選煤廠下伏多層傾斜煤層采空區(qū)穩(wěn)定性評價與治理技術(shù)研究

張剛艷

(天地科技股份有限公司，北京 100013)

選煤廠下伏多層傾斜煤層采空區(qū)穩(wěn)定性評價與治理技術(shù)研究

張剛艷

(天地科技股份有限公司，北京 100013)

介紹了目前煤炭采空區(qū)地基穩(wěn)定性評估與治理技術(shù)的研究現(xiàn)狀。研究分析了承德興隆礦業(yè)有限責(zé)任公司選煤廠的建(構(gòu))筑物和采空區(qū)概況，需評估采空區(qū)的存在對建構(gòu)筑物的建設(shè)和使用的危險性，通過計算分析建筑物荷載影響深度與裂縫帶發(fā)育高度之間關(guān)系，確定了需要治理的煤層采空區(qū)，并進(jìn)行了采空區(qū)的治理設(shè)計，最后通過鉆探等檢測手段說明實際注漿效果較好，說明采空區(qū)評估與設(shè)計方案較好地指導(dǎo)了本次采空區(qū)注漿治理工程施工。

多層傾斜煤層 采空區(qū) 地基穩(wěn)定性評估 采空區(qū)治理設(shè)計

我國是一個煤礦生產(chǎn)與消費(fèi)大國，煤炭的開采形成了大量的采空區(qū)。近年來，諸多的建設(shè)工程，如高速公路、西電東送線路、選煤廠和坑口電廠等建(構(gòu))筑物都通過或是建設(shè)在采空區(qū)上方。因此，為了保證采空區(qū)上方的建(構(gòu))筑物安全，開展采空區(qū)穩(wěn)定性評價與治理技術(shù)的研究有極其重要的應(yīng)用價值與必要性。

從20 世紀(jì)80 年代我國就開展了煤礦采空區(qū)利用的研究工作，取得了一些研究成果。文獻(xiàn)[1]通過相似材料模擬試驗研究了老采空區(qū)上方興建建筑物后地基的沉降規(guī)律。文獻(xiàn)[2]研究老窯和小窯部分開采老采空區(qū)殘留空洞覆巖逐層垮落破壞和整體性突陷抽冒破壞問題。文獻(xiàn)[3]分析采空區(qū)地表殘余沉降變形的產(chǎn)生原因，提出了采空區(qū)地表新建建筑的地基穩(wěn)定性評價方法。文獻(xiàn)[4-5]試驗研究了高速公路下伏急傾斜煤層采空區(qū)和多層采空區(qū)注漿充填法治理技術(shù)。文獻(xiàn)[6-7]分析采空區(qū)對隧道的影響，總結(jié)了采空區(qū)與隧道不同位置關(guān)系的治理方法。文獻(xiàn)[8-9]介紹了擬建電廠和煤礦斜井井筒采空區(qū)穩(wěn)定性評估與采空區(qū)治理技術(shù)。文獻(xiàn)[10]在實際注漿施工中，提出漿液正循環(huán)花管注漿法，提高漿液的充填率和結(jié)石率。

承德興隆礦業(yè)有限責(zé)任公司選煤廠原煤儲煤場給煤機(jī)通道區(qū)域擬建場地下伏多層傾斜采空區(qū)，對擬建建(構(gòu))筑物構(gòu)成了較大的危險性，本研究對采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了評價，并對采空區(qū)治理進(jìn)行了設(shè)計，經(jīng)鉆探等檢測采空區(qū)治理效果較好。

1 建(構(gòu))筑物、煤層與采礦區(qū)概況

1.1 建(構(gòu))筑物概況

承德興隆礦業(yè)有限責(zé)任公司選煤廠設(shè)計規(guī)模為2.0 Mt/a，并預(yù)留2.0 Mt/a的建設(shè)場地。選煤廠類型為中心型煉焦煤選煤廠，主要單項工程有原煤儲煤場、篩分破碎車間、主廠房、濃縮車間、精煤倉、中煤倉、矸石倉、煤泥卸載點和各聯(lián)系棧橋等，具體布置見圖1。

