充填條件下地表建筑物抗變形能力評(píng)價(jià)

●李 濤 金珠鵬 鞏憲輝 劉 偉 劉煒楠 王海洋

一、引言

我國(guó)政府致力于推進(jìn)礦產(chǎn)資源領(lǐng)域供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)得到不斷改善和優(yōu)化①，但據(jù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，可以預(yù)計(jì)的是在未來(lái)相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中仍占主體地位。煤炭工業(yè)的健康發(fā)展事關(guān)我國(guó)能源安全和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。很多礦井隨著開(kāi)采年限的延長(zhǎng)和水平的延伸，正在逐步進(jìn)入殘采階段，部分礦井已進(jìn)入衰退期。然而，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)“三下”壓煤超過(guò)140億噸，在我國(guó)一些城鎮(zhèn)和村莊建筑物下、鐵路下、水體下壓著大量的煤炭資源②。地下開(kāi)采會(huì)引起地表的移動(dòng)變形，采煤工作面若采用全部垮落法處理采空區(qū)，煤體采出后上覆巖層在重力作用下劇烈變形移動(dòng)，老頂斷裂下沉至全部采空區(qū)，造成地表劇烈變形、下沉，形成大型塌陷坑。充填開(kāi)采時(shí)，在煤炭被采出后向采空區(qū)輸送充填料漿進(jìn)行充填，相當(dāng)于將原本煤炭所占據(jù)的空間換成了充填材料，減少覆巖移動(dòng)空間，從而有效控制覆巖移動(dòng)及地表變形。礦山充填開(kāi)采已成為控制地表變形破壞的主要方法之一，對(duì)地表建筑物抗變形能力進(jìn)行評(píng)價(jià)是充填開(kāi)采首先需要解決的問(wèn)題，才能指導(dǎo)后續(xù)礦井充填料漿的配比設(shè)計(jì)等工作。

原野③等學(xué)者提出為了解決當(dāng)前日益突出的礦山充填開(kāi)采問(wèn)題，首先對(duì)地表保護(hù)對(duì)象進(jìn)行辨識(shí)分析，并結(jié)合紗嶺金礦實(shí)際開(kāi)采方案設(shè)計(jì)，最終采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)深部充填開(kāi)采地表變形規(guī)律進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，在充填開(kāi)采過(guò)程中，地表變形值滿足國(guó)家對(duì)建筑物相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。并且不會(huì)導(dǎo)致地下含水層破壞，能夠保證充填過(guò)程的生產(chǎn)安全。孫偉波④等人針對(duì)陜北煤田生態(tài)環(huán)境脆弱、地質(zhì)疏松的自然條件，提出用條帶充填法控制地表變形，數(shù)值模擬結(jié)果表明，在控制充填條帶寬度和充填體強(qiáng)度的條件下，條帶充填法能有效地保證地表安全，減少地下采煤對(duì)水資源的破壞。溫興林⑤等為了研究建筑物下深部煤層膏體充填開(kāi)采后對(duì)地表高壓輸電線塔的危險(xiǎn)性，采用理論分析、概率積分計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)730采區(qū)各工作面開(kāi)采后所造成的地表移動(dòng)變形進(jìn)行了預(yù)計(jì)，根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果提出了對(duì)高壓線塔的維修和加固措施，確保高壓輸電線和高壓線塔的安全運(yùn)行。

研究礦井“建下”壓煤10149.0萬(wàn)t，占總儲(chǔ)量的69.4%,可采儲(chǔ)量?jī)H剩635.6萬(wàn)t，已經(jīng)嚴(yán)重制約了礦井生產(chǎn)和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。地表涉及到一個(gè)鎮(zhèn)、9個(gè)村，村莊搬遷成本較高，耗時(shí)耗力，難以實(shí)現(xiàn)。為了延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，計(jì)劃采用高濃度膠結(jié)充填開(kāi)采回采城區(qū)下深部壓煤。現(xiàn)準(zhǔn)備對(duì)研究礦井12#煤層進(jìn)行回采，12#煤層平均埋深746m，平均煤厚2m，平均傾角在10°，地表為唐山市古冶區(qū)，地面主要建（構(gòu)）筑群有國(guó)道、鐵路、工業(yè)廣場(chǎng)、客運(yùn)站、加油站、石榴河、零售網(wǎng)點(diǎn)、居民住宅區(qū)及一些天然氣、暖氣管道和供電系統(tǒng)，建筑物的抗變形能力差異較大。需要對(duì)充填開(kāi)采時(shí)地表建筑物的抗變形能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出充填開(kāi)采時(shí)地表建筑物移動(dòng)變形上限值，以指導(dǎo)后續(xù)充填開(kāi)采時(shí)充填料漿的配比設(shè)計(jì)，保護(hù)地表建筑物安全。

二、采區(qū)地質(zhì)條件

1.采區(qū)概況。該礦井可采煤層5個(gè)，分別為7#、8#、9#、11#和12#煤，累計(jì)煤層厚度約為10.9m。研究礦井位于河北省唐山市境古冶區(qū)境內(nèi)。交通便利，距市區(qū)約22km，井田開(kāi)采范圍內(nèi)設(shè)有專用的鐵路與京山鐵路接軌，主要的公路運(yùn)輸路線為205國(guó)道，可通往全國(guó)各地，水路經(jīng)過(guò)秦皇島港、塘沽港及京唐港通往華東和國(guó)外。

