公路橋下放頂煤開采注漿減沉技術

馮樹國,王 睿,王柏林

(1.開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司,河北唐山 063108;2.中國礦業(yè)大學 (北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083)

公路橋下放頂煤開采注漿減沉技術

馮樹國1,王 睿2,王柏林1

(1.開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司,河北唐山 063108;2.中國礦業(yè)大學 (北京)地球科學與測繪工程學院,北京 100083)

以開灤礦區(qū)范各莊礦的注漿減緩地表沉降技術實踐為實例,利用廢棄粉煤灰作為充填材料,對沙河公路橋下放頂煤開采后產(chǎn)生的冒落帶、裂縫帶、離層帶及時進行注漿充填,對注漿層位、鉆孔位置及注漿鉆孔結構、注漿系統(tǒng)的建立以及地表沉陷監(jiān)測等進行了全面的論述,認為注漿減緩地表沉降效果顯著,地表最大下沉僅 1.75m,減沉率為 58.25%,有效地保護了橋梁。

橋下采煤;注漿減沉;地表沉陷

Technology of Reduc ing Subsidence with Grout ing in Cav ing Top-coal under Highway Bridge

開灤范各莊礦井田位于河北省唐山市古冶區(qū)管轄境內(nèi),是一座年產(chǎn) 4.5Mt的現(xiàn)代化特大型礦井。目前該礦正對礦區(qū)內(nèi) 2水平 2180區(qū)的 7,8煤層合區(qū) (有效采厚 6.5m左右)進行輕型綜放開采,采8煤層厚度 2.2m,放上部 7煤層厚度 4.0m,設計采出率 85%[1]。

沙河公路橋位于范各莊礦西北部的 2180采區(qū)上方,距礦區(qū)工業(yè)廣場以北約 400m,僅 7,8兩個煤層公路橋梁煤柱壓煤儲量就約 2.0Mt。為最大限度的將地下煤炭資源采出,提高資源采出率,探索“三下”采煤技術,礦井在原有開采技術的基礎上,進一步采用地面減沉注漿技術,即利用粉煤灰對該區(qū)域沖積層、離層帶、冒落裂縫帶注漿,以減小或改善地表下沉程度,完成公路橋正下方 2180(6-1)輕放工作面的開采,保護了地表橋梁安全。

1 公路橋下工作面開采對橋梁影響程度評價

在公路壓煤范圍,平行橋梁布置了 5個回采工作面,即公路橋下 2180 (5), (6), (6-1),(7),(8)。各工作面均采用輕型放頂煤技術開采。

為了評價各工作面對地面建、構筑物和橋梁的采動影響程度,采用國內(nèi)普遍應用的概率積分法進行預計。根據(jù)地表移動變形預計結果[2],橋下 5個工作面即 2180(5,6,7,8)和 2180(6-1)全采后,公路橋縱向 (順橋 s方向)和橫向 (垂直 t縱向)的最大移動變形值列于表 1。

分析得知,采后公路橋下沉 4187mm,下沉后橋面將低于平時橋下流水的水面標高 (+25.7m);縱向水平壓縮變形若按 7.64mm/m計,全橋長156m,總壓縮量達 1191.8mm,全橋以橋兩端向中心壓縮,壓縮量為 989+103=1092mm,這個壓縮量大大超過了蓋梁上梁的間隙,導致橋的梁板被擠壓損壞,還會造成樁柱式橋墩的損壞。

表1 全采后橋梁縱向與橫向最大移動變形值

2 注漿系統(tǒng)的建立

2.1 減沉注漿鉆孔的布置

公路橋下 2180(6-1)輕放工作面開采期間,減沉注漿工程共設計 4個注漿孔：注 1孔位于2180(6)工作面采空區(qū)上方,沙河公路橋北側距離南橋頭 50m位置;注 2孔位于 2180(7)工作面采空區(qū)上方,沙河公路橋南側距離南橋頭 80m位置;注 3孔位于 2180(6-1)工作面上方,緊靠公路橋南橋頭北側;注 4孔位于 2180(6-1)工作面上方,原設計位置位于沙河橋北橋頭南側 10m位置,在鉆孔施工過程中,受其他鉆孔注漿的影響,造成沖積層段嚴重塌孔無法施工,又沿公路向西北方向平移了 45m。

各鉆孔均先期施工到距離煤層 140m位置,然后開始離層帶充填注漿,達到注漿設計要求后,將鉆孔延深到采空區(qū),對采空區(qū)及上部裂縫帶進行充填注漿。

2.2 鉆孔結構及鉆孔施工情況

為保證后續(xù)裂縫帶、冒落帶注漿時鉆孔的延深,各個鉆孔在穿過沖積層段后下 φ168mm套管封注好后,均采用 φ142mm裸孔施工到目的層位。

各鉆孔結構及施工情況如下：

注 1孔 位于 2180(6)工作面上方離層帶,距切眼西側約 200m,下運輸巷往上山方向約 8m。鉆孔結構：0～115.23m使用 φ168mm套管,115.23～331.84m為裸孔,孔徑 142mm。

注 2孔 在 2180(7)工作面上方離層帶,距切眼西側約 100m,回風巷往下山方向約 10m。鉆孔結構：0～115.23m使用 φ168mm套管,115m～330m為裸孔,孔徑 142mm。后期延深至采空區(qū),終孔深度 447m。

