郭愛國

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

充填條帶開采公路橋梁煤柱的理論與實(shí)踐

郭愛國

(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

就煤礦采動(dòng)變形對(duì)橋梁的影響進(jìn)行了分析，并結(jié)合橋梁相關(guān)規(guī)范，對(duì)橋梁的抗變形能力進(jìn)行了研究與確定。在對(duì)橋梁抗變形能力分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程實(shí)例，對(duì)橋梁煤柱的開采方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。研究表明，充填條帶開采可以在對(duì)煤柱部分回收的同時(shí)最大限度地減小地表移動(dòng)變形，不影響橋梁的安全使用。

充填開采；條帶開采；橋梁煤柱；沉陷控制

道路橋梁關(guān)系到交通安全，保護(hù)等級(jí)高，橋梁壓煤一般需要留設(shè)長久煤柱。國內(nèi)外橋梁下壓煤開采的研究及應(yīng)用較少。隨著“三下”采煤理論與應(yīng)用的逐漸成熟，特別是近幾年充填開采技術(shù)在煤礦的成功應(yīng)用，在煤礦開采造成的地表變形滿足橋梁安全使用的前提下，可以采取一定的開采措施進(jìn)行橋梁煤柱的部分回收。

條帶開采是目前建筑物下壓煤開采比較成熟的方案，應(yīng)用較多；煤礦充填開采近幾年有了較快的發(fā)展，應(yīng)用的煤礦越來越多，技術(shù)也逐步成熟。充填條帶開采方案可以充分發(fā)揮條帶開采與充填開采的優(yōu)勢(shì)，最大限度地減小地表移動(dòng)變形，可以采用該技術(shù)進(jìn)行橋梁煤柱的部分回收。

1 橋梁抗變形能力的確定

1.1 采動(dòng)變形對(duì)橋梁影響分析

煤礦開采造成的地表移動(dòng)與變形將使橋梁主體結(jié)構(gòu)與地基之間的初始平衡狀態(tài)遭到破壞。在新的平衡形成過程中，橋梁地基和主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部必然產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而導(dǎo)致橋梁發(fā)生變形和破壞。對(duì)橋梁穩(wěn)定性造成影響的采動(dòng)變形主要有下沉、傾斜變形和水平變形。

地表下沉的影響主要是對(duì)水位的影響，影響河道的排泄，地表不均勻沉降產(chǎn)生的橋墩沉降差異可能影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。地表傾斜可造成橋墩的傾斜變形，另外可使橋面坡度和梁的坡度增加，可能產(chǎn)生順滑和簡支梁的擠壓與破壞。地表的水平變形主要表現(xiàn)為各橋墩間的距離變化，當(dāng)拉伸變形較大時(shí)，有可能使簡支梁脫離橋墩而發(fā)生倒塌事故；而壓縮變形較大時(shí)，可能使橋梁產(chǎn)生簡支擠壓，從而產(chǎn)生橋面隆起，影響正常通行。

1.2 橋梁抗變形能力分析

橋梁根據(jù)單孔跨徑或多孔跨徑總長分為特大、大、中、小橋及涵洞，如表1所示。不同類型的橋梁，其重要性不同，相應(yīng)的抗變形能力也不同。

表1 橋梁涵洞分類

(1)

橋梁能承受的最大水平變形為：

(2)

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 基本情況

設(shè)計(jì)區(qū)為一公路橋煤柱，平均走向長900m，傾斜寬480m，實(shí)際可采面積約2.6×105m2。煤層平均傾角15°，煤層平均厚度2.6m，煤柱地質(zhì)儲(chǔ)量0.985Mt。煤層埋藏深度630～820m，松散層厚度約15m。公路大橋?yàn)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，全長440m，單孔跨距25m，橋面寬15m。橋墩為雙柱式橋墩(屬于輕型橋墩)。

2.2 大橋煤柱開采方案初步分析

根據(jù)公式(1)和(2)，以某橋梁的單孔跨徑25m代入計(jì)算得橋梁簡支梁墩、梁臺(tái)及基礎(chǔ)可承受的傾斜變形值為2mm/m，承受的最大水平變形值為1mm/m，大橋允許的最大下沉值確定為200mm。

如果大橋煤柱采用全陷開采，依據(jù)煤礦取得的地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)(η=0.68，tanβ=2.0，b=0.3，S=0，θ=82°)，計(jì)算得到的地表最大下沉值為1160mm，最大水平變形為3.5mm/m，最大傾斜變形為3.8mm/m，最大曲率變形為3.3×10-5mm/m，最大水平移動(dòng)為441mm，各項(xiàng)指標(biāo)均超出了橋梁的允許變形，不滿足設(shè)計(jì)要求。為了提高橋梁的安全度，采用減沉效果好、安全度高的充填條帶開采方案進(jìn)行橋梁煤柱的開采。

2.3 充填條帶工作面采寬、留寬的確定

根據(jù)條帶開采的相關(guān)理論研究，采出條帶的寬度一般取采深(H)的1/4～1/10。同時(shí)為了保證條帶煤柱的長期穩(wěn)定，常規(guī)條帶煤柱留寬一般要大于5倍的采高。由壓力拱理論可知，條帶采寬的最大值可由下式計(jì)算：

b<3(H/20+6.1)

