風積沙高速公路下伏采空區注漿投沙技術研究

黃俊文,張 恒,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,四川 成都 610031)

1 實例工程概況

陜西省省道 204榆神高速公路位于陜西省北部地區,起點為榆陽區小紀漢,終點為神木縣半切墩,路線全長約 105 km[1]。榆神高速公路是聯系晉、陜、蒙三省區的一條重要通道。高速公路沿途經過 13個煤礦采空區,其中對路線有影響的有 5個,分別為東風煤礦、討老烏素煤礦、瑤渠煤礦、棗稍溝煤礦和前陽灣煤礦采空區,采空區總空洞體積達1029422m3。采空區的存在對榆神高速公路的施工和運營構成了潛在的威脅,如何處理好采空區問題是保證本工程成功的關鍵。經過分析研究和專家論證,最終決定對討老烏素煤礦、瑤渠煤礦、棗稍溝煤礦三個煤礦采空區進行填充處理,需填充的空洞體積達 730000m3。而對東風煤礦和前陽灣煤礦兩個煤礦采空區暫不處理,而是在運營過程中加強公路的維護和修補處理。

高速公路所處地區風積沙非常豐富,采用風積沙填充高速公路下伏采空區便成為一種潛在的具有巨大經濟社會效益和環保效益的采空區處治方法。然而,目前采用風積沙填充高速公路下伏采空區的實例非常少,嚴重缺乏可借鑒的經驗,采用風積沙充填采空區的處治技術還很不成熟,特別是采用何種方式將風積沙輸入采空區且能保證填充質量在國內外研究中處于空白。

本研究以榆神高速公路下伏采空區治理為工程依托,在大量調研相關研究的基礎上,采用現場試驗和現場測試等手段對風積沙高速公路下伏采空區注漿投沙技術進行了研究,完善了風積沙高速公路下伏采空區注漿投沙技術。

2 采空區治理國內外研究現狀

采空區將引起地表連續或非連續性變形,對高速公路的危害主要有如下幾個方式:采空區的失穩冒落,使地表劇烈變形,產生陷坑、臺階等;路基沉陷,造成路基、路面局部開裂,使承載力下降,使用條件降低,或造成路面低洼積水破壞;傾斜使坡度發生變化,導致行駛車輛重心偏移,在彎道處最易發生事故;水平變形和曲率使路面受拉伸開裂、受壓縮隆起,使路面發生波浪起伏及路面與路基間的局部離層。

有關采空區治理研究,主要是在煤炭、冶金、軍事和交通等部門進行,如波蘭、前蘇聯、英國和中國等主要產煤國家,從 20世紀50年代開始就對“三下”采煤技術進行了詳細研究;同時,對采空區地表構筑物保護和防治技術也進行了大量試驗研究[2-5],積累了寶貴的經驗。但針對高速公路下伏采空區問題的研究報道甚少,且往往是經驗介紹,尚未形成成熟的理論及工程設計體系,無規范規程可循,國際上也鮮有此類工程報道?？偨Y起來,高速公路下伏采空區治理主要有以下 6種[6-11]:

(1)全部充填采空區支撐覆巖,以徹底消除地基沉陷隱患,采用注漿充填、水力充填和風力充填等。其中,以注漿法應用最廣泛、效果最好;

(2)局部支撐覆巖或地面構筑物,減小采空區空間跨度,防止頂板的垮落。常用的方法有注漿柱、井下砌墩柱和大直徑鉆孔樁柱或直接采用樁基法等;

(3)注漿加固和強化采空區圍巖結構,充填覆巖斷裂帶、彎曲帶、巖土體離層和裂縫,使之形成一個剛度大、整體性好的巖板結構,有效抵抗老采空區塌陷的向上發展,使地表只產生相對均衡的沉陷,以保證地表構筑物的安全;

(4)采取措施釋放老采空區的沉降潛力法,在采空區地表未利用前,采取強制措施加速老采空區活化和覆巖沉陷過程,消除對地表安全有較大威脅的地下空洞,在沉陷基本穩定后再開發利用地表土地。常用方法有堆載預壓法、高能級強夯法和水誘導沉降法等;

(5)對于跨度較小的采空區可采用修建橋梁跨越采空區;

(6)對公路,也可采取繞避方案或修筑過渡路段或營運后的維護維修方案。

表1為近年國內已建高速公路下伏采空區治理方法[12～14],可以看出,目前高速公路下伏采空區治理主要以注漿充填法為主,注漿材料以水泥粉煤灰漿液為主。

?

