田迎斌

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012;3.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

棧橋式儲(chǔ)煤場(chǎng)是一種常見的全封閉儲(chǔ)煤場(chǎng)，其頂部為落煤棧橋，底部為受煤坑及回煤暗道，外部為全封閉的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤棚。工作時(shí)由頂部的卸煤棧橋及卸煤設(shè)備將煤卸入到儲(chǔ)煤場(chǎng)堆儲(chǔ)，返煤時(shí)通過設(shè)在回煤暗道的給煤機(jī)及返煤帶式輸送機(jī)將煤運(yùn)出儲(chǔ)煤場(chǎng)[1]。由于受使用環(huán)境影響，或由于長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)營，或由于原設(shè)計(jì)不足等原因，均可能使落煤棧橋產(chǎn)生各種病害，并影響結(jié)構(gòu)安全使用，所以經(jīng)常需要對(duì)棧橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性地維修和加固[2-12]。此外，地下煤層開采也會(huì)使地表?xiàng)虻冉?構(gòu))筑物受到采動(dòng)損害[13-15]。

某礦自2001年開始對(duì)南一采區(qū)布置工作面進(jìn)行開采，相繼開采了4、7、9和12煤層的部分工作面。2009年，在工業(yè)廣場(chǎng)以南建設(shè)了新儲(chǔ)煤場(chǎng)，由于該煤場(chǎng)位于工業(yè)廣場(chǎng)受護(hù)邊界以外，且沒有留設(shè)煤場(chǎng)保護(hù)煤柱，故其從建成到投入使用始終處在南一采區(qū)的采動(dòng)影響中。煤礦對(duì)南一采區(qū)地表和新建儲(chǔ)煤場(chǎng)內(nèi)有關(guān)建(構(gòu))筑物進(jìn)行了長時(shí)間的移動(dòng)和變形觀測(cè)。根據(jù)對(duì)落煤棧橋移動(dòng)變形的監(jiān)測(cè)情況，于2013年進(jìn)行了首次加固。之后隨著2014年S1903工作面的開采，落煤棧橋支座處錨栓被剪斷，支座發(fā)生了一定的位移。根據(jù)南一采區(qū)開采計(jì)劃，擬將開采二水平S11202和S11203兩個(gè)綜采工作面。本文根據(jù)擬開采工作面的基本地質(zhì)采礦條件，采用概率積分法預(yù)計(jì)了落煤棧橋未來將要發(fā)生的移動(dòng)和變形值，提出了二次加固設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

1.1 地下開采情況

南一采區(qū)范圍內(nèi)第四系平均厚度25 m，地表較為平緩，平均標(biāo)高74 m。南一采區(qū)開采的煤層包括4、7、9和12煤層，采深450～650 m，各煤層工作面分布如圖1所示。工作面基本信息如表1所示。

圖1 南一采區(qū)工作面分布圖

表1 南一采區(qū)工作面開采基本情況統(tǒng)計(jì)表

1.2 落煤棧橋概況

1.2.1 落煤棧橋建設(shè)及首次加固情況

落煤棧橋于2009年6月竣工并投入使用，由轉(zhuǎn)載站和皮帶廊道組成。落煤棧橋轉(zhuǎn)載站從北到南編號(hào)依次為1#、2#、3#和4#。轉(zhuǎn)載站總高度為20.9 m，結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土梁板式筏形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋置深度3 m。皮帶廊道結(jié)構(gòu)類型為鋼桁架結(jié)構(gòu)，鋼桁架寬度5m，高度5 m，跨度20 m，其兩端支座分別以錨栓固結(jié)方式坐落在轉(zhuǎn)載站的框架柱或梁上，屋面和墻面均采用雙層壓型彩鋼板，樓面采用預(yù)制鋼筋混凝土槽板。原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在一定程度上考慮了采動(dòng)影響因素而增強(qiáng)了基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的抗變形能力。落煤棧橋平面布置如圖2所示，立面布置如圖3所示，現(xiàn)狀照片如圖4所示。

圖2 落煤棧橋平面布置圖

圖3 落煤棧橋立面圖

圖4 落煤棧橋現(xiàn)狀照片

根據(jù)落煤棧橋移動(dòng)變形情況，煤礦于2013年進(jìn)行了首次加固，措施之一是在轉(zhuǎn)載站處設(shè)置斜撐鋼框架支撐上部鋼桁架，措施之二是通過在鋼桁架下部附加10 m長工字鋼并伸至3#轉(zhuǎn)載站平臺(tái)，如圖5所示。

