CN112855029B - 一种采空区钻孔外扩管施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于地质路基技术领域，具体涉及一种采空区钻孔外扩管施工方法。该施工方法包括以下步骤：步骤S1，施工放样，清理场地；步骤S2，通过钻机打出起始孔，变径钻进至第一层采空区；步骤S3，将外扩管通过钻孔放入到第一层采空区，外扩管的横截面为异型管，外扩管沿钻孔的轴线放入第一采空区中；步骤S4，利用外扩钻头将外扩管进行扩张；步骤S5，继续钻进至下一层采空区，在下一层采空区重复步骤S2‑步骤S4中的操作，直至钻进到目标采空区位置；步骤S6，将注浆管与钻孔对接，向目标采空区注入浆液。施工方法有效节省不治理层的材料浪费，节约大量注浆材料及钢管，降低施工成本。该施工方法还极大的缩短了施工工期。

Description

一种采空区钻孔外扩管施工方法
技术领域
本发明属于地质路基技术领域，具体涉及一种采空区钻孔外扩管施工方法。
背景技术
随着国民经济的持续发展，不良地质条件下的工程建设越来越多。在采空区上施工建筑时，有时仅采用地面各种保护措施难以保证地面建筑物的安全，必须进行采空区处理。废弃采空区顶板垮落、煤柱破碎，或煤柱压入较软的底板。由此造成的上覆岩层移动破坏、地面沉陷常常在开采之后几十年甚至上百年后都可能发生。沉陷量和沉陷时间难以准确预测，对地面的建筑物危害极大。在这种情况下，采空区的处理问题日益突出。
在现有技术中，常采用多次成孔方法，需要在第一层采空区注入速凝浆液，等待24小时左右浆液凝固后，钻机重新钻进至第一层采空区下方的治理层。现有技术的施工方法需要对上方不治理层进行注浆处理，不治理层指的是不需要进行注浆处理的采空区，例如总共有三层采空区，其中第三层采空区为需要进行注浆处理的治理层，另外的第一层采空区及第二层采空区均为不治理层。这不仅延长了施工周期，同时增加了施工成本。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采空区钻孔外扩管施工方法，以至少解决目前施工方法对不治理层注浆不仅延长了施工周期而且增加了施工成本等问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种采空区钻孔外扩管施工方法，该施工方法包括以下步骤：
步骤S1，施工放样，清理场地；
步骤S2，通过钻机打出起始孔，然后变径钻进至第一层采空区，然后提升钻杆；
步骤S3，将外扩管通过钻孔放入到第一层采空区，外扩管的横截面为异型管，外扩管未扩管前的最大直径小于钻孔的直径，外扩管沿钻孔的轴线放入第一采空区中，所述外扩管的轴向长度大于第一层采空区在钻孔方向的长度，外扩管的底端低于第一层采空区，外扩管的顶端高于第一层采空区；
步骤S4，利用外扩钻头将外扩管进行扩张，扩张后的外扩管的直径大于等于钻孔的直径，外扩管的横截面形状的周长大于等于钻孔的圆周长；
步骤S5，继续钻进至下一层采空区，在下一层采空区重复步骤S2-步骤S4中的操作，直至钻进到目标采空区位置；
步骤S6，将注浆管与钻孔对接，向目标采空区注入浆液。
如上所述的采空区钻孔外扩管施工方法，作为优选方案，在步骤S2中，先通过钻机钻出起始孔，起始孔钻入完整基岩的深度大于5m，然后在起始孔的孔底向下打出钻孔，钻孔的直径小于起始孔，钻孔钻进至第一层采空区底板后，提升钻杆。
如上所述的采空区钻孔外扩管施工方法，作为优选方案，在步骤S3中，外扩管的底部放置在第一层采空区底板的钻孔中，外扩管的顶部高于第一层采空区的顶板，外扩管贯穿第一层采空区。
如上所述的采空区钻孔外扩管施工方法，作为优选方案，所述外扩管的横截面具有向外扩管轴心的内凹部；
所述内凹部具有多个，多个所述内凹部沿外扩管轴心呈中心对称。
如上所述的采空区钻孔外扩管施工方法，作为优选方案，所述内凹部为弧形；
或者，所述内凹部具有两条相交的弧形边。
