國道301線邯鄲至涉縣段公路采空區(qū)治理方案研究

國道301線邯鄲至涉縣段公路采空區(qū)治理方案研究

0河北武健全場,關(guān)鍵所在青蘭高速公路邯鄲至涉縣段是2009國道主干線的一部分。這條線路從邯鄲城西開始，延伸至冀津邊境，全長87.93公里。途經(jīng)河北武安、涉縣,武安為河北省重點產(chǎn)煤區(qū),國營大煤礦、民間小煤礦星羅棋布,數(shù)不勝數(shù)。多年的開采,地下大部分都被采空。近幾年,309國道武安段由于處在采空區(qū)的中心地帶,已發(fā)生多處路段沉陷,嚴(yán)重影響道路交通的安全。因此,如何做好煤礦采空區(qū)的設(shè)計就顯得十分重要。1注漿管、井下巷道漿砌充填技術(shù)采用全充填壓力注漿法及井下巷道漿砌或砌碹的方法對影響擬建公路的采空區(qū)進(jìn)行治理。(1)全充填壓力注漿法是在地表打孔,通過注漿泵、注漿管,將水泥粉煤灰漿注入采空區(qū)及其上覆巖體裂隙中,漿液經(jīng)過固化,膠結(jié)巖層裂隙帶,同時采空區(qū)內(nèi)的漿液形成的結(jié)石體對其上覆巖層形成支撐作用,保證路基的穩(wěn)定。(2)井下巷道漿砌是指從煤礦井口直接進(jìn)入井下,對采空區(qū)治理范圍內(nèi)尚未坍塌的巷道用片石、砂漿進(jìn)行充填。(3)井下巷道砌碹是指對采空區(qū)治理范圍內(nèi)生產(chǎn)礦井為長期生產(chǎn)而掘進(jìn)的主要回風(fēng)巷或運輸巷進(jìn)行砌碹加固,作為煤礦永久性巷道。2確保公路基穩(wěn)定性采空區(qū)在進(jìn)行治理后,地基的變形應(yīng)滿足公路工程對地基穩(wěn)定性的要求,經(jīng)治理后的采空區(qū)在公路施工和運營過程中,地基能有效地承受公路和車輛荷載,不產(chǎn)生破壞和影響公路工程正常使用的變形,保證公路安全營運。3注漿設(shè)計3.1原有應(yīng)確定的寬度采空區(qū)治理長度以采空塌陷區(qū)沿路線延伸方向分布長度為準(zhǔn),即L為路線延伸方向空洞長度。治理寬度為路基范圍內(nèi)向兩側(cè)按68°的巖層應(yīng)力擴(kuò)散角考慮所確定的寬度,即B=路面寬度(33.5m)+保護(hù)帶寬度(2D)+2Hctanβ。式中:B為治理寬度,m;D為挖方段為路塹塹頂邊緣外10m,填方段為路堤坡腳外11m的距離;H為路塹塹頂邊緣外10m處或路堤坡腳外11m處至采空區(qū)底板的垂直距離,m;β為采空區(qū)覆巖應(yīng)力擴(kuò)散角,β=68°。3.2注漿灌漿調(diào)整采空區(qū)空洞體積ΔV指采空區(qū)治理范圍內(nèi)的采出煤層體積,扣除采空區(qū)因頂板冒落所發(fā)生變形的體積。注漿漿液的結(jié)石率C應(yīng)在注漿施工前先作試驗確定,本設(shè)計按80%計算,漿液對采空區(qū)及上覆巖層中的裂隙、裂縫的充填率η要求為75%,考慮到在注漿過程中,漿液向地表、第四系跑漿及帷幕孔向外圍跑漿,取漿液損耗系數(shù)A=1.1。按注漿量Q=A×ΔV×η÷C計算。3.3注漿孔的布置各采空區(qū)注漿孔的設(shè)計詳見各采空區(qū)的設(shè)計說明及注漿孔布置平面圖。注漿孔的設(shè)計深度為地面至處治目的層位(煤層或其對應(yīng)的采空區(qū))底板以下0.5m(能確認(rèn)層位即可)的深度,注漿孔的注漿長度為采空區(qū)最上部完整基巖頂面以下5m至采空區(qū)底板,孔口管長度為地表之上1m至完整基巖以下6m處的深度。注漿孔的平面布置近似三角形。鑒于小煤礦開采的無規(guī)律性和勘察工作難以精確查明煤柱位置,有一部分設(shè)計孔在施工過程中會鉆在煤柱上,施工中應(yīng)根據(jù)已完成的鉆孔隨時調(diào)整。