厚煤區(qū)采動影響下電視信號塔調(diào)平糾偏技術(shù)應(yīng)用研究

尚政杰

(1.河南理工大學(xué) 安全工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.鄭煤集團白坪煤業(yè)有限公司，河南 鄭州 450007)

我國地下煤礦可開采量占總儲量的比重約為85%～90%，地下煤炭資源開采后，巖層在重力作用下產(chǎn)生移動和變形，引起地表塌陷，并對地面建(構(gòu))筑物造成損傷，不但破壞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，還會給煤炭企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟賠償負擔[1，2]。為最大限度地解放地面建(構(gòu))筑物下壓煤，提高資源回收率，有效保護地表建(構(gòu))筑物，需要在研究煤礦巖層與地表移動規(guī)律的基礎(chǔ)上，開展采動影響分析及保護技術(shù)的研究。

國內(nèi)學(xué)者通過研究井下開采引起地表下沉、傾斜和水平移動對構(gòu)筑物的影響規(guī)律，提出了多種高壓供電線鐵塔變形控制和安全防護措施，鄭彬[2]等選用限定開采厚度和勻速推進相結(jié)合的開采方法，在保證高壓供電鐵塔安全運行的前提下成功開采放頂煤工作面；鄭志剛[3]采用條帶開采和留設(shè)煤柱相結(jié)合的開采方案，建立地表巖移觀測站，對高壓線路定期維護，保障了高壓線路安全運行；劉文生[4]等將覆巖離層注漿技術(shù)應(yīng)用于濟寧三號礦區(qū)高壓供電線路下采煤，提高了礦井煤炭資源回采率；趙海林[5]采用可調(diào)基礎(chǔ)加固技術(shù)和板式平臺糾偏技術(shù)，對不同的地質(zhì)條件和保護等級的輸電線塔采用了不同的保護措施；張建強[6]針對采空區(qū)輸電鐵塔基礎(chǔ)變形對線路的損壞類型，應(yīng)用了連續(xù)可調(diào)聯(lián)體梁基礎(chǔ)變換等措施，降低煤礦開采對高壓線塔破壞影響。上述研究表明，采用限采高、留煤柱[7]或注漿減沉技術(shù)有助減輕地面構(gòu)筑物變形破壞，高壓供電線塔采用基礎(chǔ)加固和糾偏技術(shù)可以保證采動影響下線塔安全使用。廣播電視信號鐵塔屬于獨立結(jié)構(gòu)，無鄰近高壓輸送線牽拉，廣播電視信號鐵塔對地表移動變形敏感性較強，目前國內(nèi)對廣播電視信號塔下采煤方面工程實例較少。白坪煤業(yè)公司13031工作面煤厚變化區(qū)域地表建設(shè)有高度55 m廣播電視信號鐵塔(以下簡稱信號鐵塔)，為保證信號鐵塔連續(xù)安全運行并最大限度提高采煤工作面資源采出率，試驗應(yīng)用了鐵塔基礎(chǔ)注漿加固和動態(tài)調(diào)平糾偏技術(shù)后，地表變形活躍期信號鐵塔基礎(chǔ)傾斜度均小于5 mm/m，實現(xiàn)了信號鐵塔連續(xù)安全運行，研究成果對類似地質(zhì)條件下地面獨立信號鐵塔保護、提高煤炭資源采出率等均具有一定指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 礦井概況

鄭煤集團白坪煤業(yè)公司位于河南省登封市白坪鎮(zhèn)境內(nèi)，井田位于嵩箕山區(qū)中段南部，地表屬構(gòu)造剝蝕低山丘陵區(qū)，地面標高+344.5～+721.5 m，井田走向長10 km，傾斜長2～4 km，面積18 km2，礦井核定生產(chǎn)能力1.80 Mt/a，主采二疊系山西組二1煤層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為中等，瓦斯地質(zhì)類型為極復(fù)雜類型，煤與瓦斯突出礦井。

