CN103603689B - 一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法 - Google Patents

Abstract

一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法，该方法包括以下步骤：1）钻孔前施工准备；2）在采空区处理范围边界处，布置帷幕灌浆孔；3）对采空区的覆盖层及基岩段进行钻孔；4）对采空区的钻孔进行冲洗；5）通过钻孔对采空区进行帷幕灌浆处理：根据钻孔漏量情况，采用不同的浆液进行帷幕灌浆；6）灌浆质量检查。本发明提供的一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法，通过在采空区处理范围边界处采用地面钻孔注浆的方式，形成具有一定强度的封闭、止浆幕体，不仅较好地控制帷幕灌浆量及帷幕灌浆扩散范围，大幅度提高帷幕充填密实性、结石强度，解决了采空区处理边界处的封闭、止浆问题，又节省了工程投资。

Description

一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法

技术领域

本发明涉及一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法，属于于水利工程和相应工程的基础处理和地质灾害治理领域。

背景技术

随着国家基础建设的大力发展，工程选址和地质条件越来越复杂，而大量的矿产开采使得地下采空区面积越来越大。而由于采空区塌陷引起的一系列环境岩土工程地质问题，如地面下沉、道路开裂、耕地减少等，往往严重影响人民的正常生活，造成重大经济损失。

国内外在采空区上修建工程，尤其是水利工程的经验很少，无成熟的施工经验，没有相关的规程规范和技术标准可参考。南水北调中线工程为大型水利工程，工程在安全方面要求高，进行工程选址时，南水北调中线工程河南禹州段无法避开采空区。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法，通过在采空区处理范围边界处采用地面钻孔注浆的方式，形成具有一定强度的封闭、止浆幕体，不仅较好地控制帷幕灌浆量及帷幕灌浆扩散范围，大幅度提高帷幕充填密实性、结石强度，解决了采空区处理边界处的封闭、止浆问题，又节省了工程投资。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法，该方法包括以下步骤：

1）钻孔前施工准备；

2）在采空区处理范围边界处，布置帷幕灌浆孔；

3）对采空区的覆盖层及基岩段进行钻孔；

4）对采空区的钻孔进行冲洗；

5）通过钻孔对采空区进行帷幕灌浆处理：根据钻孔漏量情况，采用不同的浆液进行帷幕灌浆；

6）灌浆质量检查。

步骤3）中，针对煤系地层采空区覆岩的不同岩性特征，分别采用合金钻头、金刚石薄壁钻头、全断面合金或金刚石钻头，并采用膨润土泥浆作为循环液护壁。

步骤5）中，不同的浆液有以下三种：

a、高掺粉煤灰的水泥粉煤灰膨润土浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 80～100  水泥10～20   粉煤灰 60～80   膨润土 10～20；

b、速凝浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 80～100  水泥10～20   粉煤灰 60～80   膨润土 10～20以及占水泥与粉煤灰总重量2%的速凝剂；

c、膏状浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 50～70  水泥10～20   粉煤灰 60～80   膨润土 10～20以及占水泥与粉煤灰总重量2～3%的速凝剂。

三种浆液各组分的最佳重量份配比为：

a、高掺粉煤灰的水泥粉煤灰膨润土浆液：

水 90  水泥15   粉煤灰 70   膨润土 15；

b、速凝浆液：

水 90  水泥15   粉煤灰 70   膨润土 15以及占水泥与粉煤灰总重量2%的速凝剂；

c、膏状浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 60  水泥15   粉煤灰 70   膨润土 15以及占水泥与粉煤灰总重量2%的速凝剂。

步骤5）采用纯压灌浆法，根据钻孔孔内情况及吸浆量等，采取相应的浆液，并运用连续灌浆和间歇灌浆相结合的方法进行灌浆：

当吸浆量很小或采空区裂隙、空隙不发育，表现为有失水现象，但钻进过程中掉钻不明显、注浆时注浆流量持续减小或注浆压力持续增大时，采用浆液a连续注浆法注浆，直至注浆正常结束；

