采空區(qū)處治成套注漿系統(tǒng)工藝改進(jìn)及效益分析

武 恒 張晶亮 劉云江

(山西建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，山西太原 030000)

0 引言

隨著環(huán)境形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，新時(shí)期的工程建設(shè)不僅要滿足社會(huì)要求，更要注重環(huán)境保護(hù)，節(jié)能減排。注漿充填技術(shù)作為國(guó)內(nèi)外治理采空區(qū)最為常用的處治手段［1］，一般選用水泥、粉煤灰作為充填材料［2］，通過(guò)漿液的凝固形成支撐體保證上覆巖層的穩(wěn)定［3］。注漿工藝及注漿站的建設(shè)是整個(gè)注漿過(guò)程的核心。成套注漿系統(tǒng)是指運(yùn)用全充填壓力注漿法注漿時(shí)，從漿站選址、水源選取、材料存儲(chǔ)、漿池水池建設(shè)、注漿等整套施工系統(tǒng)。傳統(tǒng)成套注漿系統(tǒng)由于成本、環(huán)保等問(wèn)題，已不能滿足現(xiàn)代施工要求。

本文分析了進(jìn)行工藝優(yōu)化和改進(jìn)后的新型成套注漿系統(tǒng)，從漿站的選址到注漿設(shè)備的更新，充分應(yīng)用數(shù)字化系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)注漿系統(tǒng)存在的諸多問(wèn)題。

1 工程概況

國(guó)道G342晉城市過(guò)境段改線工程采空區(qū)治理段總長(zhǎng)12.1 km，東起 K6+800，西至 LK6+840，K10+824 ～K11+600 段采空區(qū)處治地段地處山西省東南部，晉城市西北部，受區(qū)域構(gòu)造控制，區(qū)內(nèi)地貌按成因可分為構(gòu)造剝蝕地貌、山麓斜坡堆積地貌、河流侵蝕堆積地貌三大類型，河流侵蝕堆積地貌地形寬闊平緩，微地形以河床、河漫灘、Ⅰ，Ⅱ級(jí)階地為主，地貌形態(tài)簡(jiǎn)單。地下大面積的采空區(qū)已存在塌陷和裂隙。K10+824～K11+600段采用全充填壓力注漿法［4，5］，設(shè)計(jì)鉆孔總數(shù) 855 個(gè)，其中帷幕孔130個(gè)，注漿孔707個(gè)，檢查孔18個(gè)，鉆孔總延米數(shù)為161 694 m，注漿量為247 551 m3。橋梁段帷幕孔孔距為10 m，路基段帷幕孔孔距為15 m。注漿孔孔距為15 m～20 m。

2 成套注漿系統(tǒng)工藝改進(jìn)

以往成套注漿系統(tǒng)在確定漿站位置后，采用磚、石等材料進(jìn)行漿池、水池砌筑，水源選取一般選用自來(lái)水、井水進(jìn)行鉆孔、注漿施工。水泥、粉煤灰露天或建設(shè)廠棚進(jìn)行大面積存儲(chǔ)，通過(guò)鏟車和人工配合進(jìn)行上料和計(jì)量。這種系統(tǒng)在機(jī)械、人工使用方面成本投入巨大，建設(shè)廠站等設(shè)施所需材料達(dá)不到循環(huán)使用，工期較長(zhǎng)，質(zhì)量難以把控，很難滿足國(guó)家提倡的綠色、生態(tài)、節(jié)能、環(huán)保等要求?；诖藢?duì)傳統(tǒng)成套注漿系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并運(yùn)用于K10+824～K11+600采空區(qū)處治段，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.1 漿站選址和水源選取

漿站選取位置時(shí)考慮選取在注漿范圍的中部位置，且盡可能選擇在地勢(shì)平坦的高處，既節(jié)約輸送管道的平均長(zhǎng)度，又可充分利用地勢(shì)優(yōu)勢(shì)通過(guò)漿液的重力流作用輸送到注漿區(qū)域，大量減少用泵用電量的同時(shí)防止管道堵塞，減少?zèng)_洗疏通管道次數(shù)。

水源應(yīng)盡量尋找周邊的地表水，如河流、湖泊或水庫(kù)等，確保水源充足。另外，也可充分利用附近廠礦企業(yè)排放的工業(yè)廢水，要求其所排出廢水的pH＞4，且不具有污染土壤的性質(zhì)，即可作為采空區(qū)處治的工程用水水源。