榆神高速公路下伏采空區治理范圍大,需填充的空洞體積達 730000m3,若采用常用的水泥粉煤灰漿液充填,其治理成本非常高。高速公路所處地區存在大量的天然風積沙,風積沙的利用將能大大降低采空區充填成本,同時,減少對環境的破壞。

3 注漿投沙工藝

由于采空區已廢置多年,不能進入采空區,只能采用地表鉆孔注漿的方式充填采空區。采空區治理范圍周邊先施工帷幕孔形成漿液阻隔墻,孔距 15m;漿液阻隔墻內施工注漿孔,采用梅花型布置,孔距 20m。填充材料以風積沙為主,采用以水泥粉煤灰漿液帶動風積沙的方式將風積沙輸送到采空區。施工步驟包括地表鉆孔、制漿、注漿投沙、壓漿、封孔等。

3.1 鉆孔

鉆孔首先按設計對鉆孔進行定點,鉆孔使用全站儀按設計孔位進行實地放樣,然后進行鉆孔取芯。鉆孔采用146mm復合鉆頭開孔,鉆至穩定基巖下 3～5m處時下130mm套管,然后變徑89mm,繼續鉆至采空區中的塌陷冒落帶或采空區頂板。上覆土層為細沙、粘土或粉質黏土等,其自穩性差,需安裝護壁管進行護孔,防止鉆孔塌陷。鉆桿與鉆桿之間用絲扣聯接。鉆孔過程中,如發現漏水、掉鉆、埋鉆等現象,需詳細記錄深度、層位和耗水量等,并根據巖芯質量判斷冒落帶、裂隙帶等。

3.2 制漿

制漿在制漿站完成,為提高制漿質量,采用兩級攪拌池進行注漿。一級攪拌池為兩個攪拌池,分別對水和水泥、水和粉煤灰進行攪拌,然后將一級攪拌池的漿液輸入到二級攪拌中進行再攪拌。在一級攪拌過程中,由于粉煤灰存在雜質多、顆粒大(粒徑 0.5～3cm含量約為 30%,最大粒徑達 30cm以上),達不到設計要求,采取了兩方面措施進行處理:①利用鏟車壓碎較大粉煤灰塊。②利用 LSY-200螺旋輸送機漏斗上方的金屬格柵進行篩分,使大顆粒粉煤灰不能進入攪拌池。

漿液的材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝劑及粗骨料(風積沙)等組成。水/水泥粉煤灰配合比為:1∶1～1∶1.2,水泥/粉煤灰配合比為:帷幕孔 4∶6,注漿孔 2∶8。風積沙占總漿量的 50%。

3.3 注漿投砂

圖1 投沙器

注漿投沙是整個施工中的最重要環節,其關鍵是投沙器的設計和投沙方法。

3.3.1 投沙器的設計

為了使注漿投沙具有可操作性,設計了用于投沙的投沙器,見圖 1所示。投沙器由投沙漏斗、出氣口、注漿管接口、注漿孔接口四部分組成,投沙漏斗是便于風積沙的順利投入。投沙器上部口徑為 110mm,下部深入基巖孔內,口徑為 76mm,比注漿孔基巖下部孔徑 89mm小。

3.3.2 注漿投沙步驟

安裝好投沙器,準備投沙。先把注漿管與投沙器的注漿管接口連接好,鋼管與注漿管口之間采用高壓鋼絲管進行連接。先通漿,待漿液穩定后,用鏟車將風積沙堆積在投沙口上方進行投沙,風積沙隨著漿液并靠自重及孔內的負壓投入采空區中。當風積沙顯堵塞狀時,采用木棒在孔口通沙,風積沙在孔內負壓作用下繼續投入。

在投沙過程中,嚴禁較大石塊進入投沙器以及在未注漿情況下進行投沙;可用鏟車把風積沙直接堆在孔口上方,方便人工投沙,減少人工勞動量;采用間歇式注漿方法,注漿量和投沙總量一般達到兩百方左右的時候間歇一次,當停止注漿時要通清水進行洗管,避免漿液在管內凝固;注漿投沙孔的順序為先邊界孔(形成帷幕)后中間孔,并結合鉆孔資料,從低水位孔到高水位孔進行注漿。

3.4 壓漿和封孔

結合單孔注漿量設計要求和現場其他周邊孔注漿量的結果,一般當漿液從孔口開始冒漿時作為投沙結束的標準,投沙結束后取下投沙器、拔出護壁導管、下法蘭盤、安裝壓漿管進行壓漿。

(1)焊接法蘭盤。壓漿管為76mm的鋼管,下端 1m左右處焊接130mm法蘭盤,法蘭盤的作用主要是將法蘭盤卡在變徑處,同時防止漿液上串。

(2)安裝壓漿管。將帶有130mm法蘭盤的注漿管插入孔內變徑處,孔內放入少量黃土(圖 2),防止漿液大量滲出。灌入水灰比為 1∶1.5的水泥砂漿,水泥砂漿液中加入水泥重量2%速凝劑,澆筑長度約8m。

