乌鲁木齐绕城高速公路 (东线) 工程是国家高速公路网重要组成部分, 该项目全线采用双向六车道高速2公路标准, 设计速度100km/h, 路基宽度33.5 m。项目沿线存在多处煤矿采空区, 且所经煤矿采空区基本为急倾斜煤层采空区, 采空区范围广。拟建线路从煤矿预留安全煤柱上或采空区上通过, 大部分处于移动区和变形区, 由于高速公路通常服务年限长, 线路长, 对线路坡降和曲率有严格要求, 因此对该高速公路下伏采空区采用注浆充填方法进行治理, 考虑到该采空区为急倾斜煤层采空区, 对钻探和注浆工艺需要进一步的深入研究, 以确保注浆质量, 满足道路工程要求^[1,2,3,4,5]。

K21+220—K21+880段位于七道湾背斜南翼, 岩层南倾, 倾角为40°~50°。基岩为侏罗系中统西山窑组 (J₂x) , 煤层总共为29层, 编号为17~46, 属于急倾斜近距离煤层群, 煤层总体厚度为60.42 m。覆盖层岩性以粉土、碎石土为主, 厚度为5~30 m。该路段属于众兴二矿开采区, 1986—2010年生产, 设计生产能力3万t/年, 经改扩建为9万t/年, 目前停采。采煤方式为仓储式。采煤活动开始到目前, 地表形成沿煤层走向方向分布较大的沉陷盆地, 沉陷盆地沿煤层倾向方向宽度200~500m, 垂直沉降在1.0~3.0m。该采空区具有煤层厚度大、埋藏深的特点, 最大采深为150~192m。由于该采空区处于不稳定状态, 为保证拟建公路的安全, 采用注浆充填方法进行处理。采空区注浆工程中的注浆孔孔距、排距为10.0m, 采用梅花形布置;注浆孔分为充填、固结注浆孔和帷幕注浆孔。帷幕注浆孔的孔距为5m, 封堵浆液, 阻止加固区浆液进入外侧区域 (采空区或非加固区) 。最大的注浆加固深度为192m, 最小深度为50m。加固治理宽度为沿拟建线路中轴右侧延伸60m。据统计, K21+220—K21+880段采空区地基注浆施工一共有钻孔1 039个, 注浆总量119 262.0m³, 各孔平均注浆量为114.8m³。

本次注浆区域主要包括2个部分, 一是采空区残留空洞注浆, 二是采空区上方岩土体裂隙注浆。为了保证该注浆工程顺利实施, 对注浆工程钻探与注浆工艺进行了现场试验与研究。

根据该地区地层特点, 选取冲击回转式和回转式钻进方式, 两者各有利弊。选取地质条件类似的Z65-8孔和Z66-5孔进行现场试验比较, 钻孔孔深为50 m, 从上述两种钻进方式的工作效率、能耗、地层适应性及注浆适用性几个方面进行比较。回转式钻进采用XY-4型地质钻机, 冲击回转式钻进采用150 B潜孔锤。具体内容如表1所示。

通过试验, 对该采空区地质条件及注浆的实际状况, 采用回转式钻机是保证注浆质量的推荐钻孔设备。

根据本项目特点, 结合工程实际, 选取4个钻孔进行对比试验, 钻孔孔径具体方案: (1) Z6-12钻孔开孔孔径、变孔孔径分别为φ150, φ110; (2) Z14-2钻孔开孔孔径、变孔孔径分别为φ150, φ91; (3) Z6-2钻孔开孔孔径、变孔孔径分别为φ130, φ110; (4) Z7-11钻孔开孔孔径、变孔孔径分别为φ130, φ91。

根据该地区地层岩性, 钻孔钻进过程中需在进入基岩4~6m后变径。通过现场试验, 对不同孔径下成孔的质量、成孔时间及成孔成本进行对比分析, 得出以下结论。

1) 在第四系土层中, φ150和φ130钻进速度均为快, 成孔质量均好, 经济指标φ150相对较高, 两者差别不大。

2) 在第四系卵石层中, φ150的钻进速度慢, φ130钻进速度快;φ150成孔质量较好, φ130成孔质量好;经济指标φ150较高, φ130高;推荐采用φ130进行钻进。

3) 在基岩层中, 下覆基岩主要以炭质页岩、泥岩、砂岩、粉砂岩为主, 岩层倾角很大, 并且受到该区域构造的影响, 岩层的上部较为破碎, 在钻进过程中, 可能出现掉块、卡钻、漏水等事故。钻进速度φ110, φ91都较快;成孔质量φ110较好, φ91好;经济指φ110, φ91均较高, 推荐使用φ91进行钻进。