当钻进过程中未发现明显的掉钻或孔洞裂隙时，而初始注入率较大时，先采用浆液a灌注，当灌注时间超过30min且注入率无明显减小时，则改为浆液b灌注，当浆液b灌注时间超过1h且注入率无明显减小时，则改为浆液c灌注；

当钻进过程中遇较大的孔洞或巷道时，应直接采用浆液c进行灌注，但应根据现场情况适当调整水固比，以满足可灌性要求。

灌浆前的灌浆阻塞方式用“孔口封闭法”和“似法兰盘法”。

针对采空区帷幕灌浆的特点，常规水泥、粉煤灰、膨润土浆液用制浆效率较高的地面制浆站制配；膏状浆液需先用地面制浆站拌制常规浆液，输送至作业现场后，添加膨润土和其他外加剂，经二次强制搅拌制配，以满足帷幕灌浆的要求。

本发明提供的一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法，有益效果如下：

1、在采空区处理范围边界处，布置帷幕灌浆孔，采用液压回转钻机、潜孔钻机等钻孔设备钻穿采空区后，向采空区灌浆段、断裂带、冒落带以及巷道、岩层大空洞等部位，注入具有较好填充性和有限流动性的浆液材料，浆液硬化后形成具有一定强度的封闭、止浆幕体，防止在采空区充填灌浆处理时浆液扩散到采空区处理范围外，形成不必要的浆液浪费。

2、根据钻孔漏量情况，帷幕灌浆分别采用不同的浆液，运用连续灌浆和间歇灌浆相结合的方法，不仅降低了原材料成本，又较好地解决了采空区处理边界处的封闭、止浆问题。

3、针对采空区覆岩（壤土层、卵石层、基岩段等）不同的岩性特点，分别采用合金钻头、金刚石薄壁钻头、全断面合金或金刚石钻头，并辅以膨润土泥浆作为循环护壁液，有效地解决了采空区煤系地层快速高效成孔的问题。

4、针对采空区帷幕灌浆的特点，帷幕灌浆阻塞方式采用“孔口阻塞法”进行封闭，即采用孔口封闭装置与护壁套管（兼灌浆孔口管）丝口连接，进行封闭。同时，在施工灌浆过程中，根据钻孔孔内情况，漏量较大时，敞开孔口，加装漏斗，直接投入细集料或自流灌入膏状浆液，待孔口溢浆时再进行孔口封闭，加压继续灌注。该阻塞方法对传统的封孔施工方法进行了简化，阻塞方式操作简便易行：钻孔护壁套管兼起孔口管的作用，直接连接孔口封闭装置即可进行灌浆，操作简便易行，并从一定程度上节省了材料和工艺成本。

5、针对采空区帷幕灌浆的特点，帷幕灌浆采用纯压式灌浆法，根据钻孔孔内情况及吸浆量等，采取相应的浆液，并运用连续灌浆和间歇灌浆相结合的方法进行灌浆，既可形成有效的封闭、止浆帷幕，又减少了浆液消耗，节约了施工成本。

6、有效降低了灌浆材料成本：采空区帷幕灌浆和充填灌浆均采用高掺粉煤灰的水泥粉煤灰膨润土浆液，其中帷幕灌浆浆液粉煤灰掺量70%，有效地降低了灌浆材料成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的施工工艺流程图。

具体实施方式

一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法，该方法由以下步骤组成：

1）钻孔前施工准备，准备工作如下：

1-1）施工平台：采用槽钢或工字钢焊接形成支撑面较大的施工平台，并与钻机的机架整体螺栓连接，以确保高桅杆作业时的施工稳定性要求。

1-2）钻孔设备配置：煤矿采空区的埋深一般较大，且地层复杂，故钻孔一般选用动力11KW以上、扭矩不小于1110N.m的回转钻机或潜孔钻机。

1-3）钻孔器具：针对采空区覆岩（壤土层、卵石层、基岩段等）的不同岩性特点，分别配置合金钻头、金刚石薄壁钻头、全断面合金或金刚石钻头若干；钻杆按实际钻孔需要选用φ42mm、φ50mm等不同规格，采用锁丝接头。

