地表至180m深度范围内形成了3～5层采空区, 跨度沿线路方向超过2千米, 且水文条件复杂。由于煤层开采多为长壁式开采, 回采率达80%～90%, 且时间和空间上均有重复采动现象, 使得采空区地表变形非常复杂, 煤层采空后形成采空区, 其上覆岩层工程地质稳定性变差, 易发生冒落塌陷, 在线路两侧出现过多处塌陷坑、路基下沉等现象。采空区典型地层剖面如图1所示。因此必须进行注浆治理以保障铁路建设和运营的安全。
1 注浆处理方案
采空区注浆技术是利用注浆泵为动力源, 把具有充填胶结性能的浆液, 通过注浆管路和止浆系统注入采空区内, 以达到充填采空区, 控制上覆岩层移动和地表变形的目的[1]。注浆材料一般选用水泥浆, 为降低造价可按比例掺加粉煤灰, 工艺简单, 可操作性强。
1.1 注浆孔位设计
在考虑路基自重及列车动荷载的情况下, 根据极限平衡法和数值模拟方法对各层采空区注浆前后的稳定性进行计算, 确定以DK2+200为界, 往小里程方向注浆到13煤层采空区, 往大里程方向则只注浆到15煤层采空区。
注浆孔的排距、间距根据采空区顶板强度、采出率、裂隙连通性等因素, 综合评判后确定。初步设计阶段根据现场实际情况及采空区治理经验, 确定注浆孔排距及孔间距如下:
排距:以既有铁路以北首排注浆孔为起点, 依序排列, 路基范围内排距15m, 路基范围外 (坡脚至治理范围线) 排距20m。
孔间距:既有铁路沿线有铁路保护煤柱范围, 孔间距20m, 以外范围路基范围内孔间距15m, 路基范围外孔间距20m, 相邻排孔间距交错布置。
帷幕孔布置:每层采空区最外边一排为帷幕孔, 孔间距20m。
1.2 注浆材料配比
注浆材料以水泥、粉煤灰的混合浆液为主, 水泥优选矿渣水泥或普通硅酸盐水泥, 强度不低于32.5级, 粉煤灰不低于国家三级质量标准, 并可按比例掺入一定数量的水玻璃。
抗压强度是浆液凝固后要满足的基本力学性能, 要求工后不小于1.5MPa。通过试验测定了浆液结石体在28d龄期时的无侧限抗压强度, 均能满足工程的要求, 试验数据如表1所示。
流动度表明浆液在采空区内的扩散程度, 流动度如果太大, 浆液容易从采空区内流失, 如果太小, 又不能在注浆孔周围形成有效的注浆半径, 影响注浆效果。根据经验, 流动直径在14～30cm为宜。
经过试验, 当采用三级粉煤, 水泥∶粉煤灰为2∶8时, 结合不同的水灰比, 并掺入一定比例的水玻璃, 浆液能够满足注浆施工的要求, 达到控制地表沉降的力学性能要求[2]。
2 施工工艺流程
2.1 注浆工艺及质量要求
注浆钻孔穿越多层煤层采空区, 采用下行式分段注浆工艺, 即从上往下逐层进行施工。
钻孔孔口直径不得小于150mm, 终孔直径不得小于91mm。开孔孔径钻进基岩3m后置入套管, 灌注0.5∶1或浓度更高的加水玻璃的水泥浆固定套管, 然后下止浆管, 待水泥浆终凝或2h以后, 再变径钻至第一个煤层采空区的设计深度, 在孔口管上安装注浆用的三通管即可注浆。该层注浆结束, 待水泥浆终凝后清孔并钻至第二个注浆段深度, 仍用孔口三通管注浆直至结束。如此注浆、清孔多次重复, 直至最下层采空区注浆结束 (参见图2) 。
在施工过程中, 如上层采空区地层情况较稳定, 采用少量水泥砂浆暂时封堵空洞或顶水钻进以穿透此层空区后继续向下钻进, 直至设计处理深度停钻, 即一次性成孔, 多层空区统一注浆灌注。如上层采空区出现垮孔、卡钻等情况时, 应先处理完该层以后再进行复钻钻进至下一层进行处理, 以减少复钻工序, 提高施工效率。
