大型水利工程主干渠穿過禹州原新峰礦務局二礦、梁北鎮郭村煤礦、梁北鎮工貿公司煤礦、梁北鎮福利煤礦和梁北鎮劉硐村一組煤礦等 5 個煤礦采空區.
采空區總長 3. 11 km,在開采時間與水平、采空程度、回采率大小、回填程度與安全煤柱形式等方面均不一樣,存在一定的變形現象.采空區均為老礦區,年代久遠,煤礦資料不全,礦道分布資料缺失.在沒有規程、規范和成熟施工經驗的前提下,進行大型水利工程下伏的深層煤礦采空區處理,施工難度極大.采空區主要采取鉆孔、灌漿進行處理,最大鉆孔深度近 300 m.
1 采空區處理措施
1. 1 處理工藝原理及流程
采用液壓回轉地質鉆機等鉆孔設備鉆穿采空區,然后通過壓力注漿法向巖層的空隙或采空區裂隙帶、冒落帶和采空部分注入具有充填、膠結性能的漿液材料,漿液硬化后形成具有一定強度的支撐體,對上覆巖層形成支撐作用,以阻止上覆巖層的進一步冒落,防止地面沉陷而引起的沉降變形,保證穿過采空區建筑物\\( 構筑物\\) 的運行安全.
對采空區的處理目的一直存在爭議,一種觀點認為要將采空區盡量充滿; 另一種觀點認為只要在采空區內形成多點支柱,足以支撐上覆巖層不再冒落、沉降即可.考慮到大型水利工程的重要性,本工程是按盡量將采空區充滿來設計的,但不允許漿液擴充至采空區之外,這就有一個上下左右的灌漿區域限制,即單孔見基巖5 m 以下、穿過采空區1. 5 m 為灌漿段; 平面范圍除依靠采空區自然邊界作為界限外,建筑物穿過一些大的采空區,需對采空區進行隔斷處理,俗稱封閉\\( 帷幕\\) 灌漿.采空區處理工藝流程見圖 1.
1. 2 鉆孔方法
采用常規鉆孔施工方法,包括鉆取巖芯、全斷面鉆進,類似文獻較多,不再詳述.主要對鉆孔布置進行說明,采空區灌漿處理不同于一般灌漿,處理區面積大、連通性好,鉆孔間距、排距要適當加大,通過試驗,本工程選取 18 ~22 m.
1. 3 灌漿材料選擇
灌漿材料要求: 流動性好、有一定強度、充填性好,具有可灌性,經濟節省.據此選擇灌漿材料,主要有水、水 泥、粉 煤 灰.主 要 配 比 為 水 ∶ 水 泥 ∶ 粉 煤灰 =1∶ 0. 15∶ 0. 85,另摻一定量外加劑改性.實際施工過程中,通過對比試驗\\( 1、2 號試驗區\\) ,摻與不摻外加劑對灌漿效果影響不大,且摻外加劑費用高,后來沒有摻加外加劑.在進行 1 號試驗區充填灌漿時有針對性地添加了外加劑,2 號試驗區充填灌漿沒有添加外加劑,以驗證外加劑對漿液流動性的影響.
試驗過程中進行了大量的資料分析,建立了灌漿流量與灌漿時間的對應關系,繪制了典型灌漿孔單孔灌漿過程曲線,典型單孔灌漿曲線取值的原則為灌漿過程中每 0. 5 ~2 h 取一個有代表性的時間節點上的流量和壓力,灌漿結束前一段時間加大取值的數量.1 號試驗區典型灌漿孔單孔灌漿曲線見圖 2,2 號試驗區典型灌漿孔單孔灌漿曲線見圖 3.
從對比情況來看,無論添加外加劑與否,漿液的流動性均比較好,能滿足充填灌漿質量要求.同時,從灌漿過程曲線可以看出,隨著灌漿的進行灌漿流量驟降,壓力驟增,從而灌漿結束.
經對灌漿材料試驗,水固比 1∶ 1\\( 重量比\\) 水泥粉煤灰漿液的流動性較好,漿液擴散度能夠滿足充填灌漿的需要,同時,添加外加劑對于施工中漿液的擴散度沒有明顯改善,充填灌漿漿液添加外加劑的必要性不大.
