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煤礦采空區(qū)注漿地基加固處理技術_天津賽智
為了防止采空區(qū)地基沉降，采用注漿方法對采空區(qū)及破碎巖層進行加固處理。本案例中闡述了對煤礦采空區(qū)治理的特點、施工工藝、施工過程質量控制及出現(xiàn)問題的處理措施等方面，淺談煤礦采空區(qū)注漿治理技術的應用。
1、工程概況
1.1工程概況
本項目擬建區(qū)域是原亨達煤礦潘家溝采區(qū)，位于鷹手營子礦區(qū)營子鎮(zhèn)河北村潘家溝，與營子城區(qū)隔河相望，緊鄰112國道，交通便利。
1.2工程地質條件
在勘探深度范圍內，地層自上而下為：
石炭系(C)：①砂巖為灰白色~青色，主要為石英砂巖，中粗粒結構，塊狀構造，巖芯呈柱狀，屬較硬巖：②頁巖為灰黑色，主要為炭質頁巖，含石英長石云母等，具薄片狀層理，巖芯呈短柱狀，屬軟巖;③煤巖，主要為六層煤。
二疊系(P)：①砂巖為兩層，上層為黃褐色，下層為青色-灰白色，主要為石英砂巖和長石砂巖;②頁巖為灰黑色，主要為炭質頁巖，含石英長石云母等，具薄片狀層理，巖芯呈短柱狀，屬軟巖;③煤巖，主要為四層煤。
第四系全新統(tǒng)(Q)：卵石為黃褐色，亞圓狀，具輕微~中等風化，填充物為中粗砂和粘性土，頂部局部含雜填土、粘性十、碎石。
1.3水文條件
礦區(qū)屬燕山山地水文地質分區(qū)，低山裂隙水亞區(qū)，主要含水層為第四系沖積層、茂山層含水層。第四系沖積層潛水主要存在于第四系松散沉積物的孔隙中，水位埋深為1~3.5m，主要受大氣降水補給，隨季節(jié)性變化顯著。茂山含水層主要由細砂巖、粉砂巖以及含礫粗砂巖組成，基巖水類型為風化網(wǎng)狀裂隙水，水位埋深約為22~25m。
1.4煤層分布及采空分布
本區(qū)域內主要可采煤層為4、6層。
四層煤：為全區(qū)主采煤層，由于火成巖侵入煤層破壞嚴重，煤厚2.7~2.8m，煤層東部厚西部薄，煤層傾角23°煤層夾石1~3層，夾石總厚為0.6~3.5m，屬于較穩(wěn)定煤層。四層煤頂板為粉砂巖，頂部為頁巖、泥巖和薄層泥質灰?guī)r，屬Ⅰ類不冒落頂板。
六層煤：為本區(qū)主要可采煤層之一，煤厚0.18~3.41m，平均煤厚為1.48m，厚度變化較大屬于不穩(wěn)定煤層。六層煤底板往往有1~2m厚泥質頁巖或粉砂巖。頂?shù)装鍘r石節(jié)理、裂隙發(fā)育，使其強度減弱，綜合分析判斷本場地采空區(qū)深度在80m以內。
2、采空區(qū)的注漿治理設計參數(shù)
采空區(qū)采用全灌注充填法進行注漿治理，即地表注漿充填覆巖裂隙區(qū)和全部充填采空區(qū)空洞支撐覆巖，以徹底消除地基沉陷隱患，從而達到有效控制采空塌陷對地面建筑的影響。根據(jù)治理范圍及情況，本次治理設計采用帷幕孔和注漿孔兩種鉆孔進行治理。
2.1注漿治理深度
注漿治理深度為基巖面至采空區(qū)以下3m，注漿治理深度約為80m。
2.2注漿孔的設計
①平面布置：帷幕孔在治理注漿孔外圍呈線性布設，注漿孔在帷幕孔內呈網(wǎng)格型布設。
②孔距：根據(jù)有關施工規(guī)范和本采空區(qū)治理的施工經(jīng)驗，綜合確定建筑物內帷幕注漿孔布置2排，孔間距10m，排距5米，治理注漿孔排距10m、孔間距10m。其他區(qū)域治理注漿孔排距15m、孔間距15m;治理注漿孔距帷幕注漿孔10m。