1-4）灌浆设备：要求灌浆泵的低档理论排量不小于80L/min，且具备多级调速功能，实际施工中多选用BW250/50型灌浆泵作为主力机型。膏状浆液灌注要求设备泵量不小于60L/min，由于膏浆粘滞度较高，实际施工中多选用HS-B型螺杆式注浆泵灌注。

1-5）制供浆系统：采用带自动控制系统的大型地面注浆站集中制备水灰比为1:1或0.8:1的水泥粉煤灰膨润土浆液，通过灌浆中转站送至各施工作业面。当孔内吸浆量较大时，可将集中制浆站制备的浆液输送至作业面的强制式搅拌机内，现场添加膨润土进行二次搅拌制成膏状浆液，以满足灌浆需要。速凝剂根据需要在注浆搅拌桶内现场添加。

2）在采空区处理范围边界处，布置帷幕灌浆孔。

3）对采空区的覆盖层及基岩段进行钻孔，步骤如下：

3-1）钻孔施工顺序：帷幕灌浆孔布置在采空区处理范围边界处，单排孔布置，总体施工顺序按终孔低高程向高高程推进，并分为三序进行施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔，最后施工Ⅲ序孔。

3-2）钻孔定位：钻孔孔位按照设计布孔原则，采用全站仪或GPS，结合使用钢尺放样即可。

3-3）钻孔孔排距：根据生产性试验情况，检测浆液扩散范围，确定帷幕灌浆钻孔最优孔排距，一般选用2～3m，不宜大于5m。

3-4）钻孔孔深：达到设计孔深要求，具体以钻孔过程中出现明显的掉钻现象后，继续钻进至穿过煤层底板1～1.5m，以确保受灌段充分揭露。

3-5）钻孔孔径：开孔孔径宜大于终孔孔径两个级差，常采用φ110～130mm，钻至深入基岩5m后，变径为φ76～φ91mm继续钻进，直至达到终孔深度。

3-6）钻孔孔斜：由于帷幕灌浆孔的孔间距较小，因此在钻孔开孔前或重新就位后均应严格校正钻机立轴角度，保证钻孔的垂直度要求。

3-7）护壁套管埋设：钻孔开孔至深入基岩5m后，埋入φ108～127mm的护壁套管（可兼作灌浆管），定量注入0.5:1的纯水泥浆液嵌固管脚，嵌固长度不得超过该基岩段长。为加快灌浆段的钻孔施工进度，可加入水泥重量1%～3%的速凝剂，加速套管嵌固水泥浆液的凝固。

3-8）钻进方法

钻孔采用液压地质钻机或潜孔钻机钻进，钻孔自上而下穿过壤土层、卵石层、基岩段，针对不同的地层特点，钻进方法可采用以下方式进行：

① 壤土层钻进采用合金钻头，如三页钻，以膨润土泥浆作为循环液护壁，中低转速钻进；

② 卵石层钻进采用金刚石薄壁钻头，以膨润土泥浆作为循环液护壁，低转速钻进；

③ 基岩段采用全断面钻头、长钻杆、中高速钻进，采用清水作为循环液，中途不用提钻取芯，减少钻进过程中的加钻杆次数，可大大提高钻进效率；遇强度较高的石英砂岩地层时，提钻换用金刚石薄壁钻头钻进。

4）对采空区的钻孔进行冲洗：

壤土层、卵石层的钻渣，通过膨润土泥浆的悬浮作用带出孔外，进入泥浆回浆池

中沉淀排除；基岩段采用全断面钻头钻进，钻孔过程中可加大清水冲洗液的流量，将岩粉冲出孔外；钻孔终孔后，不提钻继续用压力清水冲洗不少于10min，将岩石裂隙、空隙中的充填物带走，以使注浆时浆液扩散范围加大。