如上所述的采空区钻孔外扩管施工方法，作为优选方案，在步骤S1中，首先进行测量放样，实行复测制度，测量放样误差不超过0.5m，在无法进行操作地点，进行位置修正。
如上所述的采空区钻孔外扩管施工方法，作为优选方案，所述外扩钻头为圆台形，所述外扩钻头的直径由下至上逐渐增大。
如上所述的采空区钻孔外扩管施工方法，作为优选方案，在所述起始孔内安装孔口管，所述注浆管上设置有法兰盘，所述法兰盘的直径大于钻孔的直径；
所述法兰盘放置在所述起始孔的孔底，所述注浆管的出口与所述钻孔相对；在孔口管中填充封堵材料进行密封。
如上所述的采空区钻孔外扩管施工方法，作为优选方案，在所述注浆管的管口安装三通，三通的另外两个端分别连接进料管、压力表；
在注浆过程中需要投放骨料时，将压力表换成料斗用于投放骨料。
如上所述的采空区钻孔外扩管施工方法，作为优选方案，对孔口管进行密封时，在孔口管内放入砾石以堵塞大的缝隙，然后放入粘土，最后灌入水泥浆，所述水泥浆在孔口管中的高度不小于4m。
有益效果：
采空区外扩管施工方法有效节省不治理层的材料浪费，节约了大量注浆材料及钢管，有效降低施工成本。该施工方法还将采空区处治完成时间大大缩短，因工程施工进度快，质量好，为主体施工创造了良好的有利条件，确保了施工进度，极大的缩短了施工工期。
附图说明
图1为本发明实施例中采空区外扩管施工流程图；
图2为本发明实施例中扩管过程示意图；
图3为本发明实施例中外扩钻头的结构示意图；
图4为本发明实施例中外扩管的一种结构示意图；
图5为本发明实施例中外扩管的另一种结构示意图；
图6为本发明实施例中外扩管的另一种结构示意图；
图7为本发明实施例中注浆浇筑示意图。
图中：1、外扩管；2、外扩钻头；3、注浆管；31、法兰盘；4、封堵材料；5、进料管；6、压力表；11、外扩后轮廓线；10、第一层采空区；20、第二层采空区；30、第三层采空区。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
根据本发明的具体实施例，如图1-7所示，本发明提供一种采空区外扩管施工方法，该施工方法适用于多层煤矿采空区、井下巷道的全充填压力注浆分层治理施工。
本施工方法的工艺原理为：按照一次成孔施工工艺进行施工，在通过第一层采空区后，继续钻进至第一层采空区底板若干深度提出钻杆。开始安装第一层采空区外扩管，重新下钻杆，在采空区位置利用钻头钻进外扩管，使外扩管进行扩张。当外扩管全部扩张完成后形成对第一层采空区的有效封堵，钻机继续向下钻进施工。以此类推，将所有不需要处理的采空区全部封堵完成。钻孔全部完成后进行孔口管安装及注浆作业。
该施工方法包括以下步骤：
步骤S1，施工放样，清理场地。首先进行测量放样，实行复测制度，测量放样误差不超过0.5m，确有困难无法进行操作地点，也即因地形影响，钻孔不能放在设计位置时，进行位置修正，修正后距离原位置不允许超过1.0m，具体的，先施工其周围可以就位的钻孔，在根据钻探揭露采空区的情况进行调整，然后利用装载机清理场地。
步骤S2，通过钻机打出起始孔，然后变径钻进至第一层采空区，然后提升钻杆。具体的，使钻机就位，钻杆保持垂直，且设置缆风绳，并安装相应的附属设备，包括三级配电箱、施工用水供应水泵、安全防护措施、有害气体检测设备、消防设施等。然后通过钻机钻出起始孔，起始孔钻入完整基岩的深度大于5m，然后在起始孔的孔底向下打出钻孔，钻孔的直径小于起始孔，钻孔钻进至第一层采空区底板后，提升钻杆。
钻孔采用回旋方式带水钻进，不允许用冲击式钻进，以防采空区突然发生塌落。钻进初始阶段，应布设灌浆孔总数3%～5%的取芯钻孔，以便对地层情况进行勘测和验证，确定和指示周边钻孔的钻进层位，确认采空区的层厚，保证放入的外扩管上下端均大于层厚0.2m以上，保证外扩管安装质量，其余钻孔可参照取芯钻孔的钻进情况，实施不取芯钻进。对钻孔倾斜度不做专门要求，但在钻孔施工中应尽量保持钻孔垂直度，确保成孔后孔壁稳定，孔内通畅。