大橋煤柱平均采深為700m，代入以上公式求得條帶開采的最大采寬為123.3m，確定大橋煤柱條帶開采的最大寬度為120m。根據(jù)條帶設(shè)計(jì)原則，并充分考慮充填工作面與垮落工作面的差異(采用充填開采方案，塑性區(qū)寬度忽略不計(jì)，核區(qū)寬度近似為煤柱寬度)，分別采用采寬120m留寬60m、采寬120m留寬50m、采寬120m留寬40m和采寬120m留寬30m共4個(gè)方案。垮落法管理頂板條帶開采條帶煤柱的安全系數(shù)一般要求大于1.5，采用充填開采工藝時(shí)，充填體會(huì)分擔(dān)煤柱的部分載荷，同時(shí)煤柱處于充填體的包圍之中，煤柱實(shí)際處于三軸壓縮狀態(tài)，其抗壓強(qiáng)度比單軸壓縮狀態(tài)要高。所以充填開采條件下要求計(jì)算的煤柱的安全系數(shù)大于1.2即可滿足要求。各個(gè)方案采用威爾遜強(qiáng)度理論計(jì)算出的煤柱的穩(wěn)定性匯總?cè)绫?所示。

表2 不同采留寬方案回收率及煤柱穩(wěn)定性匯總

由表2可以看出，方案3和方案4煤柱穩(wěn)定性系數(shù)小于1.2，不滿足要求。方案2(采120m留50m)煤柱穩(wěn)定性滿足要求，同時(shí)煤炭采出率又比方案1高，故推薦采用方案2布置工作面。

2.4 充填工藝及減沉效果

充填條帶工作面擬采用粉煤灰高水膨脹材料充填開采工藝，充填材料通過充填管路泵送至充填工作面。該充填工藝采用的充填材料在凝固的過程中具有膨脹性，能夠保證充填體的充分接頂，同時(shí)充填體具有長期強(qiáng)度，以上兩個(gè)方面可以保證長期、良好的充填效果。該礦已經(jīng)采用該工藝在工業(yè)廣場建筑物下方開采了多個(gè)充填工作面，開采后，地表辦公樓等建筑物下沉及變形輕微，均能正常使用。同時(shí)，該礦在702粉煤灰膨脹材料充填工作面布設(shè)了地表移動(dòng)觀測(cè)站。702充填工作面走向長度285m，傾向長度190m，平均開采深度505m，煤層開采厚度2.5m，煤層傾角α=15°，觀測(cè)到的地表最終下沉值72mm。根據(jù)地表移動(dòng)觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，擬合求得的下沉系數(shù)η=0.08，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.3，主要影響角正切tanβ=2，開采影響傳播角θ=82°。

2.5 設(shè)計(jì)方案對(duì)大橋采動(dòng)影響預(yù)計(jì)

地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)采用基于概率積分法的計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行，預(yù)計(jì)參數(shù)采用以上擬合參數(shù)。預(yù)計(jì)結(jié)果表明，大橋煤柱采用設(shè)計(jì)的充填條帶方案開采后，在盆地范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大下沉值為137mm，最大傾斜變形為0.45mm/m，最大水平拉伸變形為0.21mm/m，最大水平壓縮變形為-0.42mm/m。在大橋處產(chǎn)生的最終下沉值為124mm，最終傾斜變形為0.32mm/m，最終水平壓縮變形為-0.38mm/m。在回采過程中，大橋承受的動(dòng)態(tài)拉伸變形最大值約為盆地范圍最大變形值的70%，即0.14mm/m，可以保證橋梁的正常使用。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)相關(guān)專業(yè)規(guī)范，對(duì)公路橋梁抗采動(dòng)變形能力進(jìn)行了分析，并確定了保證橋梁正常使用的變形標(biāo)準(zhǔn)。

(2)對(duì)大橋煤柱的開采方案進(jìn)行了初步分析，從保證大橋安全的角度，推薦大橋煤柱采用減沉效果最好的條帶充填開采方案。

(3)從煤柱穩(wěn)定性和煤炭采出率兩方面進(jìn)行了綜合分析，確定大橋煤柱范圍內(nèi)條帶工作面按采120m留50m的尺寸布置?；夭蓞^(qū)域采用粉煤灰高水膨脹材料充填法管理頂板，隨采隨充工藝。

(4)采用設(shè)計(jì)方案開采后，預(yù)計(jì)在大橋處產(chǎn)生的最終下沉值、傾斜變形值及水平變形值在橋梁允許變形范圍內(nèi)，不影響橋梁的安全使用。

[1]董 軍.橋梁工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范JTG/D63-2007[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3]郭愛國.寬條帶充填全柱開采條件下的地表沉陷機(jī)理及其影響因素研究[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2006.

[責(zé)任編輯：徐乃忠]

TheoryandPracticeofStripMiningCoal-pillarforHighwayBridge

GUO Ai-guo

(Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Influence of mining deformation on bridge was analyzed.Combining with corresponding specification of bridge, anti-deformation ability of bridge was determined.On the basis of this, mining projection of coal-pillar for bridge was designed.Result showed that stowing strip mining could mine part coal-pillar, and maximally reduce surface movement and deformation, which would not influence bridge safety.

stowing mining; strip mining; coal-pillar for bridge; subsidence control

2014-03-14

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.029

中國煤炭科工集團(tuán)公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目：條帶充填減沉技術(shù)與關(guān)鍵裝備研究(2011MS014)

郭愛國(1981-)，男，山東菏澤人，工程師，主要從事巖層移動(dòng)和建(構(gòu))筑物下采煤的研究及技術(shù)工作。

郭愛國.充填條帶開采公路橋梁煤柱的理論與實(shí)踐[J].煤礦開采，2014，19(4)：97-99.

TD823.7

A

1006-6225(2014)04-0097-03