程錦鋒
同煤集團(tuán)四老溝礦井田面積29.83 km2,主要開采侏羅紀(jì)煤層。經(jīng)過50多年的開采,侏羅紀(jì)資源儲(chǔ)量已接近枯竭,考慮到礦井的可持續(xù)發(fā)展,需要向下延深開采石炭二疊紀(jì)煤層。為能夠順利進(jìn)行延伸開采,礦井計(jì)劃在南羊路工業(yè)廣場(chǎng)場(chǎng)地內(nèi)新建副立井、回風(fēng)立井和副井井架、絞車房、通風(fēng)機(jī)房、變電所、制氮車間、龍門吊等新建配套建(構(gòu))筑物。根據(jù)收集的該區(qū)域地質(zhì)資料及調(diào)查周邊礦井情況,并采用物探手段和鉆探驗(yàn)證的方法對(duì)采空區(qū)分布情況進(jìn)行了勘查,結(jié)果表明新建建(構(gòu))筑物下覆保護(hù)煤柱外圍存在被盜采的情況,需要對(duì)新工業(yè)廣場(chǎng)下覆采空區(qū)地基穩(wěn)定性和危險(xiǎn)性進(jìn)行科學(xué)分析,確定治理區(qū)域和治理方案,從而消除采空區(qū)的安全隱患[1-4]。
工業(yè)廣場(chǎng)賦存有侏羅系和石炭二疊系兩套含煤建造。侏羅系大同組為上部含煤建造,二疊系山西組和石炭系太原組為下部含煤建造。侏羅系大同組共含16 煤層,主要煤層依次為2、3、4、7、8、9、11、12、14-2、14-3號(hào)煤層,侏羅系大同組煤層特征見表1。根據(jù)工業(yè)廣場(chǎng)和煤層井上下對(duì)照?qǐng)D,2#煤層開采于1978年-1983年,3#煤層開采于1981年~1988年,4#煤層開采于1984年~1993年,開采方式為綜采和刀柱式回煤。
表1 侏羅系大同組煤層特征表
威爾遜(Wilson)認(rèn)為上覆巖層的重量并非完全由煤柱承擔(dān),冒落在采空區(qū)的巖石同樣也承擔(dān)一部分上覆巖層的重量。采空區(qū)承擔(dān)的荷載量與采空區(qū)內(nèi)各點(diǎn)頂板閉合量有關(guān),即采空區(qū)垂直應(yīng)力與距煤壁的距離成正比。通過Wilson導(dǎo)出的煤柱安全系數(shù)K如果大于1,則認(rèn)為場(chǎng)區(qū)內(nèi)遺留的煤柱是穩(wěn)定的,如果K小于1,則認(rèn)為遺留煤柱是不穩(wěn)定的,以2#煤層8205 面(1979年)為例,根據(jù)采掘平面布置圖得出留設(shè)煤柱寬度a取13 m,采寬b為110 m,計(jì)算安全系數(shù)K=0.3<1,可知2#層遺留的煤柱是不穩(wěn)定的,不足以支撐上覆巖層重量。
工業(yè)廣場(chǎng)上有些建(構(gòu))筑物的荷載一般都很大,這些建(構(gòu))筑物在地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力的擾動(dòng)深度可達(dá)數(shù)十米深度,對(duì)采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,引起采空區(qū)周圍巖體產(chǎn)生新的移動(dòng)變形,嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致建(構(gòu))筑物的破壞,影響到建(構(gòu))筑物的安全。
根據(jù)建筑物設(shè)計(jì)以及礦井建設(shè)經(jīng)驗(yàn),利用均布荷載作用下地基附加應(yīng)力的計(jì)算方法,南羊路副立井井架、井口房和空氣加熱室的最大影響深度為47 m;南羊路副立井絞車房的最大影響深度為30 m;水泵房的最大影響深度為20 m;35 kV 變電站的最大影響深度為27 m,露天龍門吊的最大影響深度為42 m;膠輪倉庫的最大影響深度為28 m;機(jī)修車間的最大影響深度為27 m,制氮車間的最大影響深度為25 m、通風(fēng)機(jī)房的最大影響深度為27 m。
綜上分析,南羊路工業(yè)廣場(chǎng)擬建建(構(gòu))筑物對(duì)地基的最小影響深度為20 m,最大影響深度為47 m。
在煤層開采前,地下巖體處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài),但當(dāng)煤層被開采后,上覆巖層的原始狀態(tài)遭到破壞,開采后圍巖產(chǎn)生垮落,,此時(shí)上覆巖層發(fā)生破碎后會(huì)發(fā)生碎漲,體積會(huì)增大而占據(jù)部分煤層開采空間,在上覆荷載作用下垮落巖石被壓密,從而產(chǎn)生了地表下沉,以2#煤層為例計(jì)算了三帶的分布。
表2 2#煤層采空區(qū)垮落帶和導(dǎo)水裂隙帶計(jì)算
由上表可以看出,2#煤層采空區(qū)垮落帶高度低值為8.9 m,高值為13.9 m,導(dǎo)水裂隙帶高度低值為40.3 m,高值為58.1 m,并且根據(jù)鉆探勘查結(jié)果,結(jié)合四老溝礦相鄰煤礦采空區(qū)注漿治理類似工程,鉆孔在地表以下20 m~40 m 時(shí)泥漿大量漏失等情況,說明在該巖層條件下采空區(qū)裂隙帶實(shí)際發(fā)育高度大于計(jì)算高度,取裂隙帶高度為110 m。
