厚煤層倉(cāng)房式開(kāi)采采空區(qū)處理與抗變形建筑技術(shù)研究*

郭軻軼

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012;2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

山西晉城無(wú)煙煤有限責(zé)任公司寺河礦二號(hào)井?dāng)M在本礦區(qū)新征場(chǎng)地內(nèi)新建單身公寓樓、后勤服務(wù)中心等建筑物，占地面積約0.064 km2。項(xiàng)目區(qū)位于寺河二號(hào)井采煤塌陷區(qū)范圍內(nèi)，該區(qū)域主要開(kāi)采了山西組3#煤層，煤層厚度6.0 m，平均采深85 m左右，采煤方法為倉(cāng)房式開(kāi)采，開(kāi)采時(shí)間多為上世紀(jì)90年代末期。

由于煤層厚度大，開(kāi)采方法不正規(guī)，造成回采率低，殘留煤柱較多，地表沉降不充分，形成了地下暗空?qǐng)?。因此，決定對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿處理，對(duì)新建建筑物采用抗變形建筑技術(shù)，以確保新建建筑物的安全和正常使用。

對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿處理，是在采煤塌陷區(qū)上方進(jìn)行安全建筑的一種有效手段。但對(duì)于淺部厚煤層采空區(qū)，尤其是采用非正規(guī)采煤方法，如何進(jìn)行采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，如何保證采空區(qū)注漿處理的質(zhì)量，并采用合理的抗變形建筑技術(shù)，仍是需要探討的技術(shù)難題。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

寺河礦二號(hào)井新征場(chǎng)地位于山西省晉城市澤州縣川底鄉(xiāng)，擬建建筑物最大高度11層，約36 m。該區(qū)域地勢(shì)平坦，地面標(biāo)高為+788 m左右，均為第四系黃土所覆蓋。項(xiàng)目區(qū)建筑物布置與井下開(kāi)采示意圖如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目區(qū)建筑物布置與井下開(kāi)采示意圖

因該區(qū)域開(kāi)采時(shí)間已久，且主要為小煤窯開(kāi)采，缺少詳實(shí)的采煤資料，具體的采寬留寬數(shù)據(jù)并不知曉，由已知的技術(shù)資料了解到該區(qū)域主要開(kāi)采了山西組3#煤層，煤層厚度為6.0 m，實(shí)際的煤層開(kāi)采厚度為3.0 m。根據(jù)鉆孔資料，該區(qū)域第四紀(jì)表土層厚14.8 m，其下主要由中砂巖、泥巖、細(xì)砂巖等組成，整個(gè)覆巖巖性屬于中硬偏硬。

本區(qū)處于抗震設(shè)防烈度為6度區(qū)。項(xiàng)目區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，未見(jiàn)大的地質(zhì)構(gòu)造，地表不會(huì)因地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生異常移動(dòng)和集中變形。

2 采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

由于新建建筑物的荷載向地下有一定影響深度，當(dāng)這個(gè)深度與地下采空區(qū)的垮落裂縫帶相交疊時(shí)，就會(huì)破壞垮落裂縫帶業(yè)已平衡的狀態(tài)，而使覆巖重新發(fā)生較大的移動(dòng)變形[1-3]。

2.1 覆巖破壞高度計(jì)算

根據(jù)開(kāi)采煤層的角度、煤層厚度、煤層的傾角、開(kāi)采尺寸、開(kāi)采方法及上覆巖層的巖性等，確定垮落裂縫帶的發(fā)育高度，同時(shí)根據(jù)《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)范》，該項(xiàng)目覆巖巖性為中硬偏硬，選取計(jì)算公式如下[4]：

(1)

式中，∑M為煤層的累計(jì)采厚，m。

由礦方提供的資料可知，最小采深為81 m，開(kāi)采3#煤層，有效采厚為3.0 m。經(jīng)計(jì)算，煤層開(kāi)采后，垮落裂縫帶的發(fā)育高度為54 m。所以，其垮落斷裂帶的頂界面距地表的垂直距離為27 m。

2.2 建筑物荷載影響深度計(jì)算

根據(jù)研究，當(dāng)建筑物下方有高壓縮性土或別的不穩(wěn)定性因素，如采空區(qū)垮落斷裂帶時(shí)，計(jì)算附加應(yīng)力至地基自重應(yīng)力10%位置處，即可認(rèn)為附加應(yīng)力對(duì)該深度處的地基不會(huì)產(chǎn)生多大影響。該深度即為建筑物荷載影響深度[5]。

擬建項(xiàng)目區(qū)建筑物按長(zhǎng)100 m、寬24 m進(jìn)行計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)層高按3 m考慮，基底埋深3 m，建筑物的荷載為18 kN/m2(系單層建筑面積荷載大小)，擬建層數(shù)考慮為8、9、10、11四種情況。計(jì)算結(jié)果如表1所示，建設(shè)8、9、10、11層樓房的荷載影響深度(H影)分別為32 m、33 m、35 m、36 m。

