大型水利工程下伏深层采空区处理措施,水利工程论文

　　大型水利工程主干渠穿过禹州原新峰矿务局二矿、梁北镇郭村煤矿、梁北镇工贸公司煤矿、梁北镇福利煤矿和梁北镇刘硐村一组煤矿等 5 个煤矿采空区.

　　采空区总长 3. 11 km,在开采时间与水平、采空程度、回采率大小、回填程度与安全煤柱形式等方面均不一样,存在一定的变形现象.采空区均为老矿区,年代久远,煤矿资料不全,矿道分布资料缺失.在没有规程、规范和成熟施工经验的前提下,进行大型水利工程下伏的深层煤矿采空区处理,施工难度极大.采空区主要采取钻孔、灌浆进行处理,最大钻孔深度近 300 m.

　　1 采空区处理措施

　　1. 1 处理工艺原理及流程

　　采用液压回转地质钻机等钻孔设备钻穿采空区,然后通过压力注浆法向岩层的空隙或采空区裂隙带、冒落带和采空部分注入具有充填、胶结性能的浆液材料,浆液硬化后形成具有一定强度的支撑体,对上覆岩层形成支撑作用,以阻止上覆岩层的进一步冒落,防止地面沉陷而引起的沉降变形,保证穿过采空区建筑物( 构筑物) 的运行安全.

　　对采空区的处理目的一直存在争议,一种观点认为要将采空区尽量充满; 另一种观点认为只要在采空区内形成多点支柱,足以支撑上覆岩层不再冒落、沉降即可.考虑到大型水利工程的重要性,本工程是按尽量将采空区充满来设计的,但不允许浆液扩充至采空区之外,这就有一个上下左右的灌浆区域限制,即单孔见基岩5 m 以下、穿过采空区1. 5 m 为灌浆段; 平面范围除依靠采空区自然边界作为界限外,建筑物穿过一些大的采空区,需对采空区进行隔断处理,俗称封闭( 帷幕) 灌浆.采空区处理工艺流程见图 1.

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　　1. 2 钻孔方法

　　采用常规钻孔施工方法,包括钻取岩芯、全断面钻进,类似文献较多,不再详述.主要对钻孔布置进行说明,采空区灌浆处理不同于一般灌浆,处理区面积大、连通性好,钻孔间距、排距要适当加大,通过试验,本工程选取 18 ~22 m.

　　1. 3 灌浆材料选择

　　灌浆材料要求: 流动性好、有一定强度、充填性好,具有可灌性,经济节省.据此选择灌浆材料,主要有水、水泥、粉煤灰.主要配比为水 ∶ 水泥 ∶ 粉煤灰 =1∶ 0. 15∶ 0. 85,另掺一定量外加剂改性.实际施工过程中,通过对比试验( 1、2 号试验区) ,掺与不掺外加剂对灌浆效果影响不大,且掺外加剂费用高,后来没有掺加外加剂.在进行 1 号试验区充填灌浆时有针对性地添加了外加剂,2 号试验区充填灌浆没有添加外加剂,以验证外加剂对浆液流动性的影响.

　　试验过程中进行了大量的资料分析,建立了灌浆流量与灌浆时间的对应关系,绘制了典型灌浆孔单孔灌浆过程曲线,典型单孔灌浆曲线取值的原则为灌浆过程中每 0. 5 ~2 h 取一个有代表性的时间节点上的流量和压力,灌浆结束前一段时间加大取值的数量.1 号试验区典型灌浆孔单孔灌浆曲线见图 2,2 号试验区典型灌浆孔单孔灌浆曲线见图 3.

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　　从对比情况来看,无论添加外加剂与否,浆液的流动性均比较好,能满足充填灌浆质量要求.同时,从灌浆过程曲线可以看出,随着灌浆的进行灌浆流量骤降,压力骤增,从而灌浆结束.

　　经对灌浆材料试验,水固比 1∶ 1( 重量比) 水泥粉煤灰浆液的流动性较好,浆液扩散度能够满足充填灌浆的需要,同时,添加外加剂对于施工中浆液的扩散度没有明显改善,充填灌浆浆液添加外加剂的必要性不大.