圖1 興隆礦務(wù)局選煤廠工業(yè)園區(qū)布置

根據(jù)設(shè)計資料，需進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性評估與治理的區(qū)域建筑物如下。

(1)原煤儲煤場。原煤儲煤場尺寸為59 m×67 m、墻體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，上部圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，屋面為不上人屋面，活載0.5 kN/m2，基本雪壓0.3 kN/m2，基本風(fēng)壓0.4 kN/m2，屋面板為YX24-210-840，板厚為0.6 mm。

(2)原煤儲煤場給煤機(jī)通道區(qū)域。凈寬×凈高為4.0 m×4.3 m，結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土地道，基礎(chǔ)形式為整板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深平均8.2 m，墻體、地面及屋蓋均為現(xiàn)澆，中間包括4.0 m×4.0 m鋼筋混凝土漏斗6個(帶鐵箅子)。

(3)原煤儲煤場至篩分破碎車間帶式輸送機(jī)棧橋。共分3部分：第1部分凈寬×凈高為3.5 m×2.5 m，長度為55.0 m，結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土地道，基礎(chǔ)形式為整板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深平均8.5 m；第2部分凈寬×凈高為3.5 m×2.5 m，長度為25 m，結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架，基礎(chǔ)形式為單獨基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深2.5 m，棧橋樓面以上為輕鋼門架圍護(hù)；第3部分凈寬×凈高為3.5 m×2.2 m，長度為160 m，結(jié)構(gòu)類型為鋼桁架，基礎(chǔ)形式為單獨基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深3.0 m。

1.2 煤層與采空區(qū)概況

選煤廠工業(yè)園區(qū)建設(shè)用地地層自上而下主要由第四系、二迭系、石炭系組成，局部存在巖漿巖。受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動影響，選煤廠工業(yè)園區(qū)建設(shè)用地及附近范圍內(nèi)斷層發(fā)育，走向以近東西向為主，傾向南，形成迭瓦式逆斷層構(gòu)造，將含煤地層錯動。

選煤廠工業(yè)園區(qū)建設(shè)用地主要煤層為賦存于二迭系下統(tǒng)茂山組(p12)的二、三層煤，荒神山組(p11)的四、五層煤；石炭系上統(tǒng)張家莊組(c32)的六層煤，中統(tǒng)馬圈子組(c22)的九、十層煤，見圖2。

圖2 興隆礦務(wù)局選煤廠工業(yè)園地質(zhì)剖面圖

二層煤：僅在工業(yè)廣場西側(cè)分布，層底標(biāo)高398 m左右，煤層近于水平，層厚4 m左右，屬厚層煤。

三層煤：分布在擬建儲煤場以東至勘查區(qū)西邊界范圍內(nèi)，層底最低標(biāo)高約380 m，最淺處可延伸至覆蓋層，煤層傾角小于25°，屬緩傾斜煤層，層厚多在2.5 m以下，屬薄層～中厚層煤。二～三層煤煤層間距約13 m。

四層煤：勘查范圍內(nèi)除擬建主廠區(qū)外，其他區(qū)域廣泛分布，層底最低標(biāo)高約296 m，最淺處延伸至覆蓋層，煤層傾角多小于30°，屬中緩傾斜煤層，層厚多小于20 m，局部受斷層、侵入巖影響，厚度可達(dá)40 m左右，屬厚層煤。三～四層煤煤層間距24～58 m。

五層煤：分布在擬建儲煤場地東部，層底標(biāo)高333.65～432 m，煤層傾角21°，屬緩傾斜煤層，層厚2.19～5.50 m，屬中厚層～厚層煤。四～五層煤煤層間距33～68 m。

