劉海濱（中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430064）

河南某輸煤項(xiàng)目應(yīng)對(duì)采空沉陷區(qū)的技術(shù)研究

劉海濱
（中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430064）

本文介紹了河南某電廠建設(shè)的15km長(zhǎng)距離輸煤圓管帶式輸送機(jī)，管帶機(jī)基本在同一礦區(qū)內(nèi)，貫穿礦區(qū)三礦、六礦和八礦。煤礦開采引起的地表沉陷無(wú)疑將對(duì)管帶機(jī)的鋪設(shè)帶來重大的影響，必須對(duì)管帶機(jī)沿線地表進(jìn)行沉陷預(yù)測(cè)分析，針對(duì)采空塌陷區(qū)進(jìn)行專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以確保管帶機(jī)安全順利的施工及運(yùn)行。本文對(duì)類似項(xiàng)目在預(yù)測(cè)手段，及應(yīng)對(duì)變形可采取的措施上，提供了思路。

圓管帶式輸送機(jī) 采空區(qū) 技術(shù)研究

河南某電廠二期工程的配套項(xiàng)目，煤源來自十五公里外的一處煤儲(chǔ)運(yùn)物流園區(qū)，煤炭經(jīng)過管帶機(jī)輸送運(yùn)到該電廠二期工程，管帶機(jī)總的運(yùn)距為15km，中間1個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)。輸送機(jī)所經(jīng)地區(qū)地形起伏大，村莊多，線路有較多轉(zhuǎn)折管帶機(jī)沿線經(jīng)過該地區(qū)三礦、六礦、八礦。

煤礦開采引起的地表沉陷無(wú)疑會(huì)對(duì)管帶機(jī)的鋪設(shè)帶來重大的影響，必須對(duì)管帶機(jī)沿線地表進(jìn)行沉陷預(yù)測(cè)分析，針對(duì)采空塌陷區(qū)進(jìn)行專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采取有效措施，確保管帶機(jī)安全順利的施工及運(yùn)行。

1　沿線地表移動(dòng)變形的預(yù)測(cè)

1.1地表開始產(chǎn)生移動(dòng)變形時(shí)間預(yù)測(cè)

井下采煤引起地表發(fā)生移動(dòng)變形，到最終形成穩(wěn)定的沉陷區(qū)，這一過程是逐漸而緩慢的，地表的移動(dòng)是在工作面推進(jìn)一定距離后才發(fā)生的。隨著采煤工作面的推進(jìn)，在上覆巖層中依次形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶并傳遞到地表，使地表產(chǎn)生移動(dòng)變形。這一過程所需的時(shí)間與采深和工作面推進(jìn)速度有關(guān)，其關(guān)系可用如下經(jīng)驗(yàn)公式表示：

式中：T—地表開始產(chǎn)生移動(dòng)變形時(shí)間，月；

H0——工作面平均開采深度，m；

V——工作面推進(jìn)速度，本次預(yù)測(cè)根據(jù)礦井以往開采進(jìn)度統(tǒng)計(jì)，取400m/a。

根據(jù)開采深度和采煤工作面推進(jìn)速度計(jì)算的地表開始移動(dòng)變形時(shí)間見表001。

1.2地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間預(yù)測(cè)

表001　地表開始移動(dòng)變形時(shí)間預(yù)測(cè)

地表移動(dòng)總時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于開采煤層上覆巖層性質(zhì)、開采深度和工作面推進(jìn)速度，地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間，計(jì)算公式為：

T =t1+t2+t3，式中：

t1——移動(dòng)初始期的時(shí)間；

t2——移動(dòng)活躍期的時(shí)間；

t3——移動(dòng)衰退期的時(shí)間。

在無(wú)實(shí)測(cè)資料的情況下，地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間（T）可根據(jù)下式計(jì)算：

T=2.5H0（d）

式中：H0——工作面平均采深（m）。

本項(xiàng)目沿線井田二1煤埋藏深度為510m～980m，根據(jù)上述公式，通過綜合計(jì)算求得地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間為1275d～2450d。

1.3地表最大下沉速度預(yù)測(cè)

