多层采空区钻孔注浆方法

技术领域

本发明涉及土层或岩石的钻进技术领域，特别涉及一种多层采空区钻孔注浆方法。

背景技术

采空区在我国大量存在，采空区地基本身不稳定，在自重应力、地震及地下水等因素下容易发生失稳变形；当地表修建建(构)筑物后，在外加荷载作用下，有可能打破采空区原有平衡状态，重新“活化”采空区，加快采空区地基变形，从而造成建(构)筑物破坏。

采空区属于隐蔽、复杂、地表变形范围大、容易引发地质灾害的不良地质场地，当采空区埋深较大、采空层数较多时，采空区易垮塌形成冒落带，对地面建筑物和公路的危害性很大。因而，采空区工程建设难度大，处治费用高，公路工程通常以绕避为主。当线路无法绕避并以路基通过时，通常情况下采用注浆加固对采空区进行处理。

对采空区进行注浆加固，必须先形成注浆加固钻孔。通常，现有技术中对采空区的治理需要重复钻孔工序、多次孔口管浇筑数量，人工费和材料费用较多，施工成本较高。

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

本申请的目的在于提供一种多层采空区钻孔注浆方法，包括：

第一步，采用第一钻头开孔，形成第一钻头钻出孔，当第一钻头穿过松散土层进入岩层4-6m后下孔口管；

第二步，用第二钻头替换掉第一钻头，钻进至采空区底板或者设计孔底标高，替换钻头时采用扶正措施，保证第一钻头钻出孔与第二钻头同轴，第一钻头直径>第二钻头直径+37mm；

第三步，下注浆管，注浆管进入第一钻头钻出孔的孔底以下20 cm至30cm，外露地面长度0.5m至1m，在注浆管上安装法兰盘止浆装置，法兰盘止浆装置设置在第一钻头钻出孔的孔底处，法兰盘止浆装置与第一钻头钻出孔的孔壁之间用橡胶垫密封；

第四步，在注浆管上套设轴向长度为4-6m的环形气囊，安装完成后对气囊内充气，气压在0.02-0.03MPa，环形气囊用于实现注浆管与第一钻头钻出孔的孔壁之间的封堵；

第五步，对注浆孔进行注水试验；

第六步，对注浆孔进行单孔灌注判定；

第七步，对周边帷幕孔注浆，通过注浆管对注浆孔注浆，边注浆边提升注浆管，直至多层采空区及岩内空隙用浆液注满，注浆完成后拆除环形气囊及法兰盘止浆装置。

进一步的，所述第二步，每钻进50m进行一次测斜，如果每百米孔斜未超过1°，则继续钻进；如果每百米孔斜超过1°，则纠正第二钻头。

进一步的，所述第一步和所述第二步，第一钻头和第二钻头的钻进采用轻压慢转模式。

进一步的，所述第七步，注浆过程中随着岩体内裂隙大小随时调整浆液的浓度。

进一步的，多层采空区钻孔注浆方法还包括：

第八步，在第七步完成六个月后，选取注浆孔总数的3%作为检测孔，在检测孔中全孔取芯观察采空区的浆液充填情况是否达到要求；

第九步，在检测孔内进行速波测试，测量范围为裂隙带顶部至采空区底板以下至少1m，每隔1m设置一个监测点；

第十步，对每个检测孔采用水固质量比为1:0.8 的水泥粉煤灰浆进行注浆检测，固体由水泥和粉煤灰共同组成，注浆结束标准为同时满足：单位时间注入孔内的浆量小于50L/min、注浆持续时间15-20min、终孔压力2-3MPa。

进一步的，所述第七步，对于实际注浆量大于设置设计注浆量的注浆孔，采用水固质量比为1:1.3的水泥粉煤灰浆间歇注浆的方案，固体由水泥和粉煤灰共同组成，并在孔内投入砂子；

若因浇筑的孔口止浆不好或孔附近裂隙或裂缝发育，而引起注浆孔周围的冒浆现象，将注浆压力控制在0.5-1MPa，流量控制在30L/min以内并间歇灌注，若不奏效，重新安装环形气囊。

进一步的，所述第七步，当地下采空区空隙较小时，帷幕孔注浆使用水固质量比为1：1.1的水泥粉煤灰浆，其中水泥占固相的20wt%，粉煤灰占固相的80wt%，所述水泥粉煤灰浆中添加水泥重量2%的速凝剂。

进一步的，所述第七步，先灌水，后注1.47g/cm³的水泥粉煤灰浆，保证灌注管路全程无空气后，再注入正常浆液，在注浆过程中，注浆管内出现空气进入的情况时，利用孔口的排气阀处理。