3.4無側(cè)限高充水通過方案配合比試驗根據(jù)以往經(jīng)驗和當(dāng)?shù)夭牧瞎?yīng)情況,確定注漿漿液為水泥粉煤灰漿,其水固比為1∶1.0～1∶1.4。水泥占固相的25%,粉煤灰占固相的75%。這種漿液配合比已經(jīng)考慮了受采空區(qū)充水影響的情況。在正式施工前,應(yīng)按施工時使用的水泥、粉煤灰,在試驗室作漿液配比試驗,試驗內(nèi)容應(yīng)包括每立方米漿液干料含量、漿液濃度、初終凝時間、結(jié)石率、試塊無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(試塊結(jié)石體最終強(qiáng)度應(yīng)>0.3MPa,建議實驗室7d強(qiáng)度≮0.6MPa、28d強(qiáng)度≮0.9MPa)等。帷幕孔須在漿液中摻加水泥重量2%～5%的速凝劑,使注入采空區(qū)的漿液盡快凝固,以形成帷幕,防止?jié){液流失。3.5水泥、水泥等工業(yè)充填材料本設(shè)計中所規(guī)定的注漿材料由水、水泥、粉煤灰、速凝劑組成。施工用水應(yīng)符合《混凝土拌和用水標(biāo)準(zhǔn)》。水泥為質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)的32.5#礦渣硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥,可選用工地附近水泥生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品,采用汽車運輸,運距30～40km。粉煤灰質(zhì)量除要求燒失量≯15%,SO3含量≯3%外,其他指標(biāo)不作要求?？蛇x用邯峰電廠的產(chǎn)品,采用汽車運輸,運距15～30km。速凝劑可選用水玻璃等。3.6主砂漿的系統(tǒng)配置(1)由砂漿注射系統(tǒng)組成注漿系統(tǒng)由:料場、一級攪拌池(機(jī))、二級攪拌池(機(jī))、供水系統(tǒng)、注漿泵、注漿管道、封孔裝置等組成。(2)系統(tǒng)配置要求材料場堆放材料的料場場地要平整,運料車輛能正常通行,且緊鄰攪拌機(jī),使材料便于運輸、搬運、要求設(shè)有防潮、防雨措施。攪拌要求能滿足正常施工要求,攪拌后的漿液應(yīng)均勻,符合設(shè)計要求,一次攪拌量應(yīng)≥5.0m3。攪拌池修建的攪拌池應(yīng)滿足正常施工要求,池為圓柱體,中間設(shè)置攪拌系統(tǒng),使得攪拌后的漿液均勻,符合要求,一次攪拌量應(yīng)≥5.0m3。泳池制漿站應(yīng)根據(jù)施工注漿總量需要,建立數(shù)個水池,以保證正常施工,水池建筑規(guī)模及要求視工地具體情況而定。2注漿泵宜采用變檔定量泵,其額定最大排漿量不小于200L/min,注漿泵壓力應(yīng)大于注漿最大設(shè)計壓力的1.5倍。薪酬注漿用壓力表最大指數(shù)應(yīng)小于10MPa。m焊管注漿法m采用50mm鋼管,在管子前端20～30cm處焊接一圓形法蘭托盤(托盤直徑120～130mm之間),下入孔內(nèi)變徑處?；虿捎?27mm焊管注漿,在套管上端距地表20～30cm處變徑為50mm,與注漿管相接(此方法適用于覆蓋層厚的區(qū)域或需封堵淺層水的區(qū)域),施工工藝為用Φ130mm鉆頭開孔,鉆至完整基巖5m后提鉆,然后灌入4～6m高度的水灰比為1∶1.5～1∶2的稠水泥漿,立刻下入127mm焊管,待水泥漿初凝后用Φ91mm鉆頭掃孔并鉆到目的層位。亦可使用其他合理的封孔裝置(如橡膠塞止?jié){法)。見澆鑄孔口管(套管)示意圖。2注漿管采用50mm鋼管,絲扣聯(lián)接。或直接采用127mm焊管注漿。3.7施工技術(shù)和要求本工程施工工藝流程見圖1。(1)調(diào)整周圍鉆孔注漿孔應(yīng)用經(jīng)緯儀、皮尺進(jìn)行實地測量放樣,鉆孔實際位置原則上不應(yīng)偏離設(shè)計位置1.0m。