礦井井田位于開(kāi)平煤田東北隅的西南部，井田內(nèi)地勢(shì)較平坦。東北部及井口較高，海拔高度+50m左右，西部和西南部較低，海拔高度+30m～+40m，井田范圍內(nèi)由于人工地下采礦活動(dòng)的影響，原地形部分已遭破壞。井田屬山前沖積平原地貌，井田面積約為27.8km2，礦井走向長(zhǎng)度為8.22km，傾斜長(zhǎng)度為4.0km。礦井開(kāi)采深度為49m至-1200m。充填區(qū)域井上下對(duì)照?qǐng)D略。

由于研究區(qū)域潛水位較高，因此煤柱開(kāi)采要控制下沉量，地表房屋保護(hù)等級(jí)較高，因此煤柱開(kāi)采還要控制變形量?？刂屏说乇硐鲁亮?，很大程度上控制了地表變形?？紤]到11水平煤層分布與建筑物分布的關(guān)系及本區(qū)地質(zhì)采礦條件特點(diǎn)和村莊保護(hù)要求，對(duì)研究礦井11水平東翼12#煤層1121采區(qū)進(jìn)行高濃度膠結(jié)充填開(kāi)采，首采區(qū)布置在采區(qū)最上部。

2.煤層賦存地質(zhì)條件。礦井位于開(kāi)平煤田的開(kāi)平向斜東北隅的西南部，出露及揭露的地層由老到新有：奧陶系中統(tǒng)馬家溝組，石炭系中統(tǒng)唐山組、上統(tǒng)開(kāi)平組和趙各莊組，二疊系下統(tǒng)大苗莊組和唐家莊組、上統(tǒng)古冶組和洼里組、第四系。含有八個(gè)煤層，分別為5#、6#、7#、8#、9#、11#、12#煤層，煤層的總厚度為16m，其中7#、8#、9#、11#、12#煤層為可采煤層，總厚為10.9m。各可采煤層的基本特點(diǎn)，包括各煤層的最大、最小厚度、平均厚度，各可采煤層的層間距，結(jié)構(gòu)等情況見(jiàn)表1。

截至2017年底，井田內(nèi)參與儲(chǔ)量計(jì)算的煤層共五個(gè)。礦井資源總量14626.0萬(wàn)t，其中保有地質(zhì)儲(chǔ)量14626.0萬(wàn)t，7#煤層資源儲(chǔ)量3192.7萬(wàn)t，8#煤層資源儲(chǔ)量1318.6萬(wàn)t，9#煤層資源儲(chǔ)量5010.2萬(wàn)t，11#煤層資源儲(chǔ)量2076.6萬(wàn)t，12#煤層資源儲(chǔ)量3027.9萬(wàn)t。井田東翼古冶區(qū)壓煤4755.8萬(wàn)t。7#煤層為局部可采煤層，8#、9#、11#、12#煤層為穩(wěn)定可采煤層，8#、9#煤層大部分地段為厚煤層，7#、8#、9#、12#煤層為中厚煤層，11#煤層為薄煤層。東翼主要可采煤層為12#煤層，研究區(qū)域7#、8#、11#煤層無(wú)采掘工程，上覆9#煤層已經(jīng)基本回采完畢。12#煤層為較穩(wěn)定可采煤層，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，含夾石一層，夾石厚度為0.1m～0.3m，深部灰分較低，厚度為0.4m～2.9m，平均2.0m，煤層頂板是灰黑炭質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)緊密，細(xì)膩均一，在井田內(nèi)較為穩(wěn)定，具有劃痕油質(zhì)光澤，斷口呈貝殼狀，是研究礦井較好的標(biāo)志層之一。底板為灰黑色細(xì)砂巖，結(jié)構(gòu)致密，巖性均一。

表1可采煤層厚度、層間距、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)一覽表

礦井采用充填開(kāi)采的建筑物下壓煤主要集中在12#煤層11東和12水平范圍，預(yù)計(jì)采出543.8萬(wàn)t，詳見(jiàn)表2。

表2建筑物下壓煤預(yù)計(jì)采出量匯總表（12#煤層）

三、地面建筑物分布情況及抗變形能力評(píng)價(jià)

1.地面建筑物分布情況。研究區(qū)域地面主要建（構(gòu)）筑群包括礦井工業(yè)廣場(chǎng)、區(qū)政府大樓、運(yùn)煤專用鐵路、汽車站、中國(guó)石化加油站、石榴河、各類公司、零售網(wǎng)點(diǎn)及中高層居民住宅區(qū)等。各類建筑物平面布置方式、空間尺寸、構(gòu)造結(jié)構(gòu)類型多種多樣，建筑質(zhì)量也相差較大，房屋的抗變形能力參差不齊。另外，研究區(qū)域內(nèi)地表還存在一些管網(wǎng)系統(tǒng)，如水管、天然氣、暖氣管道等，這些主體管線的設(shè)置一般情況下采取地下鋪設(shè)。建筑物與管網(wǎng)系統(tǒng)均為唐山大地震以后新建，設(shè)計(jì)具有一定的抗變形能力。