13031工作面位于井田東部，北鄰13071、13051工作面采空區(qū)，東至礦井東部井田邊界保護煤柱，西至13采區(qū)軌道、膠帶、回風(fēng)上山，南為礦井井田邊界保護煤柱，13031工作面對應(yīng)地表為受風(fēng)化剝蝕的山區(qū)，地面多被植被和灌木覆蓋，地面對應(yīng)范圍無村莊?；夭煞秶?煤層賦存不穩(wěn)定，煤層厚度變化較大，煤厚0～18.9 m，傾角8°～12°，煤層底板標高-30～+30 m，地面標高+510.1～+721.5 m，埋深515～753 m。采用綜采低位放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。工作面類似“刀把型”布局，其中里段走向長約801 m，傾斜長192～369 m，外段走向長619 m，傾斜長294～328 m，中、下部巷道為進風(fēng)巷，上部巷道為回風(fēng)巷，13031工作面巷道布置如圖1所示。

1.2 信號鐵塔情況

13031綜采工作面地表在114011地質(zhì)勘探鉆孔附近存在廣播電視信號站等建(構(gòu))筑物，廣播電視信號站與工作面相對位置如圖1所示。信號鐵塔對應(yīng)井下位置周圍100 m平均煤層厚度3.8 m，采用低位放頂煤工藝一次采放煤層全厚。廣播電視信號鐵塔為鋼桁架結(jié)構(gòu)，由鐵塔、基礎(chǔ)以及附屬連接件等組成，鐵塔鋼桁架四角建于四個獨立基礎(chǔ)支墩上，鐵塔支墩間距8 m×8 m，按照逆時針將各塔基編號為tj1、tj2、tj3和tj4，基礎(chǔ)支墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為100 cm(長)×80 cm(寬)×100 cm(高)，基礎(chǔ)支墩下部為半徑220 cm圓形獨立混凝土挖孔樁基，樁基深度18 m，終孔為穩(wěn)定平頂山砂巖。四個基礎(chǔ)支墩下部由4根地梁連接，地梁位于圓形基礎(chǔ)頂部、基礎(chǔ)墩下部，截面為30 cm×55 cm，鐵塔高度約55 m。

煤層開采形成的采空區(qū)造成鐵塔基礎(chǔ)不均勻沉陷和傾斜，基礎(chǔ)不均勻下沉將引起鐵塔桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，當附加應(yīng)力大于材料的許可應(yīng)力時，鐵塔結(jié)構(gòu)就會發(fā)生破壞或者傾斜甚至倒塌[8]。為保證廣播電視鐵塔基礎(chǔ)不均勻沉陷時不發(fā)生破壞或傾斜，對鐵塔地基應(yīng)用注漿加固和動態(tài)調(diào)平技術(shù)。

2 保護加固技術(shù)措施

2.1 地基注漿加固

為提高電視塔地基的整體性，減輕水平應(yīng)力對電視塔基礎(chǔ)及鋼結(jié)構(gòu)的影響，采取地基精準注漿加固措施保護信號鐵塔。在工作面采動影響至信號鐵塔基礎(chǔ)時，對信號鐵塔地基(基礎(chǔ)內(nèi)部與基礎(chǔ)周邊)進行滲透注漿加固[9]。信號鐵塔地基位于地表裸露基巖內(nèi)，對基礎(chǔ)內(nèi)及其周邊的破碎基巖注漿，一方面可改變地基巖土力學(xué)性質(zhì)，提高地基強度；另一方面充填地基原有空隙與空洞，基礎(chǔ)地基受采動影響移動下沉?xí)r，水泥漿漿液進入破碎基礎(chǔ)空隙、空洞將起到補償?shù)乇硐鲁痢⒆冃巫饔肹10]。通過注漿泵、注漿管，將水泥漿液注入信號鐵塔基礎(chǔ)巖體裂隙中，通過滲透、充填、壓密擴展形成漿脈。漿液固化后膠結(jié)巖體裂隙，同時裂隙內(nèi)的漿液形成的結(jié)石體對其上覆地層形成支撐作用[11]，阻止上覆地層的進一步下沉，提高地基的承載力。信號鐵塔樁基構(gòu)筑在厚層狀中、粗粒長石石英砂巖(石千峰組平項山砂巖，平均厚度69 m)。平頂山砂巖滲透系數(shù)小、風(fēng)化裂隙不發(fā)育，水泥漿液擴散半徑小，采取淺孔(2 m)注入水泥漿液方式膠結(jié)巖體裂隙，提高基礎(chǔ)周圍地層整體強度，注漿鉆孔布置方式如圖2所示。

