采空區(qū)充填注漿鉆孔工藝研究

肖 均,韓 斌,陳壽根

(1.榆神高速公路有限公司,陜西榆林 719000;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

1 工程概況

榆神高速公路位于陜西省北部地區(qū),起點(diǎn)為榆陽區(qū)小紀(jì)漢,終點(diǎn)為神木縣半切墩,路線全長約 87.57km,是聯(lián)系晉、陜、蒙三省(區(qū))的一條重要通道?，F(xiàn)場勘探資料表明 13個(gè)采空區(qū)中對路線有影響的僅有5個(gè)煤礦,即:東風(fēng)煤礦、討老烏素煤礦、瑤渠煤礦、棗稍溝煤礦和前陽灣煤礦。5個(gè)采空區(qū)均為品字形房柱式開采,房柱寬度和間距最小為 6m,最大15m,埋深介于 50～120m之間。 2009年5月26日,位于高速公路影響范圍內(nèi)的棗稍溝煤礦采空區(qū)(K63+431～K64+165段)發(fā)生坍塌變形,引發(fā)當(dāng)?shù)?2.7級局部地震,影響路線長度約 500m。地表沉降達(dá) 1.38m,水平位移達(dá) 0.8m,致使該段一座立交橋梁嚴(yán)重?fù)p壞至報(bào)廢。因此,對榆神高速公路下伏采空區(qū)進(jìn)行治理勢在必行。

討老烏素煤礦治理標(biāo)段(K61+570～K62+265)工程全長約 695m,寬 140m。沿構(gòu)造物外圍呈封閉狀布設(shè)孔距為10m的帷幕孔,而位于隧道軸線兩側(cè)和沿橫向最邊緣兩排帷幕孔之間的孔間距為15m,共布置171個(gè)帷幕孔。注漿孔沿公路軸線按排布設(shè),排距 15m,沿公路橫向每排孔距 15 m,沿構(gòu)造物每個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)部位分別布設(shè)一個(gè)注漿孔,呈梅花型布置,共布置 380個(gè)注漿孔(見圖 1)。

圖1 討老烏素采空區(qū)治理平面圖

2 鉆孔機(jī)械配套

鉆孔機(jī)械主要采用如表1所列的 5種機(jī)械。

3 鉆孔工藝

鉆孔首先要按照設(shè)計(jì)孔位對注漿孔進(jìn)行定點(diǎn),然后進(jìn)行鉆孔。

3.1 定點(diǎn)

鉆孔使用經(jīng)緯儀或全站儀等測量儀器按照設(shè)計(jì)孔位進(jìn)行實(shí)地放樣,位置偏差原則上不應(yīng)超過設(shè)計(jì)位置 1.0m。確因地形影響,鉆孔不能放置在設(shè)計(jì)位置時(shí),可視具體情況予以調(diào)整。安裝分三步走。首先,在鉆孔區(qū)域進(jìn)行整平或鋪一層黃土進(jìn)行壓實(shí),使鉆孔區(qū)域基本平整;然后用機(jī)械將鉆機(jī)放入鉆孔區(qū)域,同時(shí)用撬棍對鉆機(jī)進(jìn)行核實(shí),使鉆孔位置基本滿足設(shè)計(jì)要求;最后組裝鉆孔機(jī)架。鉆機(jī)安裝就位后,應(yīng)檢測孔位的準(zhǔn)確性,并保證開孔鉆具的垂直度。安裝時(shí)應(yīng)依據(jù)放線所設(shè)標(biāo)志找出孔位安裝鉆機(jī),并做好相應(yīng)輔助工作。鉆機(jī)安裝要求平穩(wěn),孔位中心、立軸中心在一條直線上。鉆機(jī)安裝完畢,由技術(shù)組復(fù)核孔位后才鉆機(jī)開鉆。

3.2 成孔

鉆機(jī)定位后,采用 146復(fù)合鉆頭開孔,下護(hù)壁管維護(hù)孔壁,鉆至穩(wěn)定基巖 3～5m處放入 130套管,鉆桿與鉆桿之間用絲扣聯(lián)接,下部鉆探口徑變徑為 89mm,繼續(xù)鉆至采空區(qū)中的塌陷冒落帶或采空區(qū)頂板終孔,圖 2為孔口示意圖,鉆機(jī)正常工作。因土層上覆層一般為細(xì)沙、黏土或粉質(zhì)黏土,其結(jié)構(gòu)自穩(wěn)性較差,同時(shí)隨著孔深的增加,側(cè)向壓力逐漸增大,所以護(hù)壁管應(yīng)隨鉆桿節(jié)節(jié)安裝,防止鉆孔塌陷。施工中要求先施工路基兩側(cè)帷幕孔,在治理區(qū)外圍形成一道帷幕,以控制治理范圍,然后再施工中間的注漿孔。

圖2 孔口示意圖

在鉆孔沖洗過程中,第四系中可采用泥漿做循環(huán)液護(hù)孔,如圖 3和圖 4所示。圖中軟管 1、2、3組成泥漿循環(huán)系統(tǒng),即:泥漿泵通過軟管 1吸入泥漿,一部分通過軟管 2進(jìn)入鉆桿用于鉆探,另一部分通過軟管 3重新流入泥漿池。由于泵壓過大,必須通過軟管3進(jìn)行分壓,使進(jìn)入鉆桿的泥漿壓力減小,便于安全施工。為了防止較大的顆粒進(jìn)入鉆桿,軟管 1管頭部位安裝金屬網(wǎng)過濾。采用泥漿做為循環(huán)液有以下三點(diǎn)好處:(1)可以增加鉆孔四周沙、土等強(qiáng)度以及自穩(wěn)性,達(dá)到護(hù)壁的效果;(2)降低鉆頭的溫度,防止因溫度過高而使鉆頭損壞;(3)通過泥漿將細(xì)小的沙、土等殘?jiān)鼛С?。?dāng)鉆桿完全進(jìn)入基巖則可用清水作為循環(huán)液進(jìn)行鉆孔。