2.2 漿池水池制作

漿池選用5 mm厚鋼板統(tǒng)一焊接成圓柱筒體(也可考慮采用塑料、鋁制作)，周邊環(huán)形鋼筋加固，直徑約為2.5 m，池高2.5 m，最大儲(chǔ)量約為12 m3。漿池上口封閉防護(hù)采用鋼筋篦子，篦子四周焊接掛鉤，預(yù)制鋼池的邊緣可焊接小圓管，掛鉤直接掛到小圓管內(nèi)，有效保證鋼筋篦子穩(wěn)固。鋼池預(yù)先做成直徑大小不一的“套娃式”，根據(jù)鋼板厚度相鄰大小直徑相差20 mm為最佳，運(yùn)輸和存放時(shí)可由內(nèi)而外連環(huán)相套，節(jié)約空間。

水池采用5 mm鋼板焊接成矩形，漿站設(shè)一大一小兩個(gè)鋼水池，大水池放置在地勢(shì)較高處，為鉆孔和小水池提供水源，矩形水池周邊堆土防護(hù)和加固，內(nèi)部采用［10槽鋼、L50×5角鋼和DN50鋼管拉結(jié)支撐加固，并涂刷防銹漆。小水池放在攪拌漿站旁邊，為拌制漿液提供水源。水池容積應(yīng)滿足日需水量要求，大水池通過(guò)DN150鋼管連接水源地和小水池，小水池與攪漿池通過(guò)時(shí)間流量控制系統(tǒng)管道控制拌合用水量，見圖1。

圖1 預(yù)制漿池、水池

2.3 成套數(shù)字化設(shè)備

上料時(shí)將人工、鏟車上料方式改進(jìn)為數(shù)控臺(tái)操作自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)上料，在數(shù)控臺(tái)鍵入每盤配合料投放量，水泥和粉煤灰由罐內(nèi)通過(guò)螺旋輸料管道到達(dá)稱重料斗，當(dāng)重量達(dá)到預(yù)設(shè)重量時(shí)，螺旋輸送自動(dòng)停止，料斗內(nèi)材料在電子傳感器的自動(dòng)控制下打開下料閥門投入一級(jí)漿池并進(jìn)行攪拌，數(shù)控臺(tái)統(tǒng)一操作加水，由時(shí)間流量控制系統(tǒng)控制每盤用水量。一級(jí)攪拌完成后打開底閘通過(guò)高差流入二級(jí)漿池，添加速凝劑后(如需要時(shí))經(jīng)過(guò)安裝有校核壓力表的注漿泵從注漿管道經(jīng)電子流量計(jì)輸出漿液，進(jìn)入地層之前在地表處注漿管道上安裝檢測(cè)壓力表進(jìn)行注漿壓力的測(cè)試，進(jìn)料、出漿均由電子計(jì)量設(shè)備把控，實(shí)現(xiàn)材料用量的準(zhǔn)確，注漿漿液稠度均勻。整個(gè)注漿過(guò)程在遠(yuǎn)程監(jiān)控下完成，保質(zhì)保量，安全可靠，見圖2。

圖2 自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)

3 效益分析

3.1 進(jìn)度效益

在進(jìn)度方面，漿站安裝監(jiān)控系統(tǒng)，可顯示實(shí)時(shí)畫面，從網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程即可查看操作控制，實(shí)時(shí)掌握工程進(jìn)度情況;預(yù)制漿池采用鋼板焊接，如果遇到征地拆遷影響進(jìn)度時(shí)，可提前預(yù)制，進(jìn)度上要優(yōu)先于磚砌、石砌攪拌池;粉煤灰采取立罐方式存儲(chǔ)，罐可租賃或由水泥廠提供，進(jìn)場(chǎng)直接吊裝，比搭設(shè)廠棚快捷，大量節(jié)省時(shí)間;供料方面采用自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)，無(wú)需人工、機(jī)械操作，實(shí)現(xiàn)供料自動(dòng)化，大大減少供料所需時(shí)間，推動(dòng)工程進(jìn)度。

3.2 質(zhì)量效益

在質(zhì)量方面，預(yù)制漿池采用鋼板制作，相比傳統(tǒng)石砌、磚砌漿池，有效避免水分滲漏流失，保證漿液的配合比穩(wěn)定;自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)在投放水、水泥、粉煤灰等原材料方面確保準(zhǔn)確無(wú)誤，保證了材料的用量;在漿池的出漿口安裝電磁流量計(jì)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)掌握注漿量，配合壓力表同時(shí)控制注漿量和注漿壓力，保證填充率。

