程錦鋒
同煤集團四老溝礦井田面積29.83 km2,主要開采侏羅紀煤層。經過50多年的開采,侏羅紀資源儲量已接近枯竭,考慮到礦井的可持續(xù)發(fā)展,需要向下延深開采石炭二疊紀煤層。為能夠順利進行延伸開采,礦井計劃在南羊路工業(yè)廣場場地內新建副立井、回風立井和副井井架、絞車房、通風機房、變電所、制氮車間、龍門吊等新建配套建(構)筑物。根據(jù)收集的該區(qū)域地質資料及調查周邊礦井情況,并采用物探手段和鉆探驗證的方法對采空區(qū)分布情況進行了勘查,結果表明新建建(構)筑物下覆保護煤柱外圍存在被盜采的情況,需要對新工業(yè)廣場下覆采空區(qū)地基穩(wěn)定性和危險性進行科學分析,確定治理區(qū)域和治理方案,從而消除采空區(qū)的安全隱患[1-4]。
工業(yè)廣場賦存有侏羅系和石炭二疊系兩套含煤建造。侏羅系大同組為上部含煤建造,二疊系山西組和石炭系太原組為下部含煤建造。侏羅系大同組共含16 煤層,主要煤層依次為2、3、4、7、8、9、11、12、14-2、14-3號煤層,侏羅系大同組煤層特征見表1。根據(jù)工業(yè)廣場和煤層井上下對照圖,2#煤層開采于1978年-1983年,3#煤層開采于1981年~1988年,4#煤層開采于1984年~1993年,開采方式為綜采和刀柱式回煤。
表1 侏羅系大同組煤層特征表
威爾遜(Wilson)認為上覆巖層的重量并非完全由煤柱承擔,冒落在采空區(qū)的巖石同樣也承擔一部分上覆巖層的重量。采空區(qū)承擔的荷載量與采空區(qū)內各點頂板閉合量有關,即采空區(qū)垂直應力與距煤壁的距離成正比。通過Wilson導出的煤柱安全系數(shù)K如果大于1,則認為場區(qū)內遺留的煤柱是穩(wěn)定的,如果K小于1,則認為遺留煤柱是不穩(wěn)定的,以2#煤層8205 面(1979年)為例,根據(jù)采掘平面布置圖得出留設煤柱寬度a取13 m,采寬b為110 m,計算安全系數(shù)K=0.3<1,可知2#層遺留的煤柱是不穩(wěn)定的,不足以支撐上覆巖層重量。
工業(yè)廣場上有些建(構)筑物的荷載一般都很大,這些建(構)筑物在地基產生的附加應力的擾動深度可達數(shù)十米深度,對采空區(qū)上覆巖層的穩(wěn)定性產生影響,引起采空區(qū)周圍巖體產生新的移動變形,嚴重時可以導致建(構)筑物的破壞,影響到建(構)筑物的安全。
根據(jù)建筑物設計以及礦井建設經驗,利用均布荷載作用下地基附加應力的計算方法,南羊路副立井井架、井口房和空氣加熱室的最大影響深度為47 m;南羊路副立井絞車房的最大影響深度為30 m;水泵房的最大影響深度為20 m;35 kV 變電站的最大影響深度為27 m,露天龍門吊的最大影響深度為42 m;膠輪倉庫的最大影響深度為28 m;機修車間的最大影響深度為27 m,制氮車間的最大影響深度為25 m、通風機房的最大影響深度為27 m。
綜上分析,南羊路工業(yè)廣場擬建建(構)筑物對地基的最小影響深度為20 m,最大影響深度為47 m。
在煤層開采前,地下巖體處于三向應力平衡狀態(tài),但當煤層被開采后,上覆巖層的原始狀態(tài)遭到破壞,開采后圍巖產生垮落,,此時上覆巖層發(fā)生破碎后會發(fā)生碎漲,體積會增大而占據(jù)部分煤層開采空間,在上覆荷載作用下垮落巖石被壓密,從而產生了地表下沉,以2#煤層為例計算了三帶的分布。
表2 2#煤層采空區(qū)垮落帶和導水裂隙帶計算
由上表可以看出,2#煤層采空區(qū)垮落帶高度低值為8.9 m,高值為13.9 m,導水裂隙帶高度低值為40.3 m,高值為58.1 m,并且根據(jù)鉆探勘查結果,結合四老溝礦相鄰煤礦采空區(qū)注漿治理類似工程,鉆孔在地表以下20 m~40 m 時泥漿大量漏失等情況,說明在該巖層條件下采空區(qū)裂隙帶實際發(fā)育高度大于計算高度,取裂隙帶高度為110 m。