通过现场试验, 对比分析钻孔钻进速度、成孔质量、经济指标等指标, 推荐采用开孔孔径为φ130、终孔孔径为φ91作为采空区急倾斜煤层钻探施工的成孔工艺。

在注浆工程中, 注浆的施工顺序分为2种。 (1) 在注浆钻孔施工过程中, 未发生掉钻、未见空洞, 注浆孔设计深度可以一次性钻进, 注浆方式采用上行式 (孔口封闭纯压式及自下而上分段纯压式注浆, 2种注浆方式相结合) ; (2) 在注浆钻孔施工过程中, 发生掉钻、可见空洞, 注浆孔设计深度很难钻进并到达 (主要分布于煤柱外侧的1~3排帷幕孔和注浆孔) , 注浆方式采取上行式 (孔口封闭纯压式注浆自上而下分段纯压式注浆, 2种注浆方式相结合) 。

本次试验按注浆方式分为:自上而下式、自下而上式以及全孔一次注浆3种;按止浆方式分为:胶囊式止浆塞、套管孔口封孔以及孔口法兰盘止浆封闭等3种, 通过对Z26-4, Z27-4等9个钻孔进行现场试验, 具体试验内容如表2所示。

胶囊式止浆塞试验:止浆塞 (自上而下注浆法) 放置于已灌段底部, 止浆很紧密, 不易发生绕塞返浆, 有效保证注浆过程中质量。但钻孔、注浆的施工顺序不连续, 孔内止浆塞和管路复杂, 注浆施工时间延长, 施工效率比较低。止浆塞 (自下而上注浆法) 的钻孔、注浆施工顺序连续, 施工效率比较高。但岩层裂隙发育时, 孔内注浆时受裂隙影响容易发生绕塞返浆, 影响注浆质量, 同时, 也使注浆施工时间增长, 工效较低。

孔口法兰盘止浆封闭、全孔一次注浆法试验:孔口封闭、全孔一次注浆法的钻孔、注浆作业连续, 施工简单, 工效高。该方法适用于单层采空区或空洞充填注浆, 不适用于防渗注浆。

套管孔口封孔自上而下式分段注浆试验:套管孔口封孔自上而下式分段钻孔、注浆作业不连续, 施工较为繁琐, 工效相对较低, 但注浆工程质量好。该方法适用于多层采空区或空洞以及岩层破碎严重区域。

采空区注浆工程是以充填作用为主, 通过现场试验分析, 建议:对于单层采空区应采用法兰盘孔口封闭, 全孔一次注浆法;对多层采空区并且各层采空区相互距离较大时, 应采用套管孔口封孔自上而下式分段注浆法。

在钻进 (帷幕孔和注浆孔) 过程中, 发生掉钻现象且掉钻高度 (空洞) 比较大时, 采用2种解决方案: (1) 采用预填骨料注浆, 填料主要包括天然砂、风积砂和砾, 建议粒径约为0.5~2cm, 可通过现场试验结果及现场施工情况分析, 进行骨料粒径的改良; (2) 采用水泥粉煤灰浆进行注浆, 可通过现场试验结果及现场施工的实际情况选择注浆压力、注浆速率、单位时间注浆量、注浆的间歇时间, 达到注浆要求后, 结束该段注浆。

在施工现场, 对注浆过程中孔内投砂方法进行了试验:

1) 钻孔与注浆封孔结构类型的选择 (1) 套管封孔 (φ130孔径) 变径φ91类型; (2) 套管封孔 (φ130孔径) 至终孔未变径类型; (3) 法兰盘封孔 (φ50注浆孔径) 变径φ91类型。投放的粗骨料为粒径<0.5 mm的碎石。

2) 套管封孔 (φ130孔径) 变径φ91类型试验

在W21-1孔套管孔口封孔自上而下式分段注浆试验施工过程中, 对W21-1孔内2层采空区进行了投砂试验, 施工工序:钻机到位→开孔φ130至稳定基岩处15.1m→提钻→下入φ130套管至稳定基岩处 (采用水泥固定与封堵套管与基岩壁缝隙) →变径φ91→钻至采空区部位→孔内投砂和注浆→重复上述过程→注浆结束。该孔有2层采空区, 第1次掉钻位置为47.0~52.5m, 第2次掉钻位置为59.0~64.0 m, 掉钻高度分别为5.5, 5.0 m, 分别投砂11.8, 8.5m³。

