采空区充填注浆钻孔工艺研究

2010-07-23陈寿根

四川建筑 2010年4期

肖均,韩斌,陈寿根

(1.榆神高速公路有限公司,陕西榆林 719000;2.西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031)

1 工程概况

榆神高速公路位于陕西省北部地区,起点为榆阳区小纪汉,终点为神木县半切墩,路线全长约 87.57km,是联系晋、陕、蒙三省(区)的一条重要通道。现场勘探资料表明 13个采空区中对路线有影响的仅有5个煤矿,即:东风煤矿、讨老乌素煤矿、瑶渠煤矿、枣稍沟煤矿和前阳湾煤矿。5个采空区均为品字形房柱式开采,房柱宽度和间距最小为 6m,最大15m,埋深介于 50～120m之间。 2009年5月26日,位于高速公路影响范围内的枣稍沟煤矿采空区(K63+431～K64+165段)发生坍塌变形,引发当地 2.7级局部地震,影响路线长度约 500m。地表沉降达 1.38m,水平位移达 0.8m,致使该段一座立交桥梁严重损坏至报废。因此,对榆神高速公路下伏采空区进行治理势在必行。

讨老乌素煤矿治理标段(K61+570～K62+265)工程全长约 695m,宽 140m。沿构造物外围呈封闭状布设孔距为10m的帷幕孔,而位于隧道轴线两侧和沿横向最边缘两排帷幕孔之间的孔间距为15m,共布置171个帷幕孔。注浆孔沿公路轴线按排布设,排距 15m,沿公路横向每排孔距 15 m,沿构造物每个基础设计部位分别布设一个注浆孔,呈梅花型布置,共布置 380个注浆孔(见图 1)。

图1 讨老乌素采空区治理平面图

2 钻孔机械配套

钻孔机械主要采用如表1所列的 5种机械。

3 钻孔工艺

钻孔首先要按照设计孔位对注浆孔进行定点,然后进行钻孔。

3.1 定点

钻孔使用经纬仪或全站仪等测量仪器按照设计孔位进行实地放样,位置偏差原则上不应超过设计位置 1.0m。确因地形影响,钻孔不能放置在设计位置时,可视具体情况予以调整。安装分三步走。首先,在钻孔区域进行整平或铺一层黄土进行压实,使钻孔区域基本平整;然后用机械将钻机放入钻孔区域,同时用撬棍对钻机进行核实,使钻孔位置基本满足设计要求;最后组装钻孔机架。钻机安装就位后,应检测孔位的准确性,并保证开孔钻具的垂直度。安装时应依据放线所设标志找出孔位安装钻机,并做好相应辅助工作。钻机安装要求平稳,孔位中心、立轴中心在一条直线上。钻机安装完毕,由技术组复核孔位后才钻机开钻。

3.2 成孔

钻机定位后,采用 146复合钻头开孔,下护壁管维护孔壁,钻至稳定基岩 3～5m处放入 130套管,钻杆与钻杆之间用丝扣联接,下部钻探口径变径为 89mm,继续钻至采空区中的塌陷冒落带或采空区顶板终孔,图 2为孔口示意图,钻机正常工作。因土层上覆层一般为细沙、黏土或粉质黏土,其结构自稳性较差,同时随着孔深的增加,侧向压力逐渐增大,所以护壁管应随钻杆节节安装,防止钻孔塌陷。施工中要求先施工路基两侧帷幕孔,在治理区外围形成一道帷幕,以控制治理范围,然后再施工中间的注浆孔。

图2 孔口示意图

在钻孔冲洗过程中,第四系中可采用泥浆做循环液护孔,如图 3和图 4所示。图中软管 1、2、3组成泥浆循环系统,即:泥浆泵通过软管 1吸入泥浆,一部分通过软管 2进入钻杆用于钻探,另一部分通过软管 3重新流入泥浆池。由于泵压过大,必须通过软管3进行分压,使进入钻杆的泥浆压力减小,便于安全施工。为了防止较大的颗粒进入钻杆,软管 1管头部位安装金属网过滤。采用泥浆做为循环液有以下三点好处:(1)可以增加钻孔四周沙、土等强度以及自稳性,达到护壁的效果;(2)降低钻头的温度,防止因温度过高而使钻头损坏;(3)通过泥浆将细小的沙、土等残渣带出。当钻杆完全进入基岩则可用清水作为循环液进行钻孔。

图3 循环池

图4 泥浆泵

在钻孔过程中,如发现漏水、掉钻、埋钻等现象要详细记录其深度、层位和耗水量。在钻进过程中,采用清水钻进,终孔后要清洗孔壁。钻孔时每 50m测斜一次,全孔孔斜不应超过 0.5°,测斜时应使用测斜仪进行检测。一般当采空区深度较小时,直接钻至采空区底板后终孔,把采空区顶板以上的基岩作为注浆段进行处理。当采空区深度较大时,则钻至采空区覆岩中部一层稳定的坚硬岩层(如灰岩、砂岩)时变径,再用 89mm钻头钻至采空区底板终孔。钻孔时如遇到冒落带、裂隙带、地表沉降时应详细记录,遇到三带的标志如表2所示。

当钻机钻到煤柱时,要对钻孔进行加压试验。高压大泵量压水,冲击煤柱或打开过水通道。当压力骤降接近管路阻力时,确认已与采空区沟通。倘若还无法打开煤柱过水通道,则采取腔内爆破方法,使之与采空区完全沟通。加压时要对钻孔进行封闭,同时安装压力表,要保证压力表读数为1.0～1.5MPa。加压时间一般为几分钟到半小时不等,视现场具体情况而定。用水泥浆液进行加压,一方面可以对土层上层覆土裂隙带进行填充,增加其强度;另一方面还可以保证当钻孔打至煤柱边缘或者小煤柱时,注浆压力将煤柱压垮,以方便后面的注浆工序,防止产生意外。而是否打在煤柱边缘或者小煤柱上,则需要根据施工经验来判断。一般来说,当压力表与注浆管跳动较为稳定时,则表示打在大煤柱上;当压力表与注浆管波动较大时,则表示打至小煤柱或边缘上,此时需要持续加压,将煤柱压垮。

钻孔孔深一般按设计深度执行,原则上钻机按设计孔深终孔,根据钻进层位,经监理人员确认后,可适当调整孔深。终孔层位一般为采空塌陷区或出现强吸风、进尺特别快、严重掉钻部位,出现上述情况可作为终孔标志。

表4 岩层及地质情况

3.3 钻孔数据及取芯

讨老乌素煤矿共有380个注浆孔,171个帷幕孔,根据现场钻孔资料,列以下 5个孔加以说明(见表3)。

根据上述数据可以看出当地岩层从上至下基本为:粉砂、砂岩、泥岩、直至采空区煤层,其中部分区域含有粉土,粉砂厚度一般为 1～15m,粉土 0～20m,砂岩 4～40m,泥岩 4～40m,煤层为 1.5～4m,其岩层及地质具体情况如表4所示。

3.4 采空区钻孔工艺注意事项

通过现场钻孔得出:(1)钻孔结构,开孔孔径不小于 130 mm,终孔孔径不小于 91mm;(2)钻孔方式,第四系钻进可采用螺纹钻或冲击式取芯钻进,基岩宜采用回转正循环取芯钻进;(3)成孔后,保证裂缝及空洞不被堵塞;(4)注浆孔,对于孔深小于 50m采空区注浆孔采用一次成孔工艺,对于孔深大于 50m的注浆孔要求采用两段成孔工艺;(5)钻孔过程中要求进行水文地质观测、钻速观测等。