进一步的，所述第七步，间隔孔位注浆，分区注浆，先深后浅，先下后上，先帷幕孔后桥墩孔最后剩余孔。

进一步的，所述第七步，根据地下温度状态调整水泥用量，根据采空区孔洞的大小、裂隙的发育情况调整速凝剂的参量。

有益效果：

1）本发明的方法实施后施工质量好，施工进度快，施工安全，可靠性高，满足设计要求，有效的达到加固地基、消除采空沉陷的目的确保了施工进度。

2）本发明方法的实施一次性成孔，注浆管直接插入多层采空区，自下而上连续注浆的方法，取消了重复钻孔工序、多次孔口管浇筑程序，节省了钻孔、二次注浆、孔口管浇筑机械费、人工费和材料费用，节约了施工成本。

3）与传统方法相比提高施工效率，缩短施工工期，提高多层采空区的注浆的填充效果，提高了施工质量，解决在钻孔完成以后浇筑孔口管后塌孔、杂物掉落堵塞注浆孔的问题。经过后期钻孔取芯和孔内电视验证，岩石空隙填充率能够达到96%，采空区填充率能够达到95%以上，采空区冒落带填充率能够达到95%以上，提高了采空区整体稳定性，降低了采空区覆盖层的沉降量。

4）环形气囊解决了以往多层采空区治理需要多次浇筑注浆管的问题。

5）本发明的方法明显降低了公路、铁路、房建等地基基础下俘采空、空洞等地理条件限制的建筑物施工安全质量风险，有效解决了施工进度、施工工艺、环境保护等难题。为今后地面及地下建筑物的修建提供了更多的空间，保证了公路地下采空区处置的施工安全，有利于保护环境。

7）能够在严寒地区多层采空区一次性连续注浆，为以后大面积应用提供了理论依据、奠定了坚实的基础。

具体实施方式

下面将通过实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

本申请实施例提供一种多层采空区钻孔注浆方法，包括：

第一步，采用第一钻头开孔，本实施例中第一钻头选用直径为127mm的钻头，第一钻头穿过松散土层进入岩层4-6m后停止钻进，第一钻头成孔的直径不小于130mm，第一钻头取出后下入130mm的孔口管。

第二步，用第二钻头替换掉第一钻头，替换钻头时采用扶正措施，保证第一钻头钻出孔与第二钻头同轴。第二钻头的直径为89mm，成孔直径不小于91mm。其他实施例中，第一钻头和第二钻头的直径可以根据实际需要进行调整，要求第一钻头直径>第二钻头直径+37mm；钻进至采空区底板或者设计孔底标高，即成孔深度不小于设计孔深，允许误差为±500mm。每钻进50m进行一次测斜，如果每百米孔斜未超过1°，则继续钻进；如果每百米孔斜超过1°，则纠正第二钻头，成孔整体倾斜度要求小于2%。

第一步和所述第二步，在钻进前由技术人员检查核对桩位，调整钻杆保证顺直，钻机立轴和孔位轴心线必须一致，并保证钻机钻头中心自然下垂对准桩位，用水平尺或地质罗盘校正，保证垂直度，要求对位偏差≤5cm。钻进过程中钻机要保持稳定，使其在成孔过程中不发生移动或倾斜。

钻机分为回转钻机、冲击钻机，根据采空区覆盖层地质、地形情况进行合理的选择钻机：回转钻机占地面积小，移动方便灵活，山地、高边坡地段、施工场地狭小区域选择回转钻机，但是对水源需求较大。水源短缺区域可使用冲击钻机，冲击钻机速度快，对场地要求低，但是需要空压机配合，对道路及场地要求较高，在缓坡及平地应使用冲击钻机。实施例中采用F400型冲击钻机成孔。

第一钻头和第二钻头的钻进采用轻压慢转模式，钻进过程中做好施工记录：地质突变位置（煤层、采空、冒落带、裂隙带）要记录明确。

第三步，下注浆管，注浆管进入第一钻头钻出孔的孔底以下20cm至30cm，外露地面长度0.5m至1m，在注浆管上安装法兰盘止浆装置，法兰盘止浆装置设置在第一钻头钻出孔的孔底处，法兰盘止浆装置与第一钻头钻出孔的孔壁之间用橡胶垫密封；

第四步，在注浆管上套设轴向长度为4-6m的环形气囊，安装完成后对气囊内充气，气压在0.02-0.03MPa，环形气囊能够实现注浆管与第一钻头钻出孔的孔壁之间的封堵；

第五步，对注浆孔进行注水试验；

第六步，对注浆孔进行单孔灌注判定；

第七步，对周边帷幕孔注浆，依据帷幕孔成孔过程中的岩芯破碎程度、孔内循环液的漏失量及钻进过程的掉钻、卡钻等现象，判断孔内采空区空洞、孔隙的大小，以选择灌浆液（即水泥粉煤灰浆）的浓度，并对帷幕孔进行单孔灌浆设计（包括材料、配合比、灌浆工艺、注浆量等）：当地下采空区空隙较小时，用水固质量比为1：1.1的水泥粉煤灰浆，其中水泥占固相的20 wt %，粉煤灰占固相的80 wt %，水泥粉煤灰浆中增添水泥重量2%的速凝剂。当地下采空区空隙较大时，用水泥粉煤灰砂浆实施灌注，其砂浆流度控制在23-25cm，砂浆强度等级大于2MPa。在帷幕孔注浆时，采用低压稠浆小泵量多间歇的方法灌注，以工艺控制注浆量，防止浆液过量流失到非注浆部位或地段，达到最佳的灌浆效果。