表1 樓房建筑荷載影響深度計(jì)算表

2.3 采空區(qū)地基穩(wěn)定性

對(duì)于倉(cāng)房式開(kāi)采，回采率低，殘留煤柱較多，隨著時(shí)間的推移，在建筑物荷載影響、采空區(qū)充水條件變化、地震影響等條件下，殘留的煤柱有可能失去有效支承，導(dǎo)致地表發(fā)生滯后下沉或破壞。

當(dāng)最小采深(H臨)大于垮落斷裂帶高度(H裂)與建筑荷載影響深度(H影)兩者之和時(shí)，采空區(qū)垮落斷裂帶不再因新加建筑荷載擾動(dòng)而重新移動(dòng)[2]，即：

H臨>H裂+H影

(2)

計(jì)算可知，H裂=54 m，擬建8、9、10、11層樓房的荷載影響深度(H影)分別為32 m、33 m、35 m、36 m，兩者之和分別為86 m、87 m、89 m、90 m，擬建區(qū)域內(nèi)煤層最小采深為81 m，即擬建8～11層建筑物的建筑荷載很有可能對(duì)采空區(qū)產(chǎn)生活化影響，導(dǎo)致地表產(chǎn)生比較大的不均勻沉降。

為此，為保證新建建筑物的安全，必須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿加固處理，并對(duì)建筑物采取抗變形技術(shù)措施。

3 采空區(qū)注漿處理

3.1 采空區(qū)注漿加固處理

3.1.1 注漿處理設(shè)計(jì)

為了確保新建建筑物的安全，建筑場(chǎng)地外51 m范圍內(nèi)均要求對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿處理。注漿范圍的確定：圍護(hù)帶取10 m，松散層移動(dòng)角取45°，基巖移動(dòng)角取70°，開(kāi)采深度平均取85 m，按留設(shè)保護(hù)煤柱的方法進(jìn)行劃定。

注漿鉆孔間距取12～15 m，漿液主要由粉煤灰、水泥及少量細(xì)骨料組成，注漿施工時(shí)需先注帷幕，確保漿液不會(huì)流失到需要處理的場(chǎng)地以外的區(qū)域，同時(shí)，在需要時(shí)加入一定量的速凝劑。注漿施工時(shí)，要求對(duì)漿液留樣，檢測(cè)注漿結(jié)石體強(qiáng)度，一般要求其兩個(gè)月后的單向抗壓強(qiáng)度不得低于0.5 MPa[6-8]。

此外，在注漿過(guò)程中，必要時(shí)需要加壓注漿，目的是為了提高充填率，一般加壓的孔口壓力為1.5 MPa以上。

3.1.2 注漿工藝

注漿鉆孔開(kāi)孔Φ146 mm，鉆進(jìn)到基巖完整段下Φ127孔口管，用水泥砂漿固管，然后用Φ108打到3#煤底板位置。采用Φ50 mm注漿管，其下部為20 m長(zhǎng)花管出漿。

注漿材料選用水：水泥：粉煤灰的重量比為1：0.7：0.4～1.0，水固比1：0.9～1.5。細(xì)骨料選用小碴，直徑不大于10 mm。

帷幕孔施工要求隔孔灌注，靜注為主，同時(shí)加入一定量的速凝劑，注漿時(shí)觀察孔口壓力，當(dāng)壓力滿足0.5 MPa時(shí)，選擇注入水灰重量比為1：2的水泥漿，要求加壓注漿，需將孔口壓力控制在1.5 MPa，穩(wěn)定泵量小于30 L/min，持續(xù)30 min以上方可完成。

整個(gè)工程共施工注漿鉆孔181個(gè)，注漿量120 177 m3，投入石屑1 949 m3。

3.2 采空區(qū)注漿效果檢測(cè)

檢測(cè)工作主要采用鉆探方法，其檢測(cè)孔的布置主要考慮建筑物的位置和采空區(qū)注漿孔的位置及注漿量。整個(gè)場(chǎng)地共布設(shè)檢測(cè)孔6個(gè)，采取試樣42件。

檢測(cè)孔鉆孔用Φ127 mm鉆頭開(kāi)孔，Φ91 mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆至煤層底板下0.5 m處終孔。施鉆中要求清水鉆進(jìn)，全部取芯，并詳細(xì)記錄循環(huán)液的漏失情況、上下鉆水位和卡鉆、掉鉆等異常現(xiàn)象。每孔完成后，先用清水洗孔再做注水試驗(yàn)，觀測(cè)時(shí)間不少于30 min，計(jì)算單壓漏失量等。對(duì)保留的巖石樣，要進(jìn)行室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試[7-9]。