5）灌浆前的灌浆阻塞：

灌浆阻塞方式可采用“孔口封闭法”和“似法兰盘法”两种：

5-1）灌浆前，将机械式阻塞器阻塞在护壁套管内，或采用孔口封闭器与护壁套管直接连接。采用这一阻塞方式，简便易行，但长时间灌浆后套管不易起拔。

5-2）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，注浆底管用反向丝扣连接，以便注浆结束后，使上部注浆管能够正转提出，重复使用；然后向孔壁和注浆管间定量注入水灰比为0.5:1的浓水泥浆液，将注浆管与孔壁嵌固，嵌固高度亦不超过该段的基岩长度。

6）通过钻孔对采空区内部进行灌浆处理：

6-1）帷幕灌浆施工顺序

帷幕灌浆总的施工顺序，由终孔深度低高程孔向高高程孔推进；同时，根据分序加密的原则，帷幕灌浆分三序进行，先灌Ⅰ序孔，再灌Ⅱ序孔，最后灌Ⅲ序孔。

6-2）浆液变换要求

帷幕灌浆材料采用水泥、粉煤灰、膨润土、外加剂等，根据不同孔内情况采用不同配合比拌制而成。具体浆液变换要求如下：

① 当吸浆量很小或采空区裂隙、空隙不发育，表现为有失水现象，但钻进过程中掉钻不明显、注浆时注浆流量持续减小或注浆压力持续增大时，宜采用帷幕灌浆材料浆液a连续注浆法注浆，直至注浆正常结束；

② 当钻进过程中未发现明显的掉钻或孔洞裂隙时，而初始注入率较大时，先采用浆液a，当灌注时间超过30min且注入率无明显减小，则改为浆液b灌注，当浆液b灌注时间超过1h且注入率无明显减小时，则改为浆液c灌注；

③ 当钻进过程中遇较大的孔洞或巷道时，应直接采用浆液c（膏浆）进行灌注，但应根据现场情况适当调整水固比，以满足可灌性要求。为防止膏浆堵塞钻孔，达不到帷幕的封闭效果，一般不宜采用间歇灌注方式进行注浆。

当注入稠度较大的浆液至孔口满时，应及时封闭孔口，进行压力注浆，直至注浆正常结束。

三种浆液的重量份配比为：

a、高掺粉煤灰的水泥粉煤灰膨润土浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 80  水泥10   粉煤灰 60   膨润土 10；

b、速凝浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 80  水泥10   粉煤灰 60   膨润土 10以及占水泥与粉煤灰总重量2%的速凝剂；

c、膏状浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 50  水泥10   粉煤灰 60   膨润土 10以及占水泥与粉煤灰总重量2%的速凝剂。

三种浆液的重量份配比还可以为：

a、高掺粉煤灰的水泥粉煤灰膨润土浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 100  水泥20   粉煤灰 80   膨润土 20；

b、速凝浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 100  水泥20   粉煤灰 80   膨润土 20以及占水泥与粉煤灰总重量3%的速凝剂；

c、膏状浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 70  水泥20   粉煤灰 80   膨润土 20以及占水泥与粉煤灰总重量2～3%的速凝剂。

三种浆液各组分的最佳重量份配比为：

a、高掺粉煤灰的水泥粉煤灰膨润土浆液：

水 90  水泥15   粉煤灰 70   膨润土 15；

b、速凝浆液：

水 90  水泥15   粉煤灰 70   膨润土 15以及占水泥与粉煤灰总重量2%的速凝剂；

c、膏状浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 60  水泥15   粉煤灰 70   膨润土 15以及占水泥与粉煤灰总重量2%的速凝剂。

6-3）灌浆管路布置及设备

采用浆液a灌注时，回浆管路不宜安装在灌浆泵出口处，应加长管路至孔口回浆，防止长时间灌注时，堵塞进浆管路，造成不必要的麻烦；同时，应在孔口回浆管前安装一个止回阀，以控制在灌浆初始阶段无压状态时，防止浆液回流而堵塞回浆管路。