VO——地表最大下沉速度（mm/d）；

Wcm——最大下沉值（mm）；

C——工作面推進(jìn)速度（m/d）；

H——采深（m）；

K—下沉速度系數(shù)（取1.8）。

通過綜合計(jì)算，煤層開采后，地表最大下沉速度11.05 mm/d ～22.1mm/d。

1.4線路受地表沉陷影響分析

根據(jù)前面對(duì)項(xiàng)目沿線井田分階段地表沉陷預(yù)測(cè)結(jié)果，通過疊圖法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，擬建皮帶輸送工程受地表沉陷影響情況見表002。

從表中可以看出，受各井田開采5年、10年及全部采完后三個(gè)階段，擬選線路受影響長(zhǎng)度、最大下沉值、最大傾斜變形值、最大水平變形值。

2　管帶機(jī)走徑區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)處理方案

表002　擬建工程受沉陷影響一覽表

2.1管帶走徑區(qū)域概況

管帶走徑區(qū)域自北向南全長(zhǎng)約15km。根據(jù)礦方提供的《三、六、八礦線路采動(dòng)影響圖》和《三、六、八礦地表沉陷預(yù)測(cè)圖》，依據(jù)井下采掘情況，煤柱留設(shè)原則對(duì)采空區(qū)影響情況進(jìn)行粗略劃分，將線路受影響情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。分為近期（5年）受影響段、中期（10年）受影響段、后期（開采末期）受影響段和相對(duì)安全穩(wěn)定段，其中安全穩(wěn)定段約5.9公里，近期可能受影響段約5.70公里，中期約7.14公里，末期段約8.65公里。

2.2采空區(qū)破壞規(guī)律及影響因素

煤層開采后形成的采場(chǎng)空間，必然會(huì)引

起圍巖（包括本煤層）的原始應(yīng)力變化，當(dāng)圍巖所承受的應(yīng)力超過它的極限強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生位移、開裂、斷裂，直至破碎冒落。影響煤礦采空區(qū)地表移動(dòng)變形的因素為煤層埋藏的幾何條件、地質(zhì)構(gòu)造、覆巖物理力學(xué)性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、采空區(qū)的幾何條件和采掘技術(shù)等。

2.3采空區(qū)管帶設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)受力分析

由于管帶支架垂直管帶運(yùn)行方向的橫向支撐受力點(diǎn)間距較小，兩排支撐受力點(diǎn)不均勻沉降差值應(yīng)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，也就是說橫向不均勻沉降對(duì)長(zhǎng)距離管帶系統(tǒng)的危害風(fēng)險(xiǎn)較小，風(fēng)險(xiǎn)主要來自于平行管帶機(jī)運(yùn)行方向的縱向不均勻沉降。

2.3.1管帶路徑選擇

管帶路徑應(yīng)盡可能避開采礦塌陷區(qū)或者選擇在開采時(shí)間較早的現(xiàn)有采空區(qū)范圍內(nèi)，避開地表傾角大于25-30度或地表為古滑坡區(qū)，當(dāng)無(wú)法避開塌陷區(qū)時(shí)，原則上運(yùn)煤管帶應(yīng)選擇塌陷區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件好、開采深厚比大的適宜地帶作為穿越路徑。

2.3.2計(jì)算模型確定

由于管帶棧橋修建在采空區(qū)上，將來不可避免的會(huì)有不同程度的沉降。因此上部結(jié)構(gòu)應(yīng)采用靜定結(jié)構(gòu)形式，不適合采用超靜定結(jié)構(gòu)。靜定結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)的在于支座的不同沉降差，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，從而靜定結(jié)構(gòu)的抗變形能力要強(qiáng)。具體對(duì)于本工程來講，管帶棧橋應(yīng)采用相對(duì)簡(jiǎn)潔的桁架（跨度較大時(shí)）或鉸支的型鋼（跨度較小時(shí)），拼裝接點(diǎn)處采用螺栓連接；在管帶棧橋變形縫和節(jié)點(diǎn)處預(yù)留一定可變形量，提高棧橋結(jié)構(gòu)的水平變形能力。

2.3.3桁架與支架設(shè)計(jì)

應(yīng)盡量避免布置大跨度管帶桁架，采空區(qū)地段的支架高度相對(duì)較低，支架簡(jiǎn)單，采用鋼支架形式，桁架的跨度不必很大，按合適的高跨比進(jìn)行設(shè)計(jì)以獲得好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，跨度以17m為宜。