通过注浆管对注浆孔注浆，注浆孔灌浆前，注浆前检测孔深，浆液的比重、流动性、配合比等，依据注浆孔成孔过程中提供的工程地质信息（岩芯破碎程度、循环液漏失量或漏风矢量、掉钻等现象）判定采空区、塌陷区、冒落带、裂隙带、煤层的高度及状态，进行单孔灌浆设计（包括浆液配合比、注浆量等），确定分序次的灌注孔位和灌注路径。根据地下温度状态调整水泥用量，根据采空区孔洞的大小、裂隙的发育情况调整速凝剂的参量，估计地下浆液凝固时间，保证结石率和结石强度满足设计要求，为进行质量控制打好基础。

对于实际注浆量大于设计注浆量的注浆孔，采用水固质量比为1:1.3的水泥粉煤灰浆间歇注浆的方案，固体由水泥和粉煤灰共同组成，并在孔内投入砂子。采用水泥粉煤灰浆液一次灌浆结束的施工方案：先灌水清孔，清孔时液体体积为孔径体积的3倍，本步骤既是注水试验，又能够洗孔。后注稀浆（1.47g/cm³的水泥粉煤灰浆），保证灌注管路全程无空气后，再注入正常浆液，在注浆过程中，注浆管内出现空气进入的情况时，利用孔口的排气阀处理。注浆过程中根据岩内孔隙大小、采空空间、冒落情况外参速凝剂或采用灌砂工艺，随时调整浆液的浓度。注浆时边注浆边提升注浆管，直至多层采空区及岩内空隙用浆液注满，注浆完成后拆除环形气囊及法兰盘止浆装置。由于底层裂隙及空隙的存在，在注浆的过程中会发成串孔现象，即从A孔注浆从B孔冒浆，串孔现象会造成采空注浆填充率下降，所以施工过程中要间隔孔位注浆，分区注浆，先深后浅，先下后上，先帷幕孔后桥墩孔最后剩余孔，即采空区注浆先进行孔洞下部帷幕孔，再从孔洞低处向孔洞高处依次注浆，施工时垂直隔位钻孔注浆，注浆完成后再补齐中间剩余孔位。这种方式能够减少帷幕扩散量及注浆孔的注浆量，在保证质量的同时节约增效。

若发生因环形气囊止浆不好或注浆孔附近裂隙（缝）发育而引起的注浆孔周围的冒浆现象，采用低压小流量间歇灌注模式（压力控制在0.5-1MPa，流量范围控制在30L/min），若不奏效，重新安装环形气囊。当孔内裂隙发育良好时或者有采空区域时，调整注浆浓度并间歇注浆，注浆采用BW-250/50和BW-450/50注浆泵注浆。

为了有效地控制浆液凝固时间，速凝剂和其它添加剂先加在一级搅拌池的粉煤灰浆搅拌池中，以克服加入混合池中后，产生浆液提前凝固的失控现象。考虑到帷幕孔与桥墩孔灌浆浆液的配合比不一样，注浆站修建二级搅拌池两个，保证不同配比浆液的同时造浆，加快施工进度。

第八步，在第七步完成六个月后，选取注浆孔总数的3% 作为检测孔，在检测孔中全孔取芯观察采空区的浆液充填情况是否达到要求；

第九步，在检测孔内进行速波测试，测量范围为裂隙带顶部至采空区底板以下1m，每隔一米设置一个监测点，对注浆前后的检测孔内的各种信息进行综合对比分析，能够检测浆液对采空区和裂隙带的充填率及注浆浆液的结石率。通过全孔取芯直接观察采空区的浆液充填情况，通过实验确定注浆结石体的无侧限抗压强度，并结合钻探过程中循环液的漏失情况、静水位观测结果及孔壁的稳定性等情况，综合评价注浆质量。

第十步，对每个检测孔采用水固质量比为1:0.8的水泥粉煤灰浆进行注浆检测，固体由水泥和粉煤灰共同组成，注浆结束标准为同时满足：单位时间注入孔内的浆量小于50L/min、注浆持续时间15-20min、终孔压力2-3MPa。

其中第八步、第九步和第十步属于质量检查，检测位置由监理工程现场根据灌浆施工实际具体确定。施工完成后，利用原有的变形观测点进行变形观测，根据观测结果计算出倾斜值、水平变形值和曲率值，以此判断注浆质量，具体要求：单孔内注浆小于设计平均量的5%，无侧限抗压强度，横波波数、倾斜值、水平变形值检测满足要求，建造物或构造物下方的采空区治理后在公路运营期间有效承受上方荷载，不产生超过公路工程允许的变形，保证公路安全营运。

本发明的注浆方法还适用于埋层较深的多层煤矿采空区、井下巷道及地下洞室的回填加固施工。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。