圖3 循環(huán)池

圖4 泥漿泵

在鉆孔過程中,如發(fā)現(xiàn)漏水、掉鉆、埋鉆等現(xiàn)象要詳細(xì)記錄其深度、層位和耗水量。在鉆進(jìn)過程中,采用清水鉆進(jìn),終孔后要清洗孔壁。鉆孔時(shí)每 50m測斜一次,全孔孔斜不應(yīng)超過 0.5°,測斜時(shí)應(yīng)使用測斜儀進(jìn)行檢測。一般當(dāng)采空區(qū)深度較小時(shí),直接鉆至采空區(qū)底板后終孔,把采空區(qū)頂板以上的基巖作為注漿段進(jìn)行處理。當(dāng)采空區(qū)深度較大時(shí),則鉆至采空區(qū)覆巖中部一層穩(wěn)定的堅(jiān)硬巖層(如灰?guī)r、砂巖)時(shí)變徑,再用 89mm鉆頭鉆至采空區(qū)底板終孔。鉆孔時(shí)如遇到冒落帶、裂隙帶、地表沉降時(shí)應(yīng)詳細(xì)記錄,遇到三帶的標(biāo)志如表2所示。

當(dāng)鉆機(jī)鉆到煤柱時(shí),要對鉆孔進(jìn)行加壓試驗(yàn)。高壓大泵量壓水,沖擊煤柱或打開過水通道。當(dāng)壓力驟降接近管路阻力時(shí),確認(rèn)已與采空區(qū)溝通。倘若還無法打開煤柱過水通道,則采取腔內(nèi)爆破方法,使之與采空區(qū)完全溝通。加壓時(shí)要對鉆孔進(jìn)行封閉,同時(shí)安裝壓力表,要保證壓力表讀數(shù)為1.0～1.5MPa。加壓時(shí)間一般為幾分鐘到半小時(shí)不等,視現(xiàn)場具體情況而定。用水泥漿液進(jìn)行加壓,一方面可以對土層上層覆土裂隙帶進(jìn)行填充,增加其強(qiáng)度;另一方面還可以保證當(dāng)鉆孔打至煤柱邊緣或者小煤柱時(shí),注漿壓力將煤柱壓垮,以方便后面的注漿工序,防止產(chǎn)生意外。而是否打在煤柱邊緣或者小煤柱上,則需要根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)來判斷。一般來說,當(dāng)壓力表與注漿管跳動較為穩(wěn)定時(shí),則表示打在大煤柱上;當(dāng)壓力表與注漿管波動較大時(shí),則表示打至小煤柱或邊緣上,此時(shí)需要持續(xù)加壓,將煤柱壓垮。

鉆孔孔深一般按設(shè)計(jì)深度執(zhí)行,原則上鉆機(jī)按設(shè)計(jì)孔深終孔,根據(jù)鉆進(jìn)層位,經(jīng)監(jiān)理人員確認(rèn)后,可適當(dāng)調(diào)整孔深。終孔層位一般為采空塌陷區(qū)或出現(xiàn)強(qiáng)吸風(fēng)、進(jìn)尺特別快、嚴(yán)重掉鉆部位,出現(xiàn)上述情況可作為終孔標(biāo)志。

表4 巖層及地質(zhì)情況

3.3 鉆孔數(shù)據(jù)及取芯

討老烏素煤礦共有380個(gè)注漿孔,171個(gè)帷幕孔,根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料,列以下 5個(gè)孔加以說明(見表3)。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看出當(dāng)?shù)貛r層從上至下基本為:粉砂、砂巖、泥巖、直至采空區(qū)煤層,其中部分區(qū)域含有粉土,粉砂厚度一般為 1～15m,粉土 0～20m,砂巖 4～40m,泥巖 4～40m,煤層為 1.5～4m,其巖層及地質(zhì)具體情況如表4所示。

3.4 采空區(qū)鉆孔工藝注意事項(xiàng)

通過現(xiàn)場鉆孔得出:(1)鉆孔結(jié)構(gòu),開孔孔徑不小于 130 mm,終孔孔徑不小于 91mm;(2)鉆孔方式,第四系鉆進(jìn)可采用螺紋鉆或沖擊式取芯鉆進(jìn),基巖宜采用回轉(zhuǎn)正循環(huán)取芯鉆進(jìn);(3)成孔后,保證裂縫及空洞不被堵塞;(4)注漿孔,對于孔深小于 50m采空區(qū)注漿孔采用一次成孔工藝,對于孔深大于 50m的注漿孔要求采用兩段成孔工藝;(5)鉆孔過程中要求進(jìn)行水文地質(zhì)觀測、鉆速觀測等。

4 結(jié)束語

本文以榆神高速公路討老烏素煤礦采空區(qū)注漿投沙充填為工程背景,探討了鉆孔的施工工藝,以指導(dǎo)工程施工,同時(shí)為今后類似工程提供有價(jià)值的借鑒。