檢測(cè)結(jié)果表明，6個(gè)檢測(cè)孔中有4個(gè)鉆孔揭露了注漿體，有4個(gè)鉆孔出現(xiàn)注水不滿現(xiàn)象，注漿體單軸抗壓強(qiáng)度為2.86～5.72 MPa，注漿效果比較明顯，基本達(dá)到了治理的目的，但新建建筑物必須采取抗變形技術(shù)措施。

4 地表殘余沉陷變形計(jì)算

新征場(chǎng)地雖然采取了采空區(qū)注漿處理，但由于煤層厚度大，采煤方法為倉(cāng)房式開(kāi)采，且注漿液本身有一定的結(jié)實(shí)率，因此，對(duì)采空區(qū)不可能完全注滿，地表仍將會(huì)有一定的殘余沉陷變形發(fā)生。所以，在采空區(qū)地表新建建(構(gòu))筑物時(shí)，必須要考慮注漿施工后地表存在的殘余沉陷變形帶來(lái)的影響。

地表沉陷變形計(jì)算方法采用我國(guó)常用的概率積分法。根據(jù)晉城礦區(qū)巖移的實(shí)測(cè)參數(shù)，同時(shí)結(jié)合該場(chǎng)地的地質(zhì)采礦條件，選取的計(jì)算參數(shù)如表2所示[10-11]。

表2 選取的計(jì)算參數(shù)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，求得了該區(qū)域的地表殘余沉陷變形值，如表3所示。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，該項(xiàng)目區(qū)將處于Ⅰ級(jí)沉陷變形影響范圍內(nèi)?？紤]到該區(qū)域采煤方法比較復(fù)雜，為安全起見(jiàn)，建議擬建區(qū)全部按Ⅱ級(jí)采動(dòng)影響對(duì)新建建筑物進(jìn)行保護(hù)。

表3 擬建區(qū)地表殘余沉陷變形值

5 建筑物抗變形技術(shù)措施

新建建筑物抗變形結(jié)構(gòu)技術(shù)措施包括吸收地表沉陷變形的柔性措施和抵抗地表沉陷變形的剛性措施[10-12]。

(1)設(shè)置變形縫

要求建筑物單體長(zhǎng)度不大于30 m，大于30 m時(shí)留設(shè)變形縫。如：?jiǎn)紊砉情L(zhǎng)89.2 m，寬21.4 m，在橫軸方向共設(shè)置了兩道變形縫，縫凈寬100 mm，使橫軸方向分割成三個(gè)長(zhǎng)度不大于30 m的單體，降低了因地表變形在橫軸方向上產(chǎn)生的應(yīng)力集中造成建筑物破壞的可能性。

(2)基礎(chǔ)

該場(chǎng)地建設(shè)前需對(duì)地基進(jìn)行處理，處理目的主要是為了保證場(chǎng)地基礎(chǔ)的密實(shí)度，提供地基的承載能力。在施工設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)采用筏板基礎(chǔ)，同時(shí)增設(shè)了基礎(chǔ)滑動(dòng)層?；瑒?dòng)層位于基礎(chǔ)與素混凝土墊層之間。

(3)上部結(jié)構(gòu)

相應(yīng)增大建筑物上部結(jié)構(gòu)剛度。如：?jiǎn)紊砉遣捎眉袅Y(jié)構(gòu)，地下一層，地上十層，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總高度31.5 m。增大了處于邊緣及結(jié)構(gòu)薄弱處的圈梁、過(guò)梁、構(gòu)造柱等構(gòu)件的數(shù)量、配筋量及斷面尺寸，樓、屋面采用整體現(xiàn)澆，并與墻壁的鋼筋砼圈梁連為一體。

(4)管道

管道采用地面敷設(shè)和架空，支座改為鉸支座，并設(shè)置補(bǔ)償器，以吸收地表變形引起的管道拉伸和壓縮。預(yù)留管道穿墻孔洞，要求預(yù)留的孔洞較大，確保管道與墻壁可以相對(duì)移動(dòng)，同時(shí)在必要位置的管道增加柔性接頭，確保管道的正常連接。

新征場(chǎng)地內(nèi)單身公寓樓、后勤服務(wù)中心等建筑物已于2014年底建設(shè)完成，一直保持完好和正常使用。

6 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合寺河二號(hào)井新征場(chǎng)地區(qū)域地質(zhì)采礦條件，針對(duì)厚煤層倉(cāng)房式開(kāi)采的特點(diǎn)，進(jìn)行了采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，提出了相應(yīng)的采空區(qū)注漿治理和檢測(cè)方案，并進(jìn)行了工程實(shí)施，根據(jù)計(jì)算的地表殘余沉陷變形值，對(duì)新建建筑物采取了對(duì)應(yīng)的抗變形結(jié)構(gòu)技術(shù)措施，新建建筑物自建成以后未出現(xiàn)任何安全問(wèn)題。