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貴州某高速公路跨越煤礦采空區(qū)的治理方案研究

2020-09-08 01:32:12譚化川許源華
黑龍江交通科技 2020年8期
關(guān)鍵詞:覆巖采區(qū)泥巖

譚化川,許源華

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550081)

1 工程概況

該項(xiàng)目受起點(diǎn)接線及地區(qū)城市規(guī)劃的影響,須穿越一煤礦采空區(qū),工程以橋梁形式跨越采空區(qū)。由于該區(qū)煤礦開(kāi)采時(shí)間長(zhǎng),開(kāi)采規(guī)模大,地下煤礦巷道密布,礦井多,煤層開(kāi)采以后形成的采空區(qū)范圍廣,橋梁的樁基難以避讓?zhuān)瑯蛄汗こ膛c采空區(qū)平面關(guān)系見(jiàn)圖1。橋梁設(shè)計(jì)為30、40 m跨徑連續(xù)T梁,橋面凈寬單幅11.7 m。項(xiàng)目橋梁穿越的采空區(qū)分別有復(fù)興煤礦采空區(qū)及煤礦的運(yùn)輸巷道采空區(qū)。

圖1 煤礦采空區(qū)分部及治理平面設(shè)計(jì)圖

2 采空區(qū)形成背景及分布特點(diǎn)

場(chǎng)區(qū)地處貴州高原西部,屬侵蝕-剝蝕地貌單元,溝谷地形,亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。場(chǎng)區(qū)地層巖性為上覆蓋1~6 m厚的第四系殘坡積層粉質(zhì)黏土、坡積塊石土;下伏二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M薄層狀泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖及煤層。場(chǎng)區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)-黔北臺(tái)隆-遵義斷拱-畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū),場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)頻譜特征周期為0.4 s,地震動(dòng)峰值加速度值為0.05 g,對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。

2.1 煤礦采空區(qū)

該煤礦于2008年開(kāi)采,2013年停采。礦區(qū)面積約1.482 1 km2,設(shè)計(jì)開(kāi)采標(biāo)高+1 600~+1 100 m,生產(chǎn)規(guī)模15萬(wàn)噸/年,設(shè)計(jì)回采率80%,采礦方法為走向長(zhǎng)壁后退式采煤法,巷道寬3 m、高3.4 m,頂板管理方法為全部陷落法。開(kāi)采煤層有M31和M32煤層,M31煤層平均厚度1.78 m,M32煤層平均厚度1.65 m,煤層傾角9°,頂板巖性為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及炭質(zhì)泥巖,地下已形成大面積采空區(qū),采空區(qū)埋深70~260 m,地表見(jiàn)多處塌陷坑及地裂縫,民房大量開(kāi)裂,場(chǎng)地穩(wěn)定性差。

2.2 運(yùn)輸巷道

橋梁從采空區(qū)之間留設(shè)的保安煤柱上通過(guò),下伏基巖內(nèi)有運(yùn)輸巷道及通風(fēng)井分布,埋深106~124 m,井巷密集,且與路線小角度相交。該區(qū)域地表局部地段見(jiàn)寬約1~3 cm裂縫,部分房屋墻面出現(xiàn)輕微開(kāi)裂。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 采空區(qū)頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

采空區(qū)頂板巖性為薄層狀泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖,屬于軟弱覆巖,煤層最大采深H=260 m,采厚M=3 m,采深采厚比H/M=86.7。場(chǎng)區(qū)內(nèi)采深比小于240 m地段為不穩(wěn)定場(chǎng)地,采深比在240~260 m為欠穩(wěn)定場(chǎng)地,須進(jìn)行工程處治。

3.2 采空區(qū)影響范圍確定

(1)煤礦采空區(qū)的影響評(píng)估評(píng)估參數(shù)的選?。簭?fù)興煤礦采空區(qū)為老采區(qū),設(shè)計(jì)回采率80%,煤礦圍巖為薄層狀泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖,形成的采空區(qū)類(lèi)型為軟弱覆巖,其中上山移動(dòng)影響角γ=70°,下山移動(dòng)影響角β=δ-kα=70°-0.6×9°=65°,δ水平礦層移動(dòng)影響角,γ傾斜礦層上山移動(dòng)影響角,α為礦層傾角;k為常數(shù):堅(jiān)硬覆巖k=0.7~0.8,中硬覆巖k=0.6~0.7,軟軟覆巖k=0.5~0.6。

采用上述邊界角在橫斷面上作圖,見(jiàn)圖2:從采空區(qū)邊界做與水平線成邊界角的斜線,此線與地表的交點(diǎn)為邊界點(diǎn),通過(guò)多組橫斷面做出連續(xù)多個(gè)邊界點(diǎn)并連線可得出移動(dòng)盆地的邊界,見(jiàn)圖1中的采空區(qū)影響邊界。預(yù)測(cè)表明,橋梁部分墩柱位于采空區(qū)影響范圍之內(nèi),采空區(qū)變形對(duì)橋梁危害極大,須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處治,確定場(chǎng)地穩(wěn)定后方可建設(shè)。

圖2 煤礦采空區(qū)治理典型橫斷面C-C’

(2)巷道采空區(qū)的影響評(píng)估:對(duì)于單一巷道式采空區(qū),采用極限平衡分析方法計(jì)算維持巷道頂板穩(wěn)定的臨界深度Hcr及穩(wěn)定性系數(shù)Fs,評(píng)價(jià)時(shí)分為覆巖為松散巖體和覆巖為非松散巖體兩種情況,綜合該區(qū)地層巖性判定覆巖為非松散巖體,根據(jù)采空區(qū)資料計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.45,場(chǎng)地欠穩(wěn)定,影響橋梁結(jié)構(gòu)安全,須采取工程措施處治。