圖2 廣播電視信號塔基礎(chǔ)注漿加固鉆孔布置(mm)Fig.2 Arrangement of holes for the TV foundation grouting reinforcement

注漿工藝方案：設(shè)計施工33個注漿孔，鉆孔間距2000 mm，鉆孔深度2000 mm，采用規(guī)格?32×3 mm、材質(zhì)Q235鋼管樁，漿液材料為P.O 32.5水泥。首先開挖平整鐵塔基礎(chǔ)土方，挖基礎(chǔ)土方至原地平線下100 cm；根據(jù)注漿鋼管樁布設(shè)參數(shù)放線定位注漿孔；采用鑿巖機施工孔深2.0 m，直徑42 mm注漿孔；鋼管樁單樁長2.0 m，將鋼管樁插入注漿孔；注漿鋼管樁端部做成錐形，鋼管樁下部1.0 m范圍側(cè)邊每25 cm布置一個孔徑15 mm出漿孔；連接注漿泵對鋼管樁進行注漿，漿液水灰比1∶2，單孔注漿水泥用量0.3～0.5 t，單樁注漿量達到要求后，保持壓力穩(wěn)定5 min。

2.2 鐵塔動態(tài)調(diào)平

地表傾斜變形和水平變形造成塔基不均勻沉降和水平位移不一致[12]，使鐵塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，當構(gòu)件附加應(yīng)力超過其材料強度極限時，鐵塔發(fā)生變形并進一步演變?yōu)殍F塔傾覆[13]。13031工作面地表信號鐵塔基礎(chǔ)為地梁連接四個支墩的聯(lián)合基礎(chǔ)，聯(lián)合基礎(chǔ)鐵塔受到地表水平變形引起的附加應(yīng)力較小，聯(lián)合基礎(chǔ)鐵塔安全威脅的主要因素是塔基傾斜變形。地表不均勻沉降[14]，鐵塔四角各塔基下沉wA≠wB≠wC≠wD時，將產(chǎn)生傾斜變形并帶動上部塔架發(fā)生變形[15]，如圖3所示。通過對鐵塔基礎(chǔ)進行技術(shù)改造，增設(shè)塔基高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將原本固定的鐵塔基礎(chǔ)改造為可調(diào)式基礎(chǔ)。當鐵塔基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時，通過塔基高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制各塔基的高度，使各塔基高程動態(tài)地維持在一個水平面上，從而減小塔基不均勻下沉程度，降低塔基傾斜變形，保障鐵塔的安全運行[16]。

地表下沉值w1

在四個鐵塔腳部植入絲桿，絲杠植入在混凝土基礎(chǔ)中能承受強大的豎向荷載；在鐵塔根部焊接鋼板，配合絲桿調(diào)節(jié)鐵塔鋼結(jié)構(gòu)四個基礎(chǔ)的水平；焊接在鐵塔根部的鋼板及絲杠上的高強螺母能為鐵塔提供豎向支撐力，同時還可以承受鐵塔塔身受到大風(fēng)產(chǎn)生側(cè)向力后引起的鐵塔腳部的拉力。通過調(diào)節(jié)螺母高度來調(diào)整鋼板的高度，調(diào)節(jié)鐵塔任意一個鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的相對高程，對鐵塔總體調(diào)平。