通过现场试验表明:套管孔口封孔自上而下式分段变径钻孔内投砂, 由于钻孔开孔直径大, 孔口施工简单, 砂子在孔内变径处易堵孔, 工效相对较低。

3) 套管封孔 (φ130孔径) 至终孔未变径类型试验

W17-1孔施工过程:钻机到位→开孔φ130至稳定基岩处19.6m→提钻→下入φ130套管至稳定基岩处 (采用水泥固定与封堵套管与基岩壁缝隙) →φ130→钻至54.0~58.0m掉钻→孔内投砂 (6.2m³) 和注浆→第1次套管孔口封孔→注浆51.2 m³→取下套管孔口封孔设备→钻至192m→第2次套管孔口封孔→注浆29.3 m³→注浆结束。该孔有1层采空区, 掉钻位置为54.0~58.0m, 掉钻高度为4.0m, 投砂量为6.2m³。

通过现场试验表明:套管孔口封孔自上而下式分段未变径钻孔内投砂, 由于钻孔开孔直径大, 未变径, 孔口施工简单, 砂子在孔内不易堵孔, 投砂工效相对较高, 但降低了钻探工程的速度与工效。

4) 兰盘封孔 (φ50注浆孔径) 变径φ91类型试验

对E1-4和F2-3孔进行了现场试验, 孔深为50 m。 (1) E1-4孔施工过程:钻机到位→开孔φ130至稳定基岩处4.3m→变径φ91→钻至50m, 终孔, 在48.1~49.1 m处掉钻, 提钻→在4.3 m处下入简易法兰盘止浆装置, 投砂和注浆→投砂结束注浆→注浆结束。该孔有1层采空区, 掉钻位置为48.1~49.1 m, 掉钻高度为1.0 m, 投砂量为1.2 m³, 注浆量79.0 m³。 (2) F2-3孔施工过程:钻机到位→开孔φ130至稳定基岩处4.3 m→变径φ91→钻至50 m, 终孔, 在43.5~49.3m处掉钻, 提钻→在4.3m处下入简易法兰盘止浆装置, 投砂和注浆→投砂结束注浆→注浆结束。该孔有1层采空区, 掉钻位置为43.5~49.3 m, 掉钻高度为5.8 m, 投砂量为9.5 m³, 注浆量108.0m³。

通过现场试验表明:兰盘封孔 (50注浆孔径) 变径φ91钻孔内投砂, 由于钻孔内注浆管的直径 (φ50) 小, 孔口施工速度慢, 砂子在孔内不易堵孔, 投砂工效相对较低, 但钻探工程的速度与工效相对较高。

孔内投砂量除与钻孔与注浆封孔结构类型有关外, 主要与空洞的大小与形态以及投砂的粒径有关, 在急倾斜煤矿采空区内因顶板塌落等原因, 造成空洞的形态与空洞地面不平整, 致使投砂的扩散半径受到了很大的影响, 根据现场投砂量的估算, 投入孔内的砂体不是呈现出规则或近规则的圆锥形, 而是与孔内附近空洞近似的形态, 且砂体流动范围推算在1~2m。从试验过程和效果来看, 总体投砂量不大, 比较上述3种类型的工效, 建议对于单层采空区 (空洞) 仍采用法兰盘封孔 (φ50注浆孔径) 变径φ91类型;对于多层采空区 (空洞) 且距离较大时采用套管封孔 (φ130孔径) 至终孔未变径类型。从上述孔内投砂资料分析, 投砂量与钻孔掉钻高度有一定的规律性, 通过试验, 在单孔施工与设计时, 投砂量可考虑取值在1.5~2.0倍的掉钻高度。

1) 针对乌鲁木齐绕城高速公路 (东线) 急斜采空区注浆治理工程, 选取冲击回转式和回转式钻进方式进行比较试验研究, 通过试验, 鉴于采空区注浆工程的性质, 采用回转式钻机是保证注浆质量的推荐钻孔设备。

2) 选取4个钻孔进行对比试验, 分析钻孔钻进速度、成孔质量、经济指标等指标, 推荐采用开孔孔径为φ130、终孔孔径为φ91作为采空区急倾斜煤层钻探施工的成孔工艺。

3) 采空区注浆工程是以充填作用为主, 通过对自上而下注浆法、自下而上注浆法、全孔一次注浆法以及套管孔口封孔自上而下式分段注浆法的现场试验分析, 建议:对于单层采空区应采用法兰盘孔口封闭, 全孔一次注浆法;对多层采空区, 并且两者距离较大时应采用套管孔口封孔自上而下式分段注浆法。

4) 钻孔内投砂试验结果表明:对于单层采空区 (空洞) 仍采用法兰盘封孔 (φ50注浆孔径) 变径φ91类型;对于多层采空区 (空洞) 且距离较大时采用套管封孔 (φ130孔径) 至终孔未变径类型。从上述孔内投砂资料分析, 投砂量与钻孔掉钻高度有一定的规律性, 在单孔施工与设计时, 投砂量可考虑取值在1.5~2.0倍的掉钻高度。