注浆施工应先施工边缘帷幕孔, 防止浆液过多流失。同时根据地层缓倾的特点, 应沿倾斜方向从低到高进行施工, 防止浆液的大范围流动。同时要进行隔孔施工, 后施工的注浆孔可兼作检查孔, 对前次注浆充填密实情况进行检查。
注浆过程中, 由于采空区有一定的空间, 浆液自流进入采空区。当遇到注浆量明显较大的孔时可加入适量的沙和碎石, 适当提高浆液浓度。同时浆液比重适当加大, 以减小浆液的流动性, 以确保浆液不要流出线路处理范围太远。
对于自流注浆久注不满或未达到设计压力而出现孔口或地面冒浆, 需要进行间歇性注浆。即注一段时间, 间歇一段时间, 让浆液有充分的时间凝固, 充填空洞和裂隙, 防止浆液流失, 阻止冒浆情况的出现[3]。
2.2 注浆参数及封孔工艺
注浆压力是控制注浆质量, 提高注浆效率的重要因素, 注浆压力大小与地层结构、空洞埋深、浆液密度等参数有关, 以不使土层岩性结构破坏为原则, 压力值随深度增加而增大, 孔口压力值为0.0～2.0MPa。在确定的终注压力下连续注浆15min的注入率不大于20L/min并达到稳定时, 可终止注浆。
孔深入岩3米后下护管之前, 将孔内泥浆通过钻杆由孔底至上用水泥浆充当循环液予以置换, 最终在孔口见水泥浆为止, 即施行全孔替浆后下护管, 并待浆液凝固后复钻至原深度达到封孔目的。对个别加压效果仍不良好的特殊孔, 采取在孔口周围挖出1米见方的土坑并灌入添加粗骨料的水泥浆待凝固后起二次封孔的目的。
在进行封孔加压注浆时, 要加强对周围铁路线路、公路、民房等建筑物的巡视, 以免产生地层鼓包、建筑物损坏等情况。
3 工程质量检测
注浆工作局部某地段或全部结束后, 一般采用钻探和物探相结合的方法进行工程质量检测。
钻探检查孔数目为施工注浆钻孔数的2%～5%, 检查孔应均匀布置, 存在质量隐患的重点部位宜加密布置。全孔提取岩芯, 观察浆液充填情况, 详细记录钻探中的异常现象, 如掉钻、吸风、埋钻等, 观察钻孔的漏水情况, 对治理效果进行评价。
由于浆液结石体在地下水位以上时比采空区的电阻率低, 在地下水位以下时则相反, 可应用电测深法检测;采空区注浆前地震波速较低, 注浆后由于充填了浆液结石体, 地震波速将大幅提高, 可应用地震波CT检测;采空区注浆前的空洞或软土充填与注浆后的浆液结石体相比, 对电磁波吸收及振幅衰减反映明显不一致, 可应用电磁波CT检测。
图3所示是某检测段视电阻率注浆前后的对比情况, 可以看出, 注浆后表层及深部的高阻区域明显降低, 说明该部位原来的采空区已被浆液充填, 注浆效果较好。
4 结论与建议
复杂采空区处理注浆前要进行试验和论证, 要在考虑列车重荷载的情况下确定不同区域采空区的处理深度, 以节约工程造价。
施工时, 尽量采用一次成孔至处理深度, 各层位自下而上注浆的处理方式。对于不能一次成孔的, 可采用自上而下的注浆方式, 即注完上一层采空区后封孔, 待浆液凝固后再进行下一层的注浆。
注浆材料为水泥∶粉煤灰=2∶8的配比时能够满足工程的要求, 且配比要根据气温、水文及工程特点等现场条件进行适当的调整。
注浆检测工作可采用钻探与物探相结合的方法, 钻探可以检测到某一点位的准确注浆情况, 物探可探明大范围内的注浆情况, 二者结合可在节约工程造价的情况下达到良好的检测效果。
参考文献
[1]朱元武, 刘钟, 刘春香, 于淑雯.采空区加固注浆施工技术应用研究[J].工程勘察, 2009 (10) :9-11.
[2]宋大各.大掺量粉煤灰注浆材料性能试验研究[J].学术动态, 2010 (4) :30-32.