地表主要建筑為中高層居民樓、政府辦公大樓等，框架結(jié)構(gòu)。特殊地物主要有鐵路、鐵路橋、加油站、水、電、天然氣、暖氣管道，這些主體管線的設(shè)置一般采取地下鋪設(shè)，地下管線走向沿道路或與主體建筑平行布置，線路順直。

按照采動(dòng)影響范圍內(nèi)各類建筑物的用途和重要性，對(duì)地表典型建筑物進(jìn)行保護(hù)等級(jí)劃分，將加油站、鐵路橋列為一級(jí)保護(hù)對(duì)象，將汽車站、政府大樓和居民樓列為二級(jí)保護(hù)對(duì)象。水平變形和傾斜變形是影響建筑物穩(wěn)定性的主要因素，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中，對(duì)地表移動(dòng)變形影響建筑物劃分了等級(jí)⑥，其中一級(jí)保護(hù)對(duì)象水平變形小于2mm/m，傾斜變形小于3mm/m。

采動(dòng)影響范圍內(nèi)地表埋有各類管管道，布置方式不一，允許變形值也不盡相同，為了盡可能保護(hù)地表管網(wǎng)系統(tǒng)的安全，以天然氣管道為例，天然氣管道的地表允許和極限變形值見(jiàn)表3⑦。

2.地面建筑物抗變形能力評(píng)價(jià)。建筑物本身抵抗采動(dòng)變形的能力和地表變形值的大小決定著受開(kāi)采影響的損壞程度，根據(jù)研究礦井地表建筑物和管網(wǎng)系統(tǒng)的分布情況，對(duì)礦區(qū)東翼采動(dòng)影響范圍內(nèi)各建(構(gòu))物與地表管線進(jìn)行了抗變形能力分析，見(jiàn)表4。

為保證地表建筑物以及管線的安全，充填開(kāi)采對(duì)地表開(kāi)采沉陷的影響必須在保護(hù)等級(jí)要求范圍之內(nèi)，因此取上限水平變形值為2mm/m，傾斜變形值為3mm/m，曲率變形值為0.20mm/m2。充填開(kāi)采料漿的配制過(guò)程中，要以這三個(gè)指標(biāo)為上限依據(jù)進(jìn)行充填料漿配比設(shè)計(jì)，以保證充填開(kāi)采時(shí)充填體強(qiáng)度滿足要求可以控制頂板巖層和地表變形值在安全范圍內(nèi)。

表3天然氣管道的地表允許和極限變形值

表4研究礦井地表建筑物、管線抗變形能力

四、結(jié)論

1.充填開(kāi)采區(qū)域地表主要建（構(gòu)）筑群包括區(qū)政府大樓、運(yùn)煤專用鐵路、汽車站、中國(guó)石化加油站、石榴河、零售網(wǎng)點(diǎn)、中高層居民住宅區(qū)和地表天然氣管道管網(wǎng)等。各類建筑物平面布置方式、空間尺寸、構(gòu)造結(jié)構(gòu)類型多種多樣，房屋的抗變形能力參差不齊，需要進(jìn)行抗變形能力評(píng)價(jià)。

2.為保證地表建筑物以及管線的安全，充填開(kāi)采對(duì)地表開(kāi)采沉陷的影響必須在保護(hù)等級(jí)要求范圍之內(nèi)，因此取上限水平變形值為2mm/m，傾斜變形值為3mm/m，曲率變形值為0.20mm/m2，進(jìn)而指導(dǎo)充填料漿的配比設(shè)計(jì)。

注釋：

①中華人民共和國(guó)自然資源部.中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告,2018[M].北京:地質(zhì)出版社,2018.

②徐法奎,李鳳明.我國(guó)“三下”壓煤及開(kāi)采中若干問(wèn)題淺析[J].煤炭經(jīng)濟(jì)研究,2005(05):26-27.

③原野,王賀,解聯(lián)庫(kù),等.深部充填開(kāi)采覆巖移動(dòng)規(guī)律及其對(duì)地表構(gòu)筑物影響性研究[J].中國(guó)礦業(yè),2016,25(S2):240-245.

④Sun Wei Bo,Wang Yan,Qiu Hua Fu,Ding Zi Wei.Numerical simulation study of strip filling for water-preserved coal mining.[J].Environmental science and pollution research international,2020,27(12).

⑤溫興林,李興東,王如猛,等.深部厚煤層充填開(kāi)采地表高壓線塔安全分析研究[J].煤炭技術(shù),2018,37(11):13-16.

⑥建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采指南[M].煤炭工業(yè)出版社,煤炭科學(xué)研究總院,2017

⑦穆馳.采動(dòng)地表移動(dòng)變形對(duì)長(zhǎng)輸管道影響評(píng)價(jià)研究[D].西安科技大學(xué),2017.