浆液b和浆液c（膏浆）灌注时，灌浆设备（HS-B型注浆泵）宜尽量靠近孔口布置，单管直接进浆。

浆液c（膏浆）的拌制，需先运用地面注浆站拌制水泥、粉煤灰浆液，输送至作业现场后再添加膨润土、外加剂等，并采用JS-500型强制搅拌机进行二次搅拌，最后采用HS-B型螺杆泵灌入钻孔内。

6-4）灌浆方法

帷幕灌浆一般采用“纯压式灌浆法”，当灌浆量较大时，敞开孔口，加装漏斗，直接投入细集料或自流灌入膏状浆液，待孔口溢浆时再进行孔口封闭，加压继续灌注。

6-5）灌浆段长：灌浆段长为变径后至终孔的那段长度，即深入基岩5m后至钻孔终孔的那段长度。

6-6）灌浆结束标准：考虑灌浆结束阶段历时较短，严格的结束标准并非难以达到。因此，可采用当孔口压力在规定的压力值（1.0MPa），泵量小于10L/min，稳定10min，即可结束该孔的帷幕灌浆施工。

6-7）灌浆记录:以采用灌浆自动记录仪记录为主，由于灌浆自动记录仪属电子设备，在施工现场复杂恶劣的环境条件下，记录仪长时间运行，不可避免地会发生信号中断、打印输出不完整等故障，此时，应立即采用手工记录灌浆过程。

7）灌浆质量检查

7-1）检查方式：在相应单元工程注浆施工结束7天后进行帷幕灌浆质量检查，检查方式以压浆检查为主，同时结合钻孔取芯和灌浆资料成果分析为辅，综合判断灌浆效果。

7-2）检查孔布置：每20～40个孔划分为一个单元，每个单元设置一个检查孔，检查孔一般布置在钻孔情况特殊、干耗灰量较大的两孔之间。

7-3）压浆检查：采用水固比0.8:1或1:1的水泥粉煤灰浆液连续注浆，结束标准同帷幕灌浆要求。压浆结束后，以检查孔单孔注入干灰耗量进行两类比较，一是小于该单元平均单孔干灰耗量的25%，则认为注浆效果较好，二是以检查孔单孔干灰耗量进行控制（根据灌浆资料确定），若小于此值，则认为注浆效果较好，检查孔压浆满足上述任意一个标准，则认为单元工程注浆质量合格。

7-4）考虑煤矿采空区覆岩破坏形式一般为 “三带型”，帷幕灌浆处理范围主要为采空部分、冒落带和断裂带。因此，检查孔取芯只对终孔深度以上50m范围的采空区段取芯，岩芯采取率不小于设计技术要求的规定。

8、特殊情况处理

8-1）钻孔卡钻、埋钻现象

煤系地层以软质泥岩为主，砂岩多为泥质胶结，采用全断面钻进的施工方法，会有大量岩粉产生，极易发生“埋钻”现象；“三带”分布明显，裂隙发育，掉块现象时有发生，卡钻现象频次也会比较高。

出现这种情况时，重点在于事前预防：一是采用扭矩较大的回转钻机，可有效避免卡钻、埋钻现象的发生；二是钻进过程中加大冲洗液量和冲洗压力，以及时将岩粉冲出孔外；三是护壁套管的管径应大于终孔孔径两个级差，便于出现孔内事故时套取处理。

8-2）地表冒浆现象

开灌时，出现地表冒浆现象，应立即冲洗钻孔，保证灌注通道畅通，然后重新进行止浆处理；对于灌注时间较长，或升压阶段出现的地表冒浆现象，应立即降压灌注，沿漏浆点采取“土袋或沙袋压重”止浆措施，；压重止浆仍然无效时，待漏浆点出浓浆后待凝不少于8h，再扫孔复灌。