③孔徑：鉆孔孔徑控制在130~150mm，經(jīng)一至兩次變徑后，終孔孔徑不應小于91mm。
④注漿施工順序：帷幕孔、注漿孔均采取間隔式分次序施工和注漿，一序孔要注意對采空區(qū)的補勘，二序孔要根據(jù)一序孔的鉆進效果判斷是否調整治理設計。具體施工順序為：
一序帷幕孔→二序帷幕孔→一序注漿孔→二序注漿孔
2.3注漿量設計
根據(jù)《采空區(qū)建筑物地基處理技術規(guī)范》GB51180-2016第4.2.4條全灌注充填法灌注量按下式估算：
式中：Q.為灌注量(m);t為灌注量損耗系數(shù)，可取1.2~1.5：S為采空區(qū)地基處理面積(m);M為采出煤層法向厚度(m);N為煤層回采率(%);n為采空區(qū)剩余空隙率(%);n為充填系數(shù);c為漿液結石率(%)，以試驗或地區(qū)經(jīng)驗確定，并不小于80%;a為煤層傾角(°)。
Q=1.4×29800×2.9×50%×30%X 0.85-0.85-cos 23°=19726.3m3
根據(jù)本區(qū)采空區(qū)治理施工經(jīng)驗，每米注漿量約為0.5m3~1.5m3，平均每米注漿量約為0.79m。本次注漿孔共21990m，估算注漿量為17372.1m3。
2.4漿液配合比
參照本煤礦采空區(qū)注漿治理經(jīng)驗，漿液水固比宜取1：1.0~1：1.3，固相中水泥、粉煤灰比為1：0.4，水玻璃為漿液的2.5%，膨潤土為漿液的1%，注漿前應取樣進行配比試驗，再確定配合比。
3、采空治理施工工藝
3.1注漿施工工藝流程
定點 → 鉆孔及下焊管 → 下注漿管 → 備料 → 攪拌漿液 → 注漿 → 終止注漿
3.2鉆孔定位
按照設計鉆孔坐標進行測量放線工作，定點測量誤差控制范圍為±10mm，鉆機就位誤差控制在±20mm。鉆機就位后，提交分項開工報告申請，經(jīng)監(jiān)理同意后方可進行開鉆。
3.3鉆孔施工注意事項
①試驗孔和注漿孔施工均采用中130mm或中146mm鉆頭開孔，鉆至完整基巖(10m左右)后，下入①127mm套管護壁，然后變徑為D91mm，孔深80m。如遇到厚層采空區(qū)可先進行分段注漿然后再施工，以免埋鉆。
②在鉆孔施工過程中，如發(fā)現(xiàn)漏水、掉鉆、埋鉆、機上見軟、見硬等現(xiàn)象，要詳細記錄其深度、層位和耗水量，并應立即采取相應措施。
③每個注漿孔鉆孔中測斜至少一次，終孔孔斜不得超過2°/100m。
④采用回轉方式鉆進，不允許用沖擊式鉆進，以防采空區(qū)突然發(fā)生塌落，施工時做好鉆孔開孔通知書、鉆探班次報表、巖芯編錄等資料。
⑤待鉆孔至采空區(qū)底板或煤層底板以下3m時，向技術負責和駐地監(jiān)理工程師申請終孔，經(jīng)驗收合格方可進行下一道工序。
⑥壓水沖孔。由于鉆進過程中孔內沉淀物較多，在下注漿管前應將鉆具下至孔底，壓水沖洗孔內殘留巖粉及其它沉淀物，保持孔內裂隙暢通。
3.4澆筑孔口管
(1)用中50mm鋼管作為注漿管，長度根據(jù)注漿孔深度而定。
(2)在注漿管前端200-300mm處焊接法蘭托盤中120~130mm或采用橡膠、尼龍條封堵。下入帶法蘭托盤或尼龍條的注漿管，注漿管下到變徑位置下2-3m。
(3)調制水泥漿，水灰比為1：1.5-1：2，可加入水泥重量的2-3%的水玻璃或其他快凝材料，攪拌均勻，灌入水泥漿液，澆筑長度應不低于10m。