調(diào)平工藝方案：首先在鐵塔腳部支架連接板上方400 mm位置焊接25 mm厚的方形鋼板(鋼板尺寸不小于760 mm×620 mm，部分多余角部可適當裁切)，鋼板須裁切成兩部分對接在鐵塔上安裝，鋼板下方與鐵架連接處增加斜撐，使鋼板與塔架形成一體；焊接完成后可切割直徑54 mm絲桿孔，孔洞距鋼板邊緣為30 mm。在每個混凝土基礎(chǔ)植入3根直徑50 mm、長度1000 mm的高強絲杠，絲杠下端緊挨五角形底板布置。在混凝土基礎(chǔ)上施工鉆孔，絲桿錨入基礎(chǔ)深度500 mm，錨固力>20 t，基礎(chǔ)上方外露500 mm，穿過方形鋼板上的絲桿孔洞并且上下用螺母固定，下方布置兩個高強螺母承受鐵板上部荷載，螺母與鋼板之間加入墊片能起到防滑和消除間隙的作用，鐵塔基礎(chǔ)動態(tài)調(diào)平裝置如圖4所示。

圖4 鐵塔鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)調(diào)節(jié)裝置Fig.4 Schematic diagram of the TV signal tower foundation adjustment device

根據(jù)工作面回采進度，使用全站儀、水平儀等定期監(jiān)測鐵塔基礎(chǔ)觀測點高程和坐標，當四個鐵塔基礎(chǔ)不均勻沉降使基礎(chǔ)傾斜度超過或接近5 mm/m，及時使用鐵塔鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)調(diào)節(jié)裝置對信號鐵塔整體調(diào)平。調(diào)平時，首先使用松動劑暫時松開需要調(diào)整的原塔架腳部鋼板與支墩連接的螺絲，利用千斤頂頂住方形鋼板，下方放置在支墩上，調(diào)節(jié)千斤頂高度，使鐵塔腳部能平穩(wěn)上升。調(diào)整平衡后，擰緊鋼板下方兩個螺母以及鋼板上方一個螺母，在原塔架腳部鋼板與支墩之間的縫隙中塞入墊鐵，擰緊固定螺母，保證塔架高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足上部鐵塔垂直承載力及抵抗風(fēng)荷等側(cè)向載荷的受力要求，固定完成后緩慢撤去千斤頂。

3 保護加固效果

3.1 變形數(shù)據(jù)觀測

沿工作面推進方向沿廣播電視鐵塔及周邊建筑物布設(shè)近走向觀測線，長度258 m，設(shè)置25個觀測點；在廣播電視鐵塔1—4號基礎(chǔ)處分別布設(shè)四個長期觀測點tj1、tj2、tj3和tj4，觀測站布置如圖1所示。選用全站儀、水平儀和RTK技術(shù)定期對觀測點聯(lián)合測量，數(shù)據(jù)相互校核，確保觀測數(shù)據(jù)的準確性。

3.2 塔基沉降變化特征

13031工作面上方的廣播電視鐵塔為聯(lián)合基礎(chǔ)，主要對廣播電視鐵塔基礎(chǔ)觀測點的移動變形特征進行分析。塔基處的高程值以RTK測量為主，水平儀測量輔助檢校[17]，歷次現(xiàn)場實測各塔基高程見表1。

表1 13031工作面廣播電視信號塔實測塔基高程 mTable 1 Elevation variation of the TV signal tower above the 13031 coal face

根據(jù)表1觀測數(shù)據(jù)，計算歷次測量時電視信號鐵塔基礎(chǔ)的移動變形值(見表2)，繪制出不同時期鐵塔各塔基下沉曲線，如圖5所示。

表2 電視信號鐵塔基礎(chǔ)移動變形值Table 2 Movement deformation value of the TV signal tower foundation