確因地形影響,鉆孔不能放在設(shè)計位置時,應(yīng)先施工其周圍可以就位的鉆孔,再根據(jù)鉆探揭露采空區(qū)的情況予以調(diào)整。鑒于小煤窯開采和塌陷變形的復(fù)雜性,通過有限的勘探鉆孔尚難以精確查明地下的全部情況,如出現(xiàn)與設(shè)計不符的情況,應(yīng)及時與設(shè)計單位聯(lián)系以便對原設(shè)計進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?2)聯(lián)合鉆基技術(shù)成孔工藝:①用Φ130mm鉆頭開孔,鉆至完整基巖5m后,下入Φ130mm套管護(hù)壁,然后變徑為Φ91mm,在第四系卵、礫石層的鉆探過程中采用跟管鉆進(jìn);②用Φ91mm鉆頭,鉆至采空區(qū)中的塌陷冒落帶底板或煤層底板以下0.5m終孔。技術(shù)要求:①設(shè)計要求全取芯的注漿孔,采空區(qū)上部覆巖部位巖芯采取率>60%,采空塌陷區(qū)部位巖芯采取率應(yīng)>30%;②做好鉆探原始記錄和巖芯編錄工作;③鉆孔施工過程中,如發(fā)現(xiàn)漏水、掉鉆、埋鉆等現(xiàn)象要詳細(xì)記錄其深度、層位和耗水量。(3)投入水灰比大的稠水泥漿注漿將一端帶有Φ120～130mm法蘭托盤的Φ50mm注漿管下入孔內(nèi)變徑處,孔內(nèi)投入20cm厚礫石,以堵塞大的縫隙,之后投入30cm厚粘土,防止?jié){液大量滲漏。然后灌入水灰比為1∶1.5～1∶2的稠水泥漿,澆鑄長度為4～6m,澆鑄要求達(dá)到注漿過程中漿液不會從注漿孔壁四周溢出。水泥漿液中應(yīng)加入水泥重量2%～5%的速凝劑,快速將注漿管與孔壁固結(jié)?；虿捎煤腹軡茶T工藝,注漿孔澆鑄孔口管見結(jié)構(gòu)示意圖2、圖3。(4)水泥、粉煤灰用量漿液配制應(yīng)按設(shè)計漿液配合比進(jìn)行,并隨機(jī)抽查漿液的各項指標(biāo)。原材料:水用水表或定量容器計量;水泥按袋或按定量容器(散裝水泥)計量;粉煤灰用定量容器計量,并要求用磅稱抽查水泥、粉煤灰的數(shù)量。制漿工藝如圖4所示。攪拌過程:每次攪拌時間不得少于5min。(5)間歇式注漿法注漿施工順序:按采空區(qū)的傾斜方向,先施工采空區(qū)底板標(biāo)高較低位置的注漿孔及構(gòu)造物工點處的注漿孔,再沿傾斜方向由低向高、由邊部向中心展開施工,鉆孔分二序次進(jìn)行。注漿采用漿液濃度先稀后稠的方法,注漿開始后,要定時觀測泵的吸漿量和泵壓,記錄注漿過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象,收集原始數(shù)據(jù),并根據(jù)實際情況及時調(diào)整注漿量和漿液濃度。注漿過程中若出現(xiàn)地表裂隙大量跑漿時,應(yīng)采用間歇式注漿,或減小泵量及采取地表充填裂隙的措施,阻止?jié){液從地面大量流失。注漿時,應(yīng)避免在短時間內(nèi)注入大量的水泥粉煤灰漿,當(dāng)注漿量較大時,應(yīng)采用間歇式注漿法施工,或在孔口加一漏斗狀的投砂器,用漿液將砂或礦渣帶入孔內(nèi),或在漿液中加入水泥重量2%的速凝劑。單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):①在注漿孔的注漿末期,泵壓逐漸升高,當(dāng)泵量小于70L/min時,孔口壓力在1.0～1.5MPa,穩(wěn)定10～15min,可結(jié)束該孔的注漿施工;②當(dāng)注入一定漿量,孔口壓力≮0.3MPa,若出現(xiàn)地表裂隙大量跑漿時,即可結(jié)束該孔的注漿施工。(6)主漿注射技術(shù)要求注漿及間歇注漿前必須用清水洗孔,壓水時間不得小于10min。稀漿灌注量取單孔注漿量的30%為宜。