六層煤：除擬建主廠區(qū)北部外，其他區(qū)域廣泛分布，層底最低標(biāo)高多在200～400 m間，局部可延伸至覆蓋層，煤層傾角多小于30°，以中緩傾煤層為主，層厚多在1～3 m間，屬薄層～中厚層煤。四～六層煤煤層間距55～100 m，五～六煤煤層間距70 m左右。

九層煤：勘查區(qū)內(nèi)廣泛分布，層底標(biāo)高100～400 m，煤層傾角小于44°，屬中緩傾斜煤層，層厚0.15～4.33 m，屬薄層～厚層煤。六～九層煤煤層間距53～97 m。

十層煤：勘查區(qū)內(nèi)廣泛分布，層底標(biāo)高50～330 m，煤層傾角15°～46°，屬緩傾斜～中傾斜煤層，層厚多小于2.4 m，局部可達(dá)4 m，以中厚層煤為主。九～十層煤煤層間距16～48 m。

需進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性評估與治理的區(qū)域位于選煤廠中、南部，在該范圍主要為四、六層煤采空區(qū)，四層煤采空區(qū)頂板埋深16.1～100.4 m，六層煤采空區(qū)頂板埋深84～265.8 m，累計采厚2.4～59.2 m，采厚比2.4～35.5；四層煤采空區(qū)主要形成于2005—2006年，六層煤采空區(qū)主要形成于2004—2009年。

2 地基穩(wěn)定性評價

采空區(qū)擬建建筑地基穩(wěn)定性評價，重點評價建(構(gòu))筑物荷載條件下地下采空區(qū)是否會“活化”。因此對擬建建筑進(jìn)行采空區(qū)穩(wěn)定性評價，需要解決如下主要問題：一是如何確定不同層數(shù)建筑物和不同大小載荷對地基的影響深度，二是評價采空區(qū)在建筑物荷載作用下的“活化”。

2.1 建筑物荷載影響深度

在地表新建大型廠房等建(構(gòu))筑物，其建筑荷載可以影響到建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)底面以下一定深度，在建(構(gòu))筑物地基中產(chǎn)生一定大小的附加應(yīng)力。有些建(構(gòu))筑物在地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力的擾動深度可能達(dá)到數(shù)10米，可能觸及到采空區(qū)范圍，引起采空區(qū)周圍巖體產(chǎn)生新的移動變形，從而加大上覆巖層及地基的移動變形量，影響建(構(gòu))筑物的安全使用。

參照目前地質(zhì)構(gòu)造及煤碳開采情況類似地區(qū)的同類項目經(jīng)驗，結(jié)合擬建建筑特點，考慮工業(yè)建筑振動、荷載等因素，以及煤層分布與開采特征，采用類比的方法，綜合確定本次工程建設(shè)項目單個建筑物層數(shù)與影響深度的關(guān)系(表1)。

表1 單個建筑物層數(shù)與影響深度關(guān)系對照表

從表1中可以看出，在煤系地層中當(dāng)建筑物層數(shù)為6層時，從地表算起其影響深度為35 m。選煤廠最高建筑為6層，采用類比的方法確定選煤廠工業(yè)園區(qū)地基對煤系地層的最大影響深度為35 m。

2.2 采空區(qū)覆巖破壞高度

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，采用走向長壁式全陷采煤方法時，中硬巖層導(dǎo)水裂縫帶高度可按照下式計算：

式中，∑M為煤層開采厚度。

參照以往類似采空區(qū)基礎(chǔ)穩(wěn)定性評價計算方法，采空區(qū)“活化”評價深度為基礎(chǔ)最大影響深度、冒裂帶總高度、安全層厚度(建筑物荷載影響深度與冒裂帶頂面高度之間的厚度，取10m)三者之和。即在這一深度范圍內(nèi)若存在采空區(qū)，在其上方建相應(yīng)層數(shù)建筑，可能會引發(fā)采空區(qū)“活化”現(xiàn)象，當(dāng)場地穩(wěn)定性不能夠滿足要求時，就需要采取治理措施，以確保安全。按此計算方法，計算出選煤廠在不同開采厚度下，不同層數(shù)建筑與采空區(qū)臨界深度關(guān)系，見表2。