四老溝采空區(qū)已進入過渡性劇烈沉降期或突發(fā)沉降期或者采空區(qū)已經冒落,并且開采煤層后,其上覆巖層即遭受破壞,采空區(qū)洞內無安全保障,不具備人工作業(yè)條件,所以采空區(qū)深度和縱向空間都決定了地面注漿充填法的方案。在山西大同地區(qū),注漿充填多采用水泥粉煤灰漿液,必要時配合骨料。故治理方法采用地面注漿充填法。
工業(yè)場地保護煤柱的范圍就是擬建場地采空區(qū)治理的范圍,保護煤柱用移動角法設計。根據(jù)工業(yè)廣場上的建(構)筑物的位置、類別,治理范圍的計算大致分為兩類,由于部分治理范圍位于南羊路工業(yè)廣場保安煤柱內,對該范圍內采空區(qū)沒有進行勘查,未知采空區(qū)具體范圍,該區(qū)域暫按無采空區(qū)進行設計,治理范圍與采空區(qū)重合部分即為治理區(qū)域,計算結果見表3。
表3 采空區(qū)治理范圍分類
地面注漿充填法是通過地面打孔,利用注漿泵、注漿管路,將具有充填、膠結性能的漿液材料注入采空區(qū)空間或采空區(qū)的垮落帶、裂隙帶,漿液膠結固化后形成的漿液結石體對上覆巖層形成支撐作用或降低其滲透性,確保地面及地面上的建(構筑)物不受到破壞。
由于地面其它工程施工工程中發(fā)現(xiàn),地表存在不連續(xù)裂縫,深度有深有淺,但不超過地表以下50 m,該層位位于建(構)筑物基礎荷載影響深度范圍內,為基礎持力層,也需考慮進行注漿充填,可根據(jù)鉆孔施工過程中鉆井液是否漏失判斷裂縫是否存在。如鉆井液漏失,則鉆孔施工至50 m時進行注漿充填。
采空區(qū)注漿孔的布置需參照采空區(qū)治理范圍的分類進而調整排間距、孔間距,并且結合各類治理范圍的目的煤層推算出各個區(qū)域的鉆孔數(shù)量及鉆孔工程量。一類治理區(qū)域鉆孔排間距、孔間距取20 m;二類治理區(qū)域鉆孔排間據(jù)、孔間距取25 m,以二類治理區(qū)為例,布置原則見圖1,根據(jù)現(xiàn)有場地條件進行布孔優(yōu)化,考慮現(xiàn)有建筑物的影響等因素,共設計鉆孔129個。
圖1 二類治理區(qū)鉆孔布置示意
鉆孔孔深按超過2#煤層底板2 m 考慮,根據(jù)各處采空區(qū)埋深分別計算。暫按平均埋深156.5 m計算,工程量為:156.5×129=20 188.5 m,其中單孔固管平均深度為20 m,合計固管深度為129×20=2 580 m,詳見表4所示。
表4 采空區(qū)充填鉆孔工程量
鉆孔要采用“分區(qū)域、分序次”的原則進行施工,前序鉆孔對下部采空區(qū)可以起到補勘的作用,根據(jù)實際地層及采空區(qū)情況對后序鉆孔的孔位、孔距、孔數(shù)進行適當調整,以彌補均勻布孔的不足。
本設計采空區(qū)治理的注漿量是按照采空區(qū)剩余空洞體積進行預測估算。注漿過程中,漿液向采空區(qū)上覆地層、裂隙的滲透損失,在采空區(qū)剩余空洞體積的基礎上,考慮5%~10%漿液損失,本設計漿液損耗系數(shù)A取1.05。注漿量采用下述公式進行計算。
式中:Q—采空區(qū)注漿量(m3);
A—漿液損耗系數(shù),取1.05;
V—采空區(qū)剩余空洞體積(m3);
η—注漿充填率。根據(jù)采空區(qū)治理范圍分區(qū)及建(構)物保護級別取值,一類治理區(qū)綜合取值0.8,二類治理區(qū)綜合取值0.7;
c—漿液結石率,0.85。
對于地表裂縫,考慮50%鉆孔需要充填,每個鉆孔注漿量為50 m3,則鉆孔注漿量為:
注漿漿液主要為水泥粉煤灰漿,由水泥、粉煤灰、水等主要注漿材料組成,漿液配比取1:1.1。水泥、粉煤灰固相比為4:6和3:7。
表5 漿液配比
經過注漿治理后,采空區(qū)空洞和裂隙得到較好充填,超聲波傳播速度增加,在注漿后采用跨孔法對24個鉆孔波速進行綜合測井,檢驗深度均在180 m~256 m,符合《建筑抗震設計規(guī)范》要求“鉆孔中注漿處理段的平均剪切波速(橫波)>350 m/s”。
四老溝礦對工業(yè)廣場地基危險性的科學評估,施工129 個注漿鉆孔,配制水泥、粉煤灰、水混合漿液材料43 659 m3對工業(yè)廣場下覆采空區(qū)進行充填治理,并利用超聲波對治理效果進行檢驗,治理效果符合設計規(guī)范。