馮樹國,王 睿,王柏林

(1.開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司,河北唐山 063108;2.中國礦業(yè)大學(xué) (北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083)

公路橋下放頂煤開采注漿減沉技術(shù)

馮樹國1,王 睿2,王柏林1

(1.開灤能源化工股份有限公司范各莊礦業(yè)分公司,河北唐山 063108;2.中國礦業(yè)大學(xué) (北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京 100083)

以開灤礦區(qū)范各莊礦的注漿減緩地表沉降技術(shù)實(shí)踐為實(shí)例,利用廢棄粉煤灰作為充填材料,對沙河公路橋下放頂煤開采后產(chǎn)生的冒落帶、裂縫帶、離層帶及時(shí)進(jìn)行注漿充填,對注漿層位、鉆孔位置及注漿鉆孔結(jié)構(gòu)、注漿系統(tǒng)的建立以及地表沉陷監(jiān)測等進(jìn)行了全面的論述,認(rèn)為注漿減緩地表沉降效果顯著,地表最大下沉僅 1.75m,減沉率為 58.25%,有效地保護(hù)了橋梁。

橋下采煤;注漿減沉;地表沉陷

Technology of Reduc ing Subsidence with Grout ing in Cav ing Top-coal under Highway Bridge

開灤范各莊礦井田位于河北省唐山市古冶區(qū)管轄境內(nèi),是一座年產(chǎn) 4.5Mt的現(xiàn)代化特大型礦井。目前該礦正對礦區(qū)內(nèi) 2水平 2180區(qū)的 7,8煤層合區(qū) (有效采厚 6.5m左右)進(jìn)行輕型綜放開采,采8煤層厚度 2.2m,放上部 7煤層厚度 4.0m,設(shè)計(jì)采出率 85%[1]。

沙河公路橋位于范各莊礦西北部的 2180采區(qū)上方,距礦區(qū)工業(yè)廣場以北約 400m,僅 7,8兩個(gè)煤層公路橋梁煤柱壓煤儲量就約 2.0Mt。為最大限度的將地下煤炭資源采出,提高資源采出率,探索“三下”采煤技術(shù),礦井在原有開采技術(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采用地面減沉注漿技術(shù),即利用粉煤灰對該區(qū)域沖積層、離層帶、冒落裂縫帶注漿,以減小或改善地表下沉程度,完成公路橋正下方 2180(6-1)輕放工作面的開采,保護(hù)了地表橋梁安全。

1 公路橋下工作面開采對橋梁影響程度評價(jià)

在公路壓煤范圍,平行橋梁布置了 5個(gè)回采工作面,即公路橋下 2180 (5), (6), (6-1),(7),(8)。各工作面均采用輕型放頂煤技術(shù)開采。

為了評價(jià)各工作面對地面建、構(gòu)筑物和橋梁的采動影響程度,采用國內(nèi)普遍應(yīng)用的概率積分法進(jìn)行預(yù)計(jì)。根據(jù)地表移動變形預(yù)計(jì)結(jié)果[2],橋下 5個(gè)工作面即 2180(5,6,7,8)和 2180(6-1)全采后,公路橋縱向 (順橋 s方向)和橫向 (垂直 t縱向)的最大移動變形值列于表 1。

分析得知,采后公路橋下沉 4187mm,下沉后橋面將低于平時(shí)橋下流水的水面標(biāo)高 (+25.7m);縱向水平壓縮變形若按 7.64mm/m計(jì),全橋長156m,總壓縮量達(dá) 1191.8mm,全橋以橋兩端向中心壓縮,壓縮量為 989+103=1092mm,這個(gè)壓縮量大大超過了蓋梁上梁的間隙,導(dǎo)致橋的梁板被擠壓損壞,還會造成樁柱式橋墩的損壞。