表2 開采厚度、建筑物層數(shù)與采空區(qū)臨界深度關(guān)系

注：采空區(qū)臨界深H=Hli+a+b，其中，a為建筑物影響深度，b為安全層厚度。

2.3 綜合評價

原煤儲煤場給煤機(jī)通道兩側(cè)建筑間布設(shè)有6臺給煤機(jī)，建筑高7.9m。由于原煤儲煤場給煤機(jī)通道屬于原煤傳送動力系統(tǒng)，振動較大，為保證安全，評價原煤儲煤場給煤機(jī)通道時均按3層建筑標(biāo)準(zhǔn)處理，依據(jù)建筑物層數(shù)與高度，對原煤儲煤場給煤機(jī)通道區(qū)域地基穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

綜合該區(qū)域物探及地質(zhì)、鉆探資料，原煤儲煤場及給煤機(jī)通道區(qū)域存在四、五、六、九、十層煤，其中四、六層煤存在采空區(qū)：①四層煤底板等高線為+360～+400m，煤層厚度按照30m計算，地面標(biāo)高按照+520m計算，煤層埋深為+90～+130m，埋深小于臨界深度98.6m，建筑易引起采空區(qū)“活化”，需要進(jìn)行治理；②六層煤底板等高線為+260～+300m，煤層厚度按照3m計算，地面標(biāo)高按照+520m計算，煤層埋深為+217～+257m，埋深大于臨界深度98.5m，建筑不引起采空區(qū)“活化”，不需要進(jìn)行治理。

3 采空區(qū)治理設(shè)計

選煤廠地下采空區(qū)由于時間較長，井下已經(jīng)無法進(jìn)入，且該區(qū)域采空區(qū)深度相對直接開挖回填方法深度較大，故優(yōu)化選擇采用壓力注漿法。

3.1 注漿孔的設(shè)計

根據(jù)治理采空區(qū)實踐經(jīng)驗，選煤廠原煤儲煤場給煤機(jī)通道建設(shè)場地下采空區(qū)注漿孔按15～25m間距布設(shè)。建設(shè)場地范圍內(nèi)全面治理，在重要建筑物及上覆荷載較大位置適當(dāng)加密，在地表建筑物較少位置適當(dāng)減少。設(shè)計注漿孔共21個(圖3)，孔深35～161m，鉆探總進(jìn)尺約為2 170m。治理區(qū)域煤層傾向南，因此先施工南邊的注漿孔。

圖3 采空區(qū)注漿鉆孔平面布置圖

3.2 漿液配合比設(shè)計

根據(jù)煤礦采空區(qū)治理工程的成功經(jīng)驗，確定漿液為水泥粉煤灰漿，其水固比為1∶1.2～1.5，水泥占固相的20%～25%，粉煤灰占固相的75%～80%，根據(jù)鉆孔鉆進(jìn)過程中的具體情況，在鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)空區(qū)較大的鉆孔采用較稠的漿液或在漿液中摻加水泥重量的5%～10%速凝劑，也可加入少量砂或碎石，使注入采空區(qū)的漿液盡快凝固，減少漿液流失。當(dāng)受注層段空洞較大，尤其是在地下水流速較大(大于200 m/h)時，為節(jié)省注漿材料，可先灌注砂、礫石、礦渣、碎石等骨料，以此充填大的空區(qū)，減小過水?dāng)嗝?，增加水流阻力，降低地下水流速，進(jìn)而為注漿創(chuàng)造有利條件。