3.8測定了注射砂漿的質(zhì)量(1)主砂漿的質(zhì)量試驗方法依據(jù)以往高速公路采空區(qū)治理工程的經(jīng)驗,采用下列方法進(jìn)行注漿檢測。檢查孔數(shù)量及檢查深度注漿施工結(jié)束6個月后,進(jìn)行鉆孔檢驗。按注漿孔的2%設(shè)置檢查孔數(shù)量,檢查孔深度為原地面至采空區(qū)底板的深度。通過孔內(nèi)取芯直接觀察采空區(qū)的漿液充填情況,并結(jié)合鉆探過程中循環(huán)液的漏失情況及孔壁的穩(wěn)定性等評價注漿質(zhì)量。注漿質(zhì)量測定對治理后的采空區(qū)采用測定波速的方法檢驗注漿質(zhì)量。若波速大于160m/s,則注漿質(zhì)量符合要求,每個采空區(qū)波速測井?dāng)?shù)與檢查孔數(shù)相同。結(jié)合測量和地球物理數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評估在全面分析研究這些資料的基礎(chǔ)上,最終確定注漿質(zhì)量是否合格;是否需補(bǔ)充注漿。(2)由于注射質(zhì)量的測定位置和工作量，砂漿注入的質(zhì)量試驗注漿質(zhì)量檢測位置宜布置在可能存在問題的地段。檢查孔數(shù)量詳見各采空區(qū)設(shè)計說明。3.9實驗工程鑒于高等級公路路基下伏采空區(qū)治理工程在國內(nèi)尚無規(guī)范可依,因此,在采空區(qū)治理工程開始前,應(yīng)先做部分試驗以便結(jié)合現(xiàn)場實際情況。4鉆井處理項目4.1井下巷道漿砌和應(yīng)先注漿后至井底影響擬建高速公路的部分煤礦采空區(qū)與現(xiàn)在生產(chǎn)礦井緊密相連,為起到既治理好影響公路的采空區(qū),保證擬建高速公路的地基穩(wěn)定,又不影響生產(chǎn)礦井目前及日后的正常安全生產(chǎn),特作井下巷道漿砌和井下巷道砌碹的井下工程設(shè)計。巷道漿砌一是起充填作用,對其上覆尚未冒落的巖層起直接支撐作用,阻止上覆巖層進(jìn)一步冒落,更主要的是可起到擋水墻的作用,阻止周圍注漿區(qū)在施工過程水和漿液在井下亂流,淹沒生產(chǎn)礦井,造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失,因此,巷道漿砌工程應(yīng)先于注漿工程。巷道砌碹是在采空區(qū)治理范圍內(nèi),對為煤礦生產(chǎn)留下的永久性巷道進(jìn)行砌碹加固的一種治理方法。其作用是既可供煤礦生產(chǎn)繼續(xù)使用,又不會再坍塌而影響公路工程。4.2砌巷道長度計算巷道漿砌長度是指在采空區(qū)治理寬度范圍內(nèi),井下可以直接到達(dá)的所有廢棄巷道的累計長度。砌碹巷道長度是指在采空區(qū)治理寬度范圍內(nèi),主要回風(fēng)或運輸巷道的累計長度。L=∑i=1nliL=∑i=1nli式中:L為巷道漿砌長度或砌碹巷道長度,m;li為治理范圍內(nèi)各條廢棄巷道的長度或主要巷道的長度,m。4.3采空區(qū)治理范圍內(nèi)砌巷道長度漿砌片石體積為擬充填范圍內(nèi)井下巷道長度×橫斷面積砌碹巷道體積為采空區(qū)治理范圍內(nèi)需砌碹的主要巷道長度×砌碹橫斷面積,即V=L×S式中:V為漿砌片石體積或砌碹巷道體積,m3;S為漿砌巷道橫斷面積或砌碹巷道橫斷面積,m2;L為漿砌或砌碹巷道長度,m。4.4片石與巷道頂板及兩幫的巷道內(nèi)壓合巷道漿砌過程中,片石應(yīng)錯開碼砌,并應(yīng)砂漿飽滿,片石必須與巷道頂板及兩幫緊密接觸。建議煤礦在結(jié)束采煤活動后,必須把公路治理范圍內(nèi)的所有巷道全部用片石漿砌,方可關(guān)井。5施工期間采空區(qū)治理工程應(yīng)先于路基開工,注漿工程完成后才能進(jìn)行路基施工。6建造公路的保安煤柱(1)