　　1. 4 灌浆方法

　　充填灌浆方法本身较常规,没有太多复杂技术,灌浆阻塞位置、方法是灌浆成功与否的关键,主要针对阻塞方式、灌浆压力、灌浆结束标准进行说明.灌浆阻塞方式采用"套管孔口阻塞法"和"似法兰盘法"两种.

　　1) 套管孔口阻塞法.钻孔至深入基岩 5 m 后,埋入  127 mm 的护壁套管,采用水灰比为 0. 5∶ 1( 或0. 6∶ 1) 的水泥浆封闭管脚,浇筑长度深入基岩以下5 m.水泥浆液中应加入占水泥重量 3% 的速凝剂,快速将护壁套管与孔壁固结.钻孔结束后,将阻塞器阻塞在护壁套管内,或采用封闭器与护壁套管丝扣连接,采用纯压式灌浆.采用这一阻塞方式施工工艺简单,但存在灌浆结束后护壁套管无法起拔等难题,对工程投资不利.

　　2) 似法兰盘法.钻孔结束后,起拔护壁套管,将一端带有法兰托盘的注浆管下入孔内变径处,注浆管用丝扣连接,在中、上部用一个反向丝扣连接( 以便注浆结束后,使上部注浆管能够反转提出重复使用) ; 然后从托盘开始向上,用快硬水泥止浆,水灰比 0. 5∶ 1( 或 0. 6 ∶ 1) ,将管壁与孔壁固结严密,止浆高度 5 ~10 m.

　　采用这一阻塞方式对施工投资有利,全孔一次成孔后灌注主要采用这一方式.孔口阻塞法和似法兰盘法阻塞方式见图 4.

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　　灌浆结束标准: 当孔口压力在规定的压力值( 1. 0 MPa) ,泵量小于 10 L/min,稳定 10 ~ 15 min 以上,即可结束该孔注浆施工.

　　从单孔灌浆过程曲线( 图 3) 分析可见: 灌浆注入率呈骤降、灌浆压力呈急升趋势,即以100 ~130 L/min的流量进行灌浆,灌浆过程中流量为 100 ~130 L/min时,压力为零或脉动、无回浆的状态,而最后5 ~30 min内流量骤降至 0 ~10 L/min,压力升至 1. 0 ~1. 5 MPa,过渡阶段很短,符合充填灌浆的一般规律.

　　1. 5 质量检查

　　1) 质量检查方法.①充填灌浆质量检查孔单元划分原则,充填灌浆按照每 30 ~50 个孔划分为一个单元工程施工.②充填灌浆质量检查孔检查标准.充填灌浆以压浆检查、地质 CT 扫描为主,钻孔取芯、综合资料分析为辅,经过现场生产性试验和施工验证,经过专家咨询,其合格标准为充填灌浆检查孔压浆检查的单位注入干灰耗量小于该单元的平均单位注入干灰耗量的 25% 则认为注浆满足要求; 地质 CT 扫描检查95% 以上的监测区域检测波速达到 2 300 m / s 以上则为合格; 钻孔取芯针对基岩段,覆盖层段不需取芯,各检查孔的岩芯采取率与附近取芯孔的采取率相比有提高,则作为单元检查合格的一个条件.

　　2) 质量检查结果.按照上述原则,布置质量检查孔,充填灌浆质量检查孔压浆检查干耗灰量与其所在的单元工程平均单孔耗灰量比较,递减率 84. 4% ~99. 3% ,平均递减率 89. 9% ,递减效果明显,经地质 CT扫描检查,所有检查孔均满足要求,可见灌浆效果较好.

　　通过灌前、灌后地表沉降观测,在进行采空区处理工程施工后地表不再沉降( 周边未处理的采空区年统计局部沉降 10 cm 以上) ,施工安全得到了充分保证,说明采空区处理工程施工技术安全可靠.

　　2 结语

　　这一大型水利工程下伏深层采空区的处理,在国内属首例,多项技术存在创新,如灌浆材料、孔排距、灌浆压力、阻塞方式、灌浆方法等,本文重点对采空区处理施工技术、方法、质量检查、标准进行详细描述,经过实践检验,采空区处理施工技术、质量控制方法有效,对同类工程颇具参考价值.