圖5 不同時期鐵塔基礎(chǔ)下沉曲線Fig.5 Subsidence curve of the TV signal tower foundation in different periods

圖5表明，13031工作面推進位置距離鐵塔中心大于250 m，鐵塔基礎(chǔ)整體下沉量約0 mm，說明采動影響尚未波及信號鐵塔；工作面回采位置距離鐵塔中心197 m，信號鐵塔四個基礎(chǔ)觀測點高程發(fā)生變化，整體下沉量為1.8 mm，1—4號塔基高程關(guān)系為h1>h2>h3>h4，說明鐵塔基礎(chǔ)進入工作面采動影響范圍，期間對塔基附近區(qū)域巖體采取注漿加固措施。工作面與鐵塔中心距離小于200 m后，鐵塔基礎(chǔ)出現(xiàn)較明顯下沉，并隨著工作面的推進呈現(xiàn)臺階狀的整體下沉趨勢。

3.3 塔基傾斜變化特征

根據(jù)表1觀測數(shù)據(jù)，按照式(1)計算工作面距離鐵塔中心不同位置塔基傾斜度[18]，不同時期信號鐵塔基礎(chǔ)傾斜度計算值見表2。由表2可知，在工作面與鐵塔中心距離小于200 m，直至工作面推過鐵塔58 m期間，塔基傾斜度在0.6～3.7 mm/m范圍變化，均小于電視鐵塔允許的極限傾斜變形值。

式中，i為塔基傾斜變形，mm/m；wm為塔基支墩最大下沉值，mm；wn為塔基支墩最小下沉值，mm，dmn為最大下沉塔基支墩與最小下沉塔基支墩之間水平距離，m。

工作面推過電視信號鐵塔中心約82 m，塔基傾斜度陡增，傾斜變形達到4.9 mm/m，4個塔基高程關(guān)系為h4>h1>h2>h3，1—4號塔基累計下沉量分別為404.4、390.8、393.9、348.2 mm，并對塔基進行了第一次調(diào)平作業(yè)。工作面推過廣播電視信號鐵塔181 m，基礎(chǔ)傾斜變形達到4.0 mm/m，其變形接近極限傾斜變形值，對廣播電視信號鐵塔基礎(chǔ)進行了第二次調(diào)平作業(yè)。工作面推過廣播電視信號塔250 m，1—4號塔基最大相對高差2 mm，傾斜變形0.25 mm/m，說明地表移動變形向衰退期過渡。

4 結(jié) 論

1)工作面采動影響至廣播電視信號塔基礎(chǔ)時，采取滲透注漿方式有助于增加單孔注漿量，提高地基強度，減小基礎(chǔ)周圍地表移動變形不均性。

2)通過對信號鐵塔四角基礎(chǔ)鋼板焊接、絲杠植入、腳板下墊鐵等措施改造鐵塔四個基礎(chǔ)高度可調(diào)，調(diào)平裝置具體抵抗側(cè)向應(yīng)力能力。在信號鐵塔基礎(chǔ)傾斜度大于5 mm/m前采取動態(tài)調(diào)平措施可以保證塔身的垂直性和穩(wěn)定性。

3)工作面距鐵塔中心距離小于200 m，鐵塔基礎(chǔ)出現(xiàn)較明顯下沉，隨著工作面推進呈現(xiàn)臺階狀的整體下沉趨勢；工作面推過鐵塔中心大于250 m，下沉速率小于1.7 mm/d，鐵塔周圍地表移動變形進入衰退期。

4)工作面距鐵塔中心距離小于200 m，塔基傾斜度達到3.7 mm/m，推過鐵塔中心大于181 m，塔基傾斜度達到4.0 mm/m。工作面距電視信號鐵塔中心-200～+180 m范圍，塔基傾斜度處于安全威脅區(qū)間，需要加大觀測頻次，并及時采取調(diào)平鐵塔基礎(chǔ)措施。