3.3 安全效益

在安全方面，預(yù)制漿池可有效避免漿液滲入水泥罐地基，保證地基穩(wěn)定;漿池頂部安裝鋼筋簏子，篦子四周焊接掛鉤，鋼池邊緣焊接小圓管，掛鉤直接掛到小圓管內(nèi)，在穩(wěn)定性、安全性方面要好于磚砌、石砌漿池;漿池在制作時(shí)做成大小不一的“套娃式”，由內(nèi)而外連環(huán)相套，運(yùn)輸更加穩(wěn)定、簡(jiǎn)便安全;數(shù)控系統(tǒng)上料避免了機(jī)械上料可能對(duì)人工造成的傷害，整個(gè)漿站處于監(jiān)控系統(tǒng)下，發(fā)現(xiàn)安全隱患可及時(shí)排除。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益

在經(jīng)濟(jì)方面，鋼制漿池、水池在工程結(jié)束后可實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用;自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人工智能化操作，只需控制數(shù)控臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)配料、注漿工作，降低了人工、機(jī)械使用費(fèi);鋼制水池安置在地面以上進(jìn)行對(duì)接支撐加固，無(wú)需制作護(hù)欄，且安置在地面高點(diǎn)，在鉆孔和注漿過(guò)程中大量水和漿液可通過(guò)自重流送達(dá)，減少了水泵負(fù)荷，降低了用電成本;粉煤灰采用罐裝，相比較建設(shè)廠棚，費(fèi)用大大降低。

3.5 節(jié)能、環(huán)保、綠色施工效益

在節(jié)能環(huán)保綠色施工方面，水源選取(有條件時(shí)可采用):一般煤礦采空區(qū)周邊會(huì)有洗煤廠，可就近選取洗煤廠排出的洗煤用水，其pH＞4，符合注漿用水要求;其次，選取附近地表水(如河流)，保證用水量需求的同時(shí)，減少地下水資源消耗和污染;預(yù)制鋼漿池、水池可重復(fù)周轉(zhuǎn)使用，節(jié)約材料;石砌、磚砌漿池僅能實(shí)現(xiàn)一次性使用且對(duì)環(huán)境、土地有一定污染;水泥、粉煤灰罐裝運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)立罐儲(chǔ)存、螺旋管道輸送、封閉式制漿站等在環(huán)保方面實(shí)現(xiàn)了防塵防污染控制，廠站現(xiàn)場(chǎng)可不必安裝噴淋系統(tǒng)、霧炮系統(tǒng);粉煤灰采用罐裝相比較建設(shè)廠棚造價(jià)降低，且所需占地小，無(wú)需場(chǎng)地硬化，減少圬工作業(yè)污染土地和建廠棚鋼材消耗;供水管線采用DN150鋼管供水系統(tǒng)，確保用水量供應(yīng)，且密封承壓性能好，可周轉(zhuǎn)使用。

3.6 智能化運(yùn)用

改進(jìn)成套注漿系統(tǒng)配置了電磁流量計(jì)、壓力表、自動(dòng)供料系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，在保證安全、提升質(zhì)量、加快進(jìn)度和降低成本方面效果顯著，且處處能體現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保和綠色施工。

4 實(shí)例分析

國(guó)道G342晉城市過(guò)境段改線工程K10+824～K11+600段采空區(qū)處治范圍，運(yùn)用改進(jìn)的成套注漿系統(tǒng)，在成本上實(shí)現(xiàn)了極大的節(jié)約，并滿足了質(zhì)量、進(jìn)度、安全、節(jié)能、環(huán)保、綠色施工等效益，見表1。

表1 成套注漿系統(tǒng)改進(jìn)前后施工成本比較

5 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)的成套注漿系統(tǒng)，投入較少的工、料、機(jī)，解決了傳統(tǒng)成套注漿系統(tǒng)存在的諸多問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、機(jī)械化、工廠化、集約化、智能化，達(dá)到了加快工期、確保安全、保證質(zhì)量、降低成本、節(jié)能減排和綠色施工等目標(biāo)，不僅為采空區(qū)處治工程提供了新的成套注漿系統(tǒng)，更運(yùn)用到實(shí)際工程。事實(shí)證明改進(jìn)的成套注漿系統(tǒng)可以進(jìn)行推廣使用，可能成為日后采空區(qū)注漿充填治理的新方式。