3.6注漿施工
帷幕孔灌漿時，應在制漿材料中加入水泥重量的2%~3%水玻璃，使注入采空區(qū)的漿液盡快凝固，以形成幕墻。漿液濃度先稀后稠，逐級變換，漿液的配合比為1：1.3~1：1.4。
注漿孔灌漿時，應避免在短時間內注入大量的水泥粉煤灰漿，當灌注量達到設計量的30%，注漿壓力和單位吸漿量均無明顯變化時，應調濃灌注、采用間歇式注漿法施工。
當空洞體積較大或單孔注漿量達到120m”時，應使用漏斗狀的投砂器，用漿液將砂或礦渣帶入孔內，必要時可在漿液中加入水泥重量1%~3%的速凝劑。
3.7單孔灌漿結束標準
在灌漿孔灌漿的末期，泵壓逐漸升高，當泵量小于70L/min， 孔口管壓力在2.0MPa之時， 穩(wěn)定10~15min， 可結束該孔的灌漿施工。
4、施工質量控制
在煤礦采空區(qū)治理施工中，鉆孔和注漿的施工質量控制尤為重要，特別是要確保整個采空區(qū)注漿的連續(xù)性和完整性，施工中必須控制以下要點：
(1)帷幕孔目的是防止在治理區(qū)內壓力注漿過程中漿液向治理區(qū)外蔓延，治理孔目的是對勘探出的采空區(qū)進行全充填注漿治理，故施工中每種孔發(fā)揮著不同的作用。
(2)鉆孔過程中為保證鉆至對應地層和孔的垂直度，每隔40m檢測一次鉆桿的垂直度，垂直度偏差<1%。
(3)孔口管(注漿管)下放至完整巖石下不少于2~3m，孔口管的連接采用焊接或絲扣連接，下放時必須檢查連接質量，符合要求后方可下放。
(4)嚴格按照配合比進行施工，從1：1.0到1：1.3調整配合比施工，注漿前，使用清水對注漿孔進行清洗，直至孔口出清水后方可停止，注漿過程中，隨時通過觀察和使用比重計對配制好的漿液進行檢查，要注意單孔的注漿量，以便達到特別好的注漿效果。
(5)注漿時嚴格按照順序進行，先注樓座四周的鉆孔，然后在注樓座內的鉆孔。
(6)注漿材料及質量要求：①水，應純凈，不含有害物質， SO， 含量應小于1.0%， 應符合《混凝土用水標準》JGJ 63一2006)的質量要求。②水泥，采用P.S32.5礦渣硅酸鹽水泥，其物理性能及化學成分應符合水泥《通用普通硅酸鹽水泥》(GB/T175-2007)的規(guī)定。③粉煤灰，應符合質量標準。④速凝劑，用于調整漿液膠凝時間，擬采用水玻璃和膨潤土，應符合《工業(yè)硅酸鈉》GB/T4209-2008的質量要求。
5、施工中易出現(xiàn)的問題及處理措施
(1)串漿或冒漿：應采取兩孔同時注漿，或兩孔輪流注漿，使受注孔及冒漿孔達到設計方量和結束標準。
(2)注漿孔按注漿工藝及設計注漿量的要求，當注漿量超出設計注漿量，孔口仍不升壓時，應采取間歇式注漿。間歇時間應控制在12一24小時，間歇后再次進行注漿時，漿液濃度必須從最稀一級開始，視壓力和單位吸漿量變化情況，決定漿液濃度的變換，直至達到注漿結束標準。
(3)為避免間歇式注漿和正常注漿時堵孔現(xiàn)象，在停注和復注時都應進行壓水，壓水技術要求如下：當孔口無壓力時，其壓水量必須是注漿管路內的容量加變徑以下至孔底容量之和的三倍;當孔口已有壓力， 且壓力不大于0.3MPa時，壓水達到設計注水量時，孔口壓力降至零，壓水可以停止，否則以最小泵量(52L/min) 繼續(xù)壓水20分鐘。
(4)對冒落區(qū)域的鉆孔，為保證注漿效果和再次鉆孔的可施性，采用分段注漿處理，應保持一定的時間間隔，直至設計孔深，然后再進行二次注漿。