3.3 采空區(qū)注漿量設(shè)計

(1)采空區(qū)剩余空隙體積計算。采空區(qū)剩余空隙體積為治理范圍內(nèi)的礦層體積乘以采出率，并扣除采空區(qū)因頂板垮落而已形成的變形。煤廠原煤儲煤場給煤機(jī)通道建設(shè)場地下采空區(qū)治理面積共為3 000 m2。該場地下需要治理的四層煤采空區(qū)，采用巷柱式開采方法，累積采厚30 m，回采率約為35%，煤層采空區(qū)剩余空隙率取0.5，估算得空隙體積約為15 750 m3。

(2)采空區(qū)注漿量。注漿漿液的結(jié)石率按85%計算，考慮到在注漿過程中漿液損失，注漿量按下式計算：

式中，N為漿液損耗系數(shù)，取1.1； ΔV為空隙體積，m3；c為漿液結(jié)石率，取85%。

預(yù)計注漿量為20 382m3。

4 注漿效果

21個注漿孔注漿量總計18 329.4m3。單孔最大注漿量3 500.7m3(5號鉆孔)，最小注漿量85.1m3(18號鉆孔)。根據(jù)注漿總量和平均單孔注漿量，結(jié)合鉆孔質(zhì)量、注漿材料質(zhì)量和注漿參數(shù)質(zhì)量，分析認(rèn)為本次注漿工程達(dá)到了注漿設(shè)計要求。

2個注漿效果檢查孔在施工過程中發(fā)現(xiàn)漿液結(jié)石體，施工過程中未發(fā)生掉鉆，結(jié)合彩色鉆孔電視觀測結(jié)果分析認(rèn)為漿液擴(kuò)散情況較好，檢查孔所在位置的采空區(qū)裂隙得到較好的充填，見圖4。

5 結(jié) 論

(1)對于多層傾斜煤層采空區(qū)的穩(wěn)定性評價，通過計算分析建筑物荷載影響深度與裂縫帶發(fā)育高度之間關(guān)系，可以確定需要治理的采空區(qū)深度，避免采空區(qū)治理的盲目性和不必要的浪費(fèi)。

(2)對于多層傾斜煤層采空區(qū)的治理，應(yīng)先對埋深大的采空區(qū)范圍進(jìn)行治理，并通過增加水玻璃的含量控制漿液的流動性，減少漿液流失到治理范圍外。

(3)通過勘察掌握采空區(qū)及其覆巖現(xiàn)狀，通過試驗選擇合理的注漿設(shè)計參數(shù)，能較好地指導(dǎo)實際注漿工程。

(4)彩色鉆孔電視在注漿效果檢測中效果直觀，在注漿效果檢測中可以推廣應(yīng)用。

圖4 1號檢查孔鉆孔電視觀測結(jié)果之一

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(責(zé)任編輯 石海林)

Goaf Stability Evaluation and Treatment Technology of Underlying Multi-layer Inclined Coal Mine in a Coal Dressing Plant

Zhang Gangyan

(TiandiScienceandTechnologyCo.，Ltd.，Beijing100013，China)

Research status on the stability evaluation and control technology of coal goaf foundation is introduced.General situation of buildings in coal dressing plant of Chengde Xinlong Mining Co.，Ltd.and mined-out area are analyzed to evaluate the threatening of mined-out area existence to the construction and use of buildings.Through calculating the relationship between the building load influence depth and the fracture zone height，the coal goaf that needs to be treated are determined，and the goaf governance design is proposed.Finally，the testing such as drilling and exploration indicated that the actual grouting effect is good，the assessment and design scheme of mined-out area can well provide guidance for the goaf grouting treatment and construction project.

Multi-layer inclined seam，Mined-out area，The foundation stability evaluation，Goaf treatment design

2015-02-04

天地科技技術(shù)創(chuàng)新基金項目(編號:KJ-2014-TDKC-02)。

張剛艷(1975—)，男，副所長,副研究員。

TD823，TD325

A

1001-1250(2015)-04-066-05