四老溝采空區(qū)已進(jìn)入過渡性劇烈沉降期或突發(fā)沉降期或者采空區(qū)已經(jīng)冒落,并且開采煤層后,其上覆巖層即遭受破壞,采空區(qū)洞內(nèi)無安全保障,不具備人工作業(yè)條件,所以采空區(qū)深度和縱向空間都決定了地面注漿充填法的方案。在山西大同地區(qū),注漿充填多采用水泥粉煤灰漿液,必要時(shí)配合骨料。故治理方法采用地面注漿充填法。
工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)煤柱的范圍就是擬建場(chǎng)地采空區(qū)治理的范圍,保護(hù)煤柱用移動(dòng)角法設(shè)計(jì)。根據(jù)工業(yè)廣場(chǎng)上的建(構(gòu))筑物的位置、類別,治理范圍的計(jì)算大致分為兩類,由于部分治理范圍位于南羊路工業(yè)廣場(chǎng)保安煤柱內(nèi),對(duì)該范圍內(nèi)采空區(qū)沒有進(jìn)行勘查,未知采空區(qū)具體范圍,該區(qū)域暫按無采空區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì),治理范圍與采空區(qū)重合部分即為治理區(qū)域,計(jì)算結(jié)果見表3。
表3 采空區(qū)治理范圍分類
地面注漿充填法是通過地面打孔,利用注漿泵、注漿管路,將具有充填、膠結(jié)性能的漿液材料注入采空區(qū)空間或采空區(qū)的垮落帶、裂隙帶,漿液膠結(jié)固化后形成的漿液結(jié)石體對(duì)上覆巖層形成支撐作用或降低其滲透性,確保地面及地面上的建(構(gòu)筑)物不受到破壞。
由于地面其它工程施工工程中發(fā)現(xiàn),地表存在不連續(xù)裂縫,深度有深有淺,但不超過地表以下50 m,該層位位于建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)荷載影響深度范圍內(nèi),為基礎(chǔ)持力層,也需考慮進(jìn)行注漿充填,可根據(jù)鉆孔施工過程中鉆井液是否漏失判斷裂縫是否存在。如鉆井液漏失,則鉆孔施工至50 m時(shí)進(jìn)行注漿充填。
采空區(qū)注漿孔的布置需參照采空區(qū)治理范圍的分類進(jìn)而調(diào)整排間距、孔間距,并且結(jié)合各類治理范圍的目的煤層推算出各個(gè)區(qū)域的鉆孔數(shù)量及鉆孔工程量。一類治理區(qū)域鉆孔排間距、孔間距取20 m;二類治理區(qū)域鉆孔排間據(jù)、孔間距取25 m,以二類治理區(qū)為例,布置原則見圖1,根據(jù)現(xiàn)有場(chǎng)地條件進(jìn)行布孔優(yōu)化,考慮現(xiàn)有建筑物的影響等因素,共設(shè)計(jì)鉆孔129個(gè)。
圖1 二類治理區(qū)鉆孔布置示意
鉆孔孔深按超過2#煤層底板2 m 考慮,根據(jù)各處采空區(qū)埋深分別計(jì)算。暫按平均埋深156.5 m計(jì)算,工程量為:156.5×129=20 188.5 m,其中單孔固管平均深度為20 m,合計(jì)固管深度為129×20=2 580 m,詳見表4所示。
表4 采空區(qū)充填鉆孔工程量
鉆孔要采用“分區(qū)域、分序次”的原則進(jìn)行施工,前序鉆孔對(duì)下部采空區(qū)可以起到補(bǔ)勘的作用,根據(jù)實(shí)際地層及采空區(qū)情況對(duì)后序鉆孔的孔位、孔距、孔數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,以彌補(bǔ)均勻布孔的不足。
本設(shè)計(jì)采空區(qū)治理的注漿量是按照采空區(qū)剩余空洞體積進(jìn)行預(yù)測(cè)估算。注漿過程中,漿液向采空區(qū)上覆地層、裂隙的滲透損失,在采空區(qū)剩余空洞體積的基礎(chǔ)上,考慮5%~10%漿液損失,本設(shè)計(jì)漿液損耗系數(shù)A取1.05。注漿量采用下述公式進(jìn)行計(jì)算。
式中:Q—采空區(qū)注漿量(m3);
A—漿液損耗系數(shù),取1.05;
V—采空區(qū)剩余空洞體積(m3);
η—注漿充填率。根據(jù)采空區(qū)治理范圍分區(qū)及建(構(gòu))物保護(hù)級(jí)別取值,一類治理區(qū)綜合取值0.8,二類治理區(qū)綜合取值0.7;
c—漿液結(jié)石率,0.85。
對(duì)于地表裂縫,考慮50%鉆孔需要充填,每個(gè)鉆孔注漿量為50 m3,則鉆孔注漿量為:
注漿漿液主要為水泥粉煤灰漿,由水泥、粉煤灰、水等主要注漿材料組成,漿液配比取1:1.1。水泥、粉煤灰固相比為4:6和3:7。
表5 漿液配比
經(jīng)過注漿治理后,采空區(qū)空洞和裂隙得到較好充填,超聲波傳播速度增加,在注漿后采用跨孔法對(duì)24個(gè)鉆孔波速進(jìn)行綜合測(cè)井,檢驗(yàn)深度均在180 m~256 m,符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求“鉆孔中注漿處理段的平均剪切波速(橫波)>350 m/s”。
四老溝礦對(duì)工業(yè)廣場(chǎng)地基危險(xiǎn)性的科學(xué)評(píng)估,施工129 個(gè)注漿鉆孔,配制水泥、粉煤灰、水混合漿液材料43 659 m3對(duì)工業(yè)廣場(chǎng)下覆采空區(qū)進(jìn)行充填治理,并利用超聲波對(duì)治理效果進(jìn)行檢驗(yàn),治理效果符合設(shè)計(jì)規(guī)范。