管帶桁架及支架宜采用鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型，由于鋼結(jié)構(gòu)有比較好的延性，抗變形能力強(qiáng)，即使結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變形也不會(huì)產(chǎn)生斷裂、倒塌等嚴(yán)重破壞；鋼結(jié)構(gòu)有比較好的塑性，發(fā)生破壞前有較明顯的變形預(yù)兆，便于及時(shí)采取安全保護(hù)措施；鋼結(jié)構(gòu)可修復(fù)性強(qiáng)，當(dāng)?shù)孛嫦孪?，管帶棧橋結(jié)構(gòu)變形影響正常運(yùn)行時(shí)，可以對(duì)管帶棧橋進(jìn)行簡(jiǎn)單的修復(fù)或加固。采用可調(diào)節(jié)的管帶鋼支架，適應(yīng)采空區(qū)地表適量垂直變形。

2.3.4基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

管帶支架采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)或筏形基礎(chǔ)，加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛度，盡量使支架將來可能發(fā)生的沉降比較均勻，后期維護(hù)和檢修比較容易。

塌陷區(qū)局部管帶機(jī)支架基礎(chǔ)可用槽鋼整體焊接，并在槽鋼下鋪設(shè)石子調(diào)節(jié)變形；采空區(qū)管帶機(jī)盡可能在地面鋪設(shè)，可采用枕木作為管帶機(jī)基礎(chǔ)，降低運(yùn)行中修復(fù)工程量（如圖1所示）。

2.3.5桁架與支撐連接處的處理

在桁架的底部與支撐相連接的位置，設(shè)計(jì)了一處鉸支座及軌道式移動(dòng)小輪，當(dāng)支撐位置發(fā)生變化時(shí)，固定端的鉸支座會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，消除垂直平面內(nèi)的塌陷誤差，放松端的小輪會(huì)沿著軌道做直線運(yùn)動(dòng)，消除運(yùn)行方向的塌陷誤差。鉸支座與軌道式移動(dòng)小輪都留有一定的安裝間隙，可以消除水平方向的塌陷誤差（如圖2所示）。

2.3.6地面變形觀測(cè)

采空區(qū)管帶基礎(chǔ)穩(wěn)定性能否滿足要求，主要通過地表變形觀測(cè)來評(píng)價(jià)，觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)立時(shí)間，應(yīng)從采礦區(qū)工程施工前至施工結(jié)束后6個(gè)月為宜（管帶運(yùn)行期間應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)），沉降觀測(cè)一般每個(gè)月定期進(jìn)行一次，每次觀測(cè)應(yīng)根據(jù)閉合差進(jìn)行簡(jiǎn)易平差，平差后進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的高差和高程計(jì)算，進(jìn)行各觀測(cè)點(diǎn)及相鄰兩次觀測(cè)的沉降量、累計(jì)沉降量、沉降速率、累計(jì)沉降速率、水平位移量、累計(jì)水平位移量計(jì)算。編制垂直下沉曲線圖，垂直下沉等值線圖、水平位移曲線圖及相應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析表格等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些觀測(cè)資料分析地表變形量，計(jì)算變形特征值，變形的定量數(shù)據(jù)可作為采取處理措施及修復(fù)工程的依據(jù)，以滿足管帶機(jī)安全運(yùn)行要求。

3　技術(shù)研究的結(jié)論

管帶機(jī)貫穿三礦、六礦和八礦，通過對(duì)沿線井田地表沉陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，線路途經(jīng)已開采區(qū)地表已基本穩(wěn)定，項(xiàng)目施工和運(yùn)營(yíng)受其影響不大；途經(jīng)待開采區(qū)的線路段將受井田采煤地表沉陷影響，積極借鑒我國(guó)在煤礦防地表下沉及采空區(qū)地表建構(gòu)筑物抗變形設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)方面積累豐富的業(yè)績(jī)與成功經(jīng)驗(yàn)，通過采取有針對(duì)性的基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化設(shè)備選型，加強(qiáng)沉降及變形觀測(cè)，及時(shí)維護(hù)，可有效的預(yù)防和治理管帶機(jī)受井田地表沉陷的影響，可以確保擬建管帶機(jī)項(xiàng)目安全建設(shè)與穩(wěn)定運(yùn)行。

劉海濱（1979—），山東平原人，工程師，從事煤礦、選煤廠、儲(chǔ)裝運(yùn)工程機(jī)械方面的設(shè)計(jì)研究。