4 采空區(qū)治理方案

4.1 治理范圍

根據(jù)規(guī)范及前人研究治理經(jīng)驗(yàn),采空區(qū)治理寬度為平行于橋梁兩側(cè)邊緣外圍護(hù)帶+禁采區(qū)的范圍;長(zhǎng)度上:橋臺(tái)外圍護(hù)帶+禁采區(qū)范圍。具體范圍可通過(guò)縱、橫斷面進(jìn)行作圖法來(lái)確定。經(jīng)過(guò)勘察資料綜合分析,該場(chǎng)區(qū)內(nèi)覆蓋層移動(dòng)角取45°,采空區(qū)上山移動(dòng)影響角取7°,下山移動(dòng)影響角取65°,使用斷面作圖法得橋梁工程場(chǎng)區(qū)采空區(qū)治理范圍,其中圍護(hù)帶寬度取20 m,沿左幅橋邊界左側(cè)外移98 m為橋梁左側(cè)禁采區(qū),沿右幅橋邊界右側(cè)外移87 m為橋梁右側(cè)禁采區(qū);通過(guò)連接多組相鄰斷面確定的禁采點(diǎn)形成沿橋梁工程的禁采區(qū),具體范圍見(jiàn)圖1,禁采區(qū)范圍內(nèi)的采空區(qū)均需要進(jìn)行治理,確保橋梁工程的結(jié)構(gòu)安全。

4.2 采空區(qū)治理方案研究

主要治理方案有注漿法、支撐法、開(kāi)挖回填法、巷道加固法、強(qiáng)夯法、跨越法等。支撐法、開(kāi)挖回填法、強(qiáng)夯法、巷道加固法適合埋深較淺的采空區(qū);埋深較深的采空區(qū)適合使用注漿、及跨越法進(jìn)行處置。場(chǎng)區(qū)內(nèi)采空區(qū)的埋深70~260 m、巷道埋深106~124 m,采空區(qū)埋深較深,經(jīng)綜合比選,選擇注漿方式進(jìn)行采空區(qū)治理。

(1)注漿孔方案布置:劃分為巷道、采空區(qū)注漿兩區(qū)域,巷道注漿又分為橋梁工程圍護(hù)帶內(nèi)注漿及圍護(hù)帶外注漿,圍護(hù)帶內(nèi)注漿孔沿巷道布設(shè),孔間距10 m;圍護(hù)帶外注漿孔沿巷道布設(shè),孔間距20 m。采空區(qū)注漿孔分為帷幕孔及注漿孔,帷幕孔沿采空區(qū)治理邊界布設(shè),孔間距10 m,注漿孔排距及間距均為15 m,呈梅花樁布置。采空區(qū)注漿孔布置詳見(jiàn)圖。

(2)注漿方量計(jì)算:綜合煤礦開(kāi)采資料及實(shí)際勘察情況,采空區(qū)剩余空隙率取0.5;巷道回采率取1,采空區(qū)回采率取0.8;漿液損耗系數(shù)取1.2;充填率取0.95;漿液結(jié)石率取0.95,采空區(qū)面積約1 160 m2,采用規(guī)范推薦公式計(jì)算注漿總體為2 534 m3,注漿材料為水泥粉煤灰漿,水固比按1∶1到1∶1.3,其中水泥占固相30%,粉煤灰占固相70%,最終計(jì)算需要水泥680 kg,粉煤灰1 600 kg,水1 720 kg。巷道注漿總體積為20 202 m3,需要水泥5 424 kg,粉煤灰12 763 kg,水13 721 kg。

(3)注漿施工工藝:場(chǎng)地整平后,按照注漿區(qū)順序依次放孔,開(kāi)口孔徑不小于130 mm,上部進(jìn)入基巖6 m下入直徑為130 mm的套管,變徑為91 mm鉆至跨落帶或者煤層底板以下1 m處終孔。鉆孔每50 m測(cè)斜一次,每百米孔斜不能超過(guò)1°,取芯孔數(shù)量為注漿孔、帷幕孔的5%,采空區(qū)部位鉆孔取芯率不小于30%,巷道部位鉆孔取芯率不小于60%。成孔后,巷道注漿采用依次成孔、自上到下,一次全灌注施工;采空區(qū)為多層采空區(qū)注漿,采用下行法注漿施工工藝,自上到下,分段成孔,分段注漿。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)采空區(qū)處治在工程建設(shè)中常見(jiàn),須在勘察設(shè)計(jì)階段做好勘察設(shè)計(jì)工作,對(duì)治理方案進(jìn)行合理的比選;在施工階段保證施工質(zhì)量,避免給后期運(yùn)營(yíng)遺留病害。

(2)本文中踩空區(qū)所在層位深,分部面積大,通過(guò)對(duì)采空區(qū)分部特征進(jìn)行場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)估,橋梁工程場(chǎng)地處于欠穩(wěn)定狀態(tài),需要進(jìn)行采空區(qū)治理后方可進(jìn)行工程建設(shè)。根據(jù)采空區(qū)橫斷面做圖發(fā)確定了禁采區(qū),并對(duì)禁采區(qū)內(nèi)的采空區(qū)及各種巷道進(jìn)行注漿處治,確保場(chǎng)地的穩(wěn)定性。

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