8-3）串孔现象

在采空区注浆过程中，一个孔灌注时，有时会在周围临近孔，甚至隔一孔，出现孔内“串浆”现象。出现这一现象时，待被串通孔出浓浆后，采取两孔或多孔同时灌注。

8-4）灌浆中断现象

灌浆施工过程中可能因供浆不及时、供浆管路堵塞、灌浆管路堵塞等原因造成灌浆中断，灌浆中断后应尽早恢复灌浆。恢复灌浆时，使用开始水灰比的浆液灌注，如注入率与中断前相近可改用中断前水灰比的浆液灌注，恢复灌浆后，注入率较中断前减少很大，应采用压力水冲孔，使孔内畅通后继续灌注。

8-5）钻孔遇较大空洞或巷道时

当帷幕线上遇较大空洞或巷道时，可先采用井下数字成像设备，探测其规模大小，然后根据规模大小，分别采用膏状浆液灌注、级配骨料投注法等施工方法处理。

Claims (5)

1.一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1）钻孔前施工准备；

2）在采空区处理范围边界处，布置帷幕灌浆孔；

3）对采空区的覆盖层及基岩段进行钻孔；

4）对采空区的钻孔进行冲洗；

5）通过钻孔对采空区进行帷幕灌浆处理：根据钻孔漏量情况，采用不同的浆液进行帷幕灌浆；

6）灌浆质量检查；

步骤5）中，不同的浆液有以下三种：

a、高掺粉煤灰的水泥粉煤灰膨润土浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 80～100  水泥10～20   粉煤灰 60～80   膨润土 10～20；

b、速凝浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 80～100  水泥10～20   粉煤灰 60～80   膨润土 10～20以及占水泥与粉煤灰总重量2%的速凝剂；

c、膏状浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 50～70  水泥10～20   粉煤灰 60～80   膨润土 10～20以及占水泥与粉煤灰总重量2～3%的速凝剂。

2.根据权利要求1所述的一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法，其特征在于：步骤3）中，针对煤系地层采空区覆岩的不同岩性特征，分别采用合金钻头、金刚石薄壁钻头、全断面合金钻头或全断面金刚石钻头，并采用膨润土泥浆作为循环液护壁。

3.根据权利要求1所述的一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法，其特征在于步骤5）中，三种浆液各组分的重量份配比为：

a、高掺粉煤灰的水泥粉煤灰膨润土浆液：

水 90  水泥15   粉煤灰 70   膨润土 15；

b、速凝浆液：

水 90  水泥15   粉煤灰 70   膨润土 15以及占水泥与粉煤灰总重量2%的速凝剂；

c、膏状浆液，其中各组分的重量份配比为：

水 60  水泥15   粉煤灰 70   膨润土 15以及占水泥与粉煤灰总重量2%的速凝剂。

4.根据权利要求1或3所述的一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法，其特征在于步骤5）采用纯压灌浆法，根据钻孔孔内情况及吸浆量，采取相应的浆液，并运用连续灌浆和间歇灌浆相结合的方法进行灌浆：

当吸浆量很小或采空区裂隙、空隙不发育，表现为有失水现象，但钻进过程中掉钻不明显、注浆时注浆流量持续减小或注浆压力持续增大时，采用浆液a连续注浆法注浆，直至注浆正常结束；

当钻进过程中未发现明显的掉钻或孔洞裂隙时，而初始注入率较大时，先采用浆液a灌注，当灌注时间超过30min且注入率无明显减小时，则改为浆液b灌注，当浆液b灌注时间超过1h且注入率无明显减小时，则改为浆液c灌注；

当钻进过程中遇较大的孔洞或巷道时，应直接采用浆液c进行灌注，但应根据现场情况适当调整水固比，以满足可灌性要求。

5.根据权利要求1或2所述的一种采空区处理帷幕灌浆的施工方法，其特征在于：灌浆前的灌浆阻塞方式用“孔口封闭法”。