表1 全采后橋梁縱向與橫向最大移動變形值

2 注漿系統(tǒng)的建立

2.1 減沉注漿鉆孔的布置

公路橋下 2180(6-1)輕放工作面開采期間,減沉注漿工程共設(shè)計(jì) 4個(gè)注漿孔：注 1孔位于2180(6)工作面采空區(qū)上方,沙河公路橋北側(cè)距離南橋頭 50m位置;注 2孔位于 2180(7)工作面采空區(qū)上方,沙河公路橋南側(cè)距離南橋頭 80m位置;注 3孔位于 2180(6-1)工作面上方,緊靠公路橋南橋頭北側(cè);注 4孔位于 2180(6-1)工作面上方,原設(shè)計(jì)位置位于沙河橋北橋頭南側(cè) 10m位置,在鉆孔施工過程中,受其他鉆孔注漿的影響,造成沖積層段嚴(yán)重塌孔無法施工,又沿公路向西北方向平移了 45m。

各鉆孔均先期施工到距離煤層 140m位置,然后開始離層帶充填注漿,達(dá)到注漿設(shè)計(jì)要求后,將鉆孔延深到采空區(qū),對采空區(qū)及上部裂縫帶進(jìn)行充填注漿。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆孔施工情況

為保證后續(xù)裂縫帶、冒落帶注漿時(shí)鉆孔的延深,各個(gè)鉆孔在穿過沖積層段后下 φ168mm套管封注好后,均采用 φ142mm裸孔施工到目的層位。

各鉆孔結(jié)構(gòu)及施工情況如下：

注 1孔 位于 2180(6)工作面上方離層帶,距切眼西側(cè)約 200m,下運(yùn)輸巷往上山方向約 8m。鉆孔結(jié)構(gòu)：0～115.23m使用 φ168mm套管,115.23～331.84m為裸孔,孔徑 142mm。

注 2孔 在 2180(7)工作面上方離層帶,距切眼西側(cè)約 100m,回風(fēng)巷往下山方向約 10m。鉆孔結(jié)構(gòu)：0～115.23m使用 φ168mm套管,115m～330m為裸孔,孔徑 142mm。后期延深至采空區(qū),終孔深度 447m。

注 3孔 位于 2180(6-1)工作面上方離層帶,距切眼西側(cè)約 134m,回風(fēng)巷往下山方向約50m。鉆孔結(jié)構(gòu)：0～115m使用 φ168mm套管,115m～331.28m為 φ142mm裸孔。

注 4孔 位于 2180(6-1)工作面上方離層帶,距切眼西側(cè)約 302m,運(yùn)輸巷往上山方向約40m。鉆孔結(jié)構(gòu)：0～115m使用 φ219mm和φ168mm雙層套管,115～330m為 φ142mm裸孔。

2.3 其他系統(tǒng)的建立

注漿站安設(shè)有石家莊煤機(jī)廠產(chǎn) TBW-1200/7B中壓泵 4臺和 TBW-850/50中壓泵 1臺,泵輸總能力 339m3/h。注漿站與鉆孔間鋪設(shè) 4趟 φ104mm輸漿管路。安裝 2臺攪拌機(jī)。

由電廠排灰場北側(cè)配電站、鋪設(shè) 6000V高壓電纜到注漿站場地廂式變壓器供電,在注漿站安設(shè)1臺 500kW變電箱。

由于是采空區(qū)內(nèi)注漿,可以實(shí)現(xiàn)負(fù)壓注漿,可適當(dāng)加大漿液的濃度,或添加少量密度較大的沙或者粉碎的矸石。隨著注入粉煤灰量的增加,孔內(nèi)壓力將會逐漸升高,達(dá)到 5.0MPa,停止注漿。為增加注入粉煤灰抗壓強(qiáng)度,后期可以加注一定濃度的水泥漿[3]。

所注粉煤灰的物理參數(shù)如下：

干灰密度 (視密度)γ干=1.86t/m3;飽和灰密度γ飽=1.55t/m3;飽和灰含水量 Cw飽=23.3%;飽和灰壓實(shí)密度γ壓=1.65t/m3;飽和壓實(shí)灰含水量 Cw壓=14.8%。

3 橋梁變形觀測

自 2003年 7月,在 2180采區(qū)各工作面回采前,沙河橋上布置測量點(diǎn) 7個(gè),觀測周期為每周 1次。觀測內(nèi)容包括橋梁下沉和橋梁拉伸變形值。