在本实施例中，起始孔的孔径为Φ130mm，起始孔进入完整基岩6m，然后改变钻孔直径，钻进至第一层采空区底板，钻孔直径为Φ89mm。在起始孔内安装孔口管，安装孔口管是防止钻孔的上部松散土塌方造成堵孔；而改变钻孔直径，是为了在起始孔与变径后的钻孔直径形成台阶，孔口管安装在台阶上，从而能够放置孔口管向下沉。
步骤S3，将外扩管通过钻孔放入到第一层采空区，外扩管的横截面为异型管，外扩管未扩管前的最大直径小于钻孔的直径，从而便于外扩管下方到采空区位置。外扩管沿钻孔的轴线放入第1采空区中，外扩管的轴向长度大于第一层采空区的厚度，外扩管的底端低于第一层采空区，外扩管的顶端高于第一层采空区。
具体的，在本实施例中，钻孔至第一层采空区后，从第一层采空区的底板向下钻进0.2m，根据掉钻情况判断采空区在钻孔方向上的长度，将外扩管按照采空区长度加0.4m加工完成，将外扩管放入钻孔内，外扩管沉底后定位在第一层采空区中，使得外扩管的底部放置在第一层采空区底板的钻孔中，外扩管的顶部高于第一层采空区的顶板，外扩管贯穿第一层采空区。如此设置不仅方便外扩管的安装，而且保证外扩管的精准定位。在不确定外扩管是否安装就位的情况下，采用内窥镜进行检查，保证外扩管安装就位，发挥应有的作用。
外扩管的横截面具有向外扩管轴心的内凹部，内凹部向外扩管的轴心内凹，从而使得外扩管在更小的直径范围内具有更大的横截面周长，而外扩管在未扩张前的最大直径小于钻孔的直径，从而便于外扩管的下放。内凹部具有多个，多个内凹部沿外扩管轴心呈中心对称。
在本实施例中，外扩管采用壁厚5mm钢管制作，外扩管为异型管，其横截面非圆形，为扩张时的外扩管的最大直径为80mm；外扩管横截面的周长换算直径大于等于89mm，使得外扩管在扩张后能够贴紧钻孔的孔壁，从而将钻孔内与采空区隔绝开来，进而不用对不需要治理的采空区进行注浆。
如图4、图5所示，内凹部为弧形，内凹部具有8个，8个内凹部沿外扩管的轴心呈中心对称。如图6所示，内凹部具有两条相交的弧形边。内凹部具有弧形结构，使得内凹部本身过渡更加平滑，如此在进行外扩管扩张时，外扩管上的每个内凹部均不会出现应力集中的情况，从而便于外扩管的扩张。
外扩管1在未扩张前的最大直径小于89mm，外扩管在扩张后，外扩管的外扩后轮廓线11为圆形，其直径大于等于89mm。
外扩钻头为圆台形，外扩钻头的直径由下至上逐渐增大，外扩钻头的直径逐渐增大，使得外扩管在扩张时也逐渐变大，外扩管在扩张时受力更加均匀，保证外扩管具有更好的扩张效果。
步骤S4，利用外扩钻头将外扩管进行扩张，扩张后的外扩管的直径大于等于钻孔的直径（即大于等于89mm），外扩管的横截面形状的周长大于等于钻孔的圆周长，以不影响对下一层采空区的钻进施工。
步骤S5，继续钻进至下一层采空区，在下一层采空区重复步骤S2-步骤S4中的操作，直至钻进到目标采空区位置。在本实施例中，第三采空区为治理层，第一采空区与第二采空区均不需要治理，因此在钻进第二采空区时，重复步骤S2-步骤S4，直至钻进到第三采空区。
步骤S6，将注浆管3与钻孔对接，向目标采空区注入浆液。
注浆管3上设置有法兰盘31，法兰盘31的直径大于钻孔的直径；法兰盘31放置在起始孔的孔底，注浆管3的出口与钻孔相对；在孔口管中填充封堵材料4进行密封。在注浆管3的管口安装三通，三通的另外两个端分别连接进料管5、压力表6；在注浆过程中需要投放骨料时，将压力表6换成料斗用于投放骨料。
具体的，在成孔后，将一端带有Φ125mm法兰托盘的Φ50mm注浆管3下至变径位置，变径位置为地表向下进入基岩6m，此处安装有孔口管，防止发生塌方堵塞钻孔。封堵材料4包括砾石、粘土与水泥浆，先在孔口管内放入少量砾石以堵塞大的缝隙，然后放入少量粘土，防止浆液大量渗漏，最后灌入水灰比为1:1.5的素水泥浆，浆液在孔口管内的高度不小于4m，能够更好的达到密封效果，防止加压过程密封不好加压失败。首先填充砾石，后填充黏土，在距地面不小于4m，时填充水泥浆。水泥浆液中加入水泥重量的2%的水玻璃，确保填充水泥浆高度不小于4m，达到良好的密封性。