注 3孔 位于 2180(6-1)工作面上方離層帶,距切眼西側約 134m,回風巷往下山方向約50m。鉆孔結構：0～115m使用 φ168mm套管,115m～331.28m為 φ142mm裸孔。

注 4孔 位于 2180(6-1)工作面上方離層帶,距切眼西側約 302m,運輸巷往上山方向約40m。鉆孔結構：0～115m使用 φ219mm和φ168mm雙層套管,115～330m為 φ142mm裸孔。

2.3 其他系統(tǒng)的建立

注漿站安設有石家莊煤機廠產(chǎn) TBW-1200/7B中壓泵 4臺和 TBW-850/50中壓泵 1臺,泵輸總能力 339m3/h。注漿站與鉆孔間鋪設 4趟 φ104mm輸漿管路。安裝 2臺攪拌機。

由電廠排灰場北側配電站、鋪設 6000V高壓電纜到注漿站場地廂式變壓器供電,在注漿站安設1臺 500kW變電箱。

由于是采空區(qū)內(nèi)注漿,可以實現(xiàn)負壓注漿,可適當加大漿液的濃度,或添加少量密度較大的沙或者粉碎的矸石。隨著注入粉煤灰量的增加,孔內(nèi)壓力將會逐漸升高,達到 5.0MPa,停止注漿。為增加注入粉煤灰抗壓強度,后期可以加注一定濃度的水泥漿[3]。

所注粉煤灰的物理參數(shù)如下：

干灰密度 (視密度)γ干=1.86t/m3;飽和灰密度γ飽=1.55t/m3;飽和灰含水量 Cw飽=23.3%;飽和灰壓實密度γ壓=1.65t/m3;飽和壓實灰含水量 Cw壓=14.8%。

3 橋梁變形觀測

自 2003年 7月,在 2180采區(qū)各工作面回采前,沙河橋上布置測量點 7個,觀測周期為每周 1次。觀測內(nèi)容包括橋梁下沉和橋梁拉伸變形值。

2180(6-1)工作面走向長 660.5m,傾斜長133.7m,截止到 2008年 2月 12日,公路橋面 7個觀測點累積下沉值如表 2。各測點下沉量隨時間變化曲線如圖 1。

表2 觀測點累積下沉值

圖1 各測點沉降值隨時間變化曲線

4 沉降效果分析

從目前對沙河公路橋下放頂煤開采后產(chǎn)生的冒落帶、裂縫帶、離層帶和沖積層及時進行注漿充填所觀測到的沉降數(shù)據(jù)分析,可以得出：

(1)目前公路橋沉降已趨穩(wěn)定,橋 3點為最大下沉點,累計最大下沉值 1750mm,僅為原預計最大下沉值的 41.75%,推算減沉率為 58.25%。

(2)最大下沉點距離工作面切眼 184m,僅位于工作面走向長度的 1/4處,由于該區(qū)域工作面布置形成的邊角煤柱,改變了地表沉降與開采走向長度的關系,對公路橋梁的保護起了重要作用。

(3)由于 2180(6-1)工作面屬于孤島煤柱開采,工作面開采達到基本頂初次垮落步距后即很快引起地面橋梁的沉降變形,沉降速度隨工作面繼續(xù)推進迅速增加,工作面過地面測點 40m,沉降速度達到最大,為 10.45mm/d。工作面推過橋梁78m后,沉降速度迅速減小。工作面開采期間,橋梁最大的平均沉降速度為 4.59mm/d。

(4)隨著工作面的推進,橋梁的下沉速度不是均勻沉降的 (如圖 2)?；境尸F(xiàn)出大 -小 -大這樣的規(guī)律性變化。分析可能受到 7煤層基本頂周期來壓步距的影響。

圖2 橋上各測點相對下沉值曲線

(5)橋梁在下沉過程中,多次出現(xiàn)橋梁短時整體上升現(xiàn)象。明顯的有 2次,即 9月底至 10月初工作面采過橋梁中間位置,12月底至 1月上旬工作面完全采過橋梁后。需要進一步研究引起橋梁整體上升的原因。

5 結論

(1)在公路橋下進行開采,注漿減沉技術對地表控制作用顯著。范各莊礦放頂煤開采注漿減沉技術實踐表明,該方法能有效減小開采所引起的地表下沉,注漿后地表最大下沉僅 1.75m,減沉率為58.25%。

(2)范各莊礦放頂煤開采注漿減沉技術對煤礦開采后產(chǎn)生的冒落帶、裂縫帶、離層帶及時進行注漿充填,對鉆孔布置、注漿材料和注漿系統(tǒng)優(yōu)化等方面進行了探索,認為只有在充分掌握工作面上方覆巖離層動態(tài)發(fā)育規(guī)律的基礎上,合理確定注漿層位以及注漿時機,地表減沉效果才會明顯。

[1]楊紅明.減沉注漿水治理 [J].建筑科學,2009(30).

[2]張慶松,高延法,孫宗軍,等 .開采沉陷數(shù)值計算的空間效應和層面效應分析 [J].巖土力學,2004,25(6).

[3]孫衛(wèi)華,朱 偉,鄭祥本 .覆巖離層注漿減沉技術的應用與發(fā)展現(xiàn)狀 [J].煤炭技術,2008,27(2)：81-83.

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1006-6225(2010)04-0032-03

2010-03-02

馮樹國 (1962-),男,河北唐山人,高級工程師,現(xiàn)任開灤范各莊礦業(yè)分公司地測副總工程師。

徐乃忠]