(3)壓漿。當周邊孔投沙完成后才進行壓漿,防止壓漿漿液跑到其他未投沙注漿的孔洞。

(4)壓漿管安裝好后,一般要隔 1～2 d,壓漿管凝結好后才開始壓漿。在孔口上方安裝壓力表進行注漿監控。當注漿壓力達到 1.2MPa左右(根據埋深、空隙等實際情況壓力可在1～3MPa之間),同時泵量70～100 L/min和維持時間10～15 min時,結束壓漿。壓漿結束要通清水進行洗管,避免漿液在管內凝固。

壓漿時應注意:(1)漿液應從稀漿(1∶1～1∶1.2)、低流量(≤90 L/min)開始,當漿液孔口壓力≤0.6MPa時,可逐漸加大流量;(2)當孔口壓力 >1.0MPa時,要降低流量,并用稠漿(1∶1.3～ 1∶1.4);(3)當單孔注漿量較大,需要加速凝劑(1% ～5%)。當孔口壓力≤0.6MPa、注漿量≥90 L/min時,采用間歇式注漿,間歇時間≥12 h;(4)間歇后的注漿,不得采用稀漿;(5)對于地面冒漿孔,間歇次數不得超過三次,當第三次注漿又發生冒漿時,終止壓漿。

圖2 投沙后壓漿

為防止地表水隨著注漿孔流入到采空區內,當壓漿完成后,拔出壓漿管,對注漿孔用混凝土進行封孔。

4 注漿投沙結果分析及質量評定

以上注漿投沙工藝被應用到榆神高速公路下伏采空區的現場試驗中,其注漿投沙技術和工藝得到不斷改進和完善,取得了較好的注漿投沙效果。在討老烏素煤礦采空區投沙注漿推廣應用,結果最高投沙率達 75%,最低投沙率為31%,平均投沙率為 50.2%左右。

本采空區風積沙填充質量評定與檢測工作主要參照《京福高速公路徐州繞城西段煤礦采空區處治工程質量檢驗評定辦法和標準》(試行)進行,檢測項目和標準列于表2中。本研究采用表2中的標準對三個采空區進行了詳細的質量檢測和評定,三個采空區質量處理評定結果均合格。

?

5 結 論

本研究結合榆神高速公路下伏采空區治理為工程背景,采用現場試驗,開發了風積沙高速公路下伏采空區注漿投沙技術,填補了本領域的國內外研究空白。通過現場推廣應用,其應用效果非常顯著,平均投沙率為 50.2%左右,大大降低了采空區整治成本,減少了對環境的破壞,具有顯著的社會經濟和環境效益。

[1]煤層采空區詳細工程地質勘察報告[R].煤炭科學研究總院西安研究院,2008

[2]中國科學技術情報研究所.出國參觀考察報告——波蘭采空區地面建筑[M].北京:科學技術文獻出版社,1979

[3]蘇尤申.采動區建筑物基礎設計要點[M].郭福君,劉樹滋,譯.北京:煤炭工業出版社,1985

[4]原煤炭工業部.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[S].北京:煤炭工業出版社,1985

[5]顏榮貴.地基開采沉陷及其地表建筑[M].北京:冶金工業出版社,1995

[6]哈米提.烏—奎高速公路煤層采空區治理試驗工程實錄[J].西部探礦工程,1997,9(6):31-32

[7]張志沛.高速公路煤礦采空區地基注漿加固治理技術[J].中南公路工程,1996(1):23-25

[8]趙樹森,侯軍.晉—焦高速公路煤礦采空區處治施工工藝和質量監控[J].山西交通科技,1999(1):17-21

[9]杜廣印,童立元,劉松玉.高速公路下伏多層煤礦采空區處治方法研究[J].東南大學學報,2001,31(3):115-118

[10]孫宗第.高等級公路下伏空洞勘探、危害程度評價及處治研究報告集[M].北京:科學出版社,2000

[11]童立元,劉松玉,邱鈺.高速公路下伏采空區危害性評價與處治技術[M].中南大學出版社,2006

[12]崔穎超,郭漢超,張曉春.禹登高速公路下伏采空區注漿治理工程質量檢測技術[J].交通標準化,2007(7)

[13]李鳳玲.注漿工藝在禹登高速路下伏采空區中的應用[J].中國高新技術企業,2007(8)

[14]余學義.高等級公路下伏采空區危害程度分析[J].西安公路交通大學學報,2000,20(4):43-45