2180(6-1)工作面走向長 660.5m,傾斜長133.7m,截止到 2008年 2月 12日,公路橋面 7個(gè)觀測點(diǎn)累積下沉值如表 2。各測點(diǎn)下沉量隨時(shí)間變化曲線如圖 1。

表2 觀測點(diǎn)累積下沉值

圖1 各測點(diǎn)沉降值隨時(shí)間變化曲線

4 沉降效果分析

從目前對沙河公路橋下放頂煤開采后產(chǎn)生的冒落帶、裂縫帶、離層帶和沖積層及時(shí)進(jìn)行注漿充填所觀測到的沉降數(shù)據(jù)分析,可以得出：

(1)目前公路橋沉降已趨穩(wěn)定,橋 3點(diǎn)為最大下沉點(diǎn),累計(jì)最大下沉值 1750mm,僅為原預(yù)計(jì)最大下沉值的 41.75%,推算減沉率為 58.25%。

(2)最大下沉點(diǎn)距離工作面切眼 184m,僅位于工作面走向長度的 1/4處,由于該區(qū)域工作面布置形成的邊角煤柱,改變了地表沉降與開采走向長度的關(guān)系,對公路橋梁的保護(hù)起了重要作用。

(3)由于 2180(6-1)工作面屬于孤島煤柱開采,工作面開采達(dá)到基本頂初次垮落步距后即很快引起地面橋梁的沉降變形,沉降速度隨工作面繼續(xù)推進(jìn)迅速增加,工作面過地面測點(diǎn) 40m,沉降速度達(dá)到最大,為 10.45mm/d。工作面推過橋梁78m后,沉降速度迅速減小。工作面開采期間,橋梁最大的平均沉降速度為 4.59mm/d。

(4)隨著工作面的推進(jìn),橋梁的下沉速度不是均勻沉降的 (如圖 2)?；境尸F(xiàn)出大 -小 -大這樣的規(guī)律性變化。分析可能受到 7煤層基本頂周期來壓步距的影響。

圖2 橋上各測點(diǎn)相對下沉值曲線

(5)橋梁在下沉過程中,多次出現(xiàn)橋梁短時(shí)整體上升現(xiàn)象。明顯的有 2次,即 9月底至 10月初工作面采過橋梁中間位置,12月底至 1月上旬工作面完全采過橋梁后。需要進(jìn)一步研究引起橋梁整體上升的原因。

5 結(jié)論

(1)在公路橋下進(jìn)行開采,注漿減沉技術(shù)對地表控制作用顯著。范各莊礦放頂煤開采注漿減沉技術(shù)實(shí)踐表明,該方法能有效減小開采所引起的地表下沉,注漿后地表最大下沉僅 1.75m,減沉率為58.25%。

(2)范各莊礦放頂煤開采注漿減沉技術(shù)對煤礦開采后產(chǎn)生的冒落帶、裂縫帶、離層帶及時(shí)進(jìn)行注漿充填,對鉆孔布置、注漿材料和注漿系統(tǒng)優(yōu)化等方面進(jìn)行了探索,認(rèn)為只有在充分掌握工作面上方覆巖離層動態(tài)發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)上,合理確定注漿層位以及注漿時(shí)機(jī),地表減沉效果才會明顯。

[1]楊紅明.減沉注漿水治理 [J].建筑科學(xué),2009(30).

[2]張慶松,高延法,孫宗軍,等 .開采沉陷數(shù)值計(jì)算的空間效應(yīng)和層面效應(yīng)分析 [J].巖土力學(xué),2004,25(6).

[3]孫衛(wèi)華,朱 偉,鄭祥本 .覆巖離層注漿減沉技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀 [J].煤炭技術(shù),2008,27(2)：81-83.

TD823.83

B

1006-6225(2010)04-0032-03

2010-03-02

馮樹國 (1962-),男,河北唐山人,高級工程師,現(xiàn)任開灤范各莊礦業(yè)分公司地測副總工程師。

徐乃忠]