φ50mm注浆管3要高出地面0.5m，并在注浆管3的管口上安装注浆用的三通管既可注浆。注浆管3的管口施工结束后安装堵头防止异物进入孔内，安装三通前需要将堵头塞拆掉，安装三通管。安装三通管一侧为进料管5，一侧为注浆管3，一个安装压力表6。施工中如需投放骨料，将压力表6换成料斗用于投放骨料。
综上所述，本发明提供的采空区外扩管施工方法，相较于传统的多次成孔工艺，过渡采空区仅需进行扩管施工。不需要浇筑止浆套管、减少了多次成孔、注浆及扫孔等施工内容。有效节省不治理层的材料浪费，节约了大量注浆材料及钢管，有效降低施工成本。
本施工方法在处理非处置采空区层时，仅需进行扩管隔离，即可继续进行钻进作业。传统施工方法需要在第一层采空区注入速凝浆液，等待24小时左右浆液凝固后，变径重新钻进。本施工方法相较于传统工艺，减少了注浆及浆液凝固间歇时间，减少了扫孔过程。因此在开孔时每跨越一层采空区时能够节省1天工作时间。同时不需要对不治理层进行注浆，安装外扩管即可起到封堵周边的效果，极大的缩短了施工工期。
本施工方法在扩管后能够有效封堵采空区，不影响钻机继续钻进作业。同时在注浆过程中扩管工艺能够有效防止采空区漏浆、跑浆等情况，施工质量可靠。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采空区钻孔外扩管施工方法，其特征在于，该施工方法包括以下步骤：
步骤S1，施工放样，清理场地；
步骤S2，通过钻机打出起始孔，然后变径钻进至第一层采空区，然后提升钻杆；
步骤S3，将外扩管通过钻孔放入到第一层采空区，外扩管的横截面为异型管，外扩管未扩管前的最大直径小于钻孔的直径，外扩管沿钻孔的轴线放入第一采空区中，所述外扩管的轴向长度大于第一层采空区在钻孔方向的长度，外扩管的底端低于第一层采空区，外扩管的顶端高于第一层采空区；
步骤S4，利用外扩钻头将外扩管进行扩张，扩张后的外扩管的直径大于等于钻孔的直径，外扩管的横截面形状的周长大于等于钻孔的圆周长；
步骤S5，继续钻进至下一层采空区，在下一层采空区重复步骤S2-步骤S4中的操作，直至钻进到目标采空区位置；
步骤S6，将注浆管与钻孔对接，向目标采空区注入浆液；
在步骤S2中，先通过钻机钻出起始孔，起始孔钻入完整基岩的深度大于5m，然后在起始孔的孔底向下打出钻孔，钻孔的直径小于起始孔，钻孔钻进至第一层采空区底板后，提升钻杆；
在所述起始孔内安装孔口管，所述注浆管上设置有法兰盘，所述法兰盘的直径大于钻孔的直径；
所述法兰盘放置在所述起始孔的孔底，所述注浆管的出口与所述钻孔相对；在孔口管中填充封堵材料进行密封。
2.根据权利要求1所述的采空区钻孔外扩管施工方法，其特征在于，在步骤S3中，外扩管的底部放置在第一层采空区底板的钻孔中，外扩管的顶部高于第一层采空区的顶板，外扩管贯穿第一层采空区。
3.根据权利要求1所述的采空区钻孔外扩管施工方法，其特征在于，所述外扩管的横截面具有向外扩管轴心的内凹部；
所述内凹部具有多个，多个所述内凹部沿外扩管轴心呈中心对称。
4.根据权利要求3所述的采空区钻孔外扩管施工方法，其特征在于，所述内凹部为弧形；
或者，所述内凹部具有两条相交的弧形边。
5.根据权利要求1-4任一所述的采空区钻孔外扩管施工方法，其特征在于，在步骤S1中，首先进行测量放样，实行复测制度，测量放样误差不超过0.5m，在无法进行操作地点，进行位置修正。
6.根据权利要求1-4任一所述的采空区钻孔外扩管施工方法，其特征在于，所述外扩钻头为圆台形，所述外扩钻头的直径由下至上逐渐增大。
7.根据权利要求1所述的采空区钻孔外扩管施工方法，其特征在于，在所述注浆管的管口安装三通，三通的另外两个端分别连接进料管、压力表；
在注浆过程中需要投放骨料时，将压力表换成料斗用于投放骨料。
8.根据权利要求1所述的采空区钻孔外扩管施工方法，其特征在于，对孔口管进行密封时，在孔口管内放入砾石以堵塞大的缝隙，然后放入粘土，最后灌入水泥浆，所述水泥浆在孔口管中的高度不小于4m。
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