1. 4 灌漿方法
充填灌漿方法本身較常規,沒有太多復雜技術,灌漿阻塞位置、方法是灌漿成功與否的關鍵,主要針對阻塞方式、灌漿壓力、灌漿結束標準進行說明.灌漿阻塞方式采用"套管孔口阻塞法"和"似法蘭盤法"兩種.
1\\) 套管孔口阻塞法.鉆孔至深入基巖 5 m 后,埋入 \ue788 127 mm 的護壁套管,采用水灰比為 0. 5∶ 1\\( 或0. 6∶ 1\\) 的水泥漿封閉管腳,澆筑長度深入基巖以下5 m.水泥漿液中應加入占水泥重量 3% 的速凝劑,快速將護壁套管與孔壁固結.鉆孔結束后,將阻塞器阻塞在護壁套管內,或采用封閉器與護壁套管絲扣連接,采用純壓式灌漿.采用這一阻塞方式施工工藝簡單,但存在灌漿結束后護壁套管無法起拔等難題,對工程投資不利.
2\\) 似法蘭盤法.鉆孔結束后,起拔護壁套管,將一端帶有法蘭托盤的注漿管下入孔內變徑處,注漿管用絲扣連接,在中、上部用一個反向絲扣連接\\( 以便注漿結束后,使上部注漿管能夠反轉提出重復使用\\) ; 然后從托盤開始向上,用快硬水泥止漿,水灰比 0. 5∶ 1\\( 或 0. 6 ∶ 1\\) ,將管壁與孔壁固結嚴密,止漿高度 5 ~10 m.
采用這一阻塞方式對施工投資有利,全孔一次成孔后灌注主要采用這一方式.孔口阻塞法和似法蘭盤法阻塞方式見圖 4.
灌漿結束標準: 當孔口壓力在規定的壓力值\\( 1. 0 MPa\\) ,泵量小于 10 L/min,穩定 10 ~ 15 min 以上,即可結束該孔注漿施工.
從單孔灌漿過程曲線\\( 圖 3\\) 分析可見: 灌漿注入率呈驟降、灌漿壓力呈急升趨勢,即以100 ~130 L/min的流量進行灌漿,灌漿過程中流量為 100 ~130 L/min時,壓力為零或脈動、無回漿的狀態,而最后5 ~30 min內流量驟降至 0 ~10 L/min,壓力升至 1. 0 ~1. 5 MPa,過渡階段很短,符合充填灌漿的一般規律.
1. 5 質量檢查
1\\) 質量檢查方法.①充填灌漿質量檢查孔單元劃分原則,充填灌漿按照每 30 ~50 個孔劃分為一個單元工程施工.②充填灌漿質量檢查孔檢查標準.充填灌漿以壓漿檢查、地質 CT 掃描為主,鉆孔取芯、綜合資料分析為輔,經過現場生產性試驗和施工驗證,經過專家咨詢,其合格標準為充填灌漿檢查孔壓漿檢查的單位注入干灰耗量小于該單元的平均單位注入干灰耗量的 25% 則認為注漿滿足要求; 地質 CT 掃描檢查95% 以上的監測區域檢測波速達到 2 300 m / s 以上則為合格; 鉆孔取芯針對基巖段,覆蓋層段不需取芯,各檢查孔的巖芯采取率與附近取芯孔的采取率相比有提高,則作為單元檢查合格的一個條件.
2\\) 質量檢查結果.按照上述原則,布置質量檢查孔,充填灌漿質量檢查孔壓漿檢查干耗灰量與其所在的單元工程平均單孔耗灰量比較,遞減率 84. 4% ~99. 3% ,平均遞減率 89. 9% ,遞減效果明顯,經地質 CT掃描檢查,所有檢查孔均滿足要求,可見灌漿效果較好.
通過灌前、灌后地表沉降觀測,在進行采空區處理工程施工后地表不再沉降\\( 周邊未處理的采空區年統計局部沉降 10 cm 以上\\) ,施工安全得到了充分保證,說明采空區處理工程施工技術安全可靠.
2 結 語
這一大型水利工程下伏深層采空區的處理,在國內屬首例,多項技術存在創新,如灌漿材料、孔排距、灌漿壓力、阻塞方式、灌漿方法等,本文重點對采空區處理施工技術、方法、質量檢查、標準進行詳細描述,經過實踐檢驗,采空區處理施工技術、質量控制方法有效,對同類工程頗具參考價值.