1.2.2 落煤棧橋損壞現(xiàn)狀及原因分析

2013年首次加固后，該礦于2014年又開采了S1903工作面。根據(jù)S1903工作面采后落煤棧橋損壞情況的調(diào)查，主要包括：一是鋼桁架兩端原支座為錨栓固結(jié)，當(dāng)2#和3#轉(zhuǎn)載站發(fā)生相離移動(dòng)時(shí)，固定支座處勢(shì)必產(chǎn)生較大應(yīng)力，24軸固定支座錨栓已經(jīng)被剪斷，支座處混凝土局部壓裂，支座發(fā)生滑移，累計(jì)位移量最大400 mm；二是2013年加固的部分鋼框架上支承鋼桁架下弦的工字鋼橫梁發(fā)生了嚴(yán)重的扭曲。 落煤棧橋損壞情況如圖6和圖7所示。

圖5 附加工字鋼梁延伸至平臺(tái)

落煤棧橋損壞原因主要包括三個(gè)方面：其一，根本原因在于南一采區(qū)的采動(dòng)影響，1#～4#轉(zhuǎn)載站都處在開采沉陷盆地拉伸區(qū)影響范圍內(nèi)，且主要有向南部采動(dòng)區(qū)移動(dòng)和傾斜的趨勢(shì)；其二，落煤棧橋在設(shè)計(jì)鋼桁架支座時(shí)將兩端都設(shè)計(jì)成固結(jié)，造成受采動(dòng)影響時(shí)變形及應(yīng)力不能有效釋放，支座處承受較大剪切應(yīng)力，容易在薄弱位置產(chǎn)生破壞；其三，地面大面積不均勻堆載超載造成地基不均勻壓縮沉降變形及傾斜，也是造成損壞支座持續(xù)偏離原位的原因之一。

圖6 棧橋圍護(hù)墻體與3#轉(zhuǎn)載站裂開

2 落煤棧橋移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)

為了掌握S11202 和S11203兩個(gè)工作面開采后落煤棧橋的移動(dòng)和變形情況，采用概率積分法對(duì)上述兩個(gè)工作面開采后落煤棧橋的移動(dòng)和變形情況進(jìn)行開采沉陷預(yù)計(jì)[16]。該礦工作面全采時(shí)概率積分法巖移預(yù)計(jì)參數(shù)如表2所示。預(yù)計(jì)時(shí)根據(jù)4、7、9各煤層工作面開采結(jié)束時(shí)間相應(yīng)考慮其后續(xù)殘余變形對(duì)落煤棧橋的影響。

圖7 24軸支座底板部分懸空(錨栓被剪斷)

表2 地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)參數(shù)

落煤棧橋的移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)結(jié)果如表3所示。表3中數(shù)值正負(fù)代表意義：下沉以向下為正；傾斜和水平移動(dòng)數(shù)值方向均以向南、向西為正，向北、向東為負(fù)；水平變形以受拉為正，受壓為負(fù)。由表3可見，在采動(dòng)影響下，落煤棧橋轉(zhuǎn)載站下沉值由北向南逐漸增大，且主要發(fā)生向南的傾斜和水平移動(dòng)。

表3 轉(zhuǎn)載站移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)結(jié)果

由落煤棧橋損壞現(xiàn)狀可知，24軸支座錨栓被剪斷變?yōu)榛顒?dòng)支座，其他各跨支座仍為固定支座。今后隨著S11202和S11203綜采工作面的開采，落煤棧橋受采動(dòng)影響的移動(dòng)和變形將會(huì)逐漸增大，由于24軸支座變?yōu)榛顒?dòng)支座，預(yù)測(cè)今后的移動(dòng)和變形將優(yōu)先集中顯現(xiàn)在該處，即支座底板將繼續(xù)偏離原位置，同時(shí)23軸和24軸跨間距將增大，故對(duì)于24軸支座應(yīng)及時(shí)進(jìn)行加固處理。由地表水平移動(dòng)和傾斜引起的24軸支座位移預(yù)計(jì)擴(kuò)大量計(jì)算如表4和表5所示。

表4 由傾斜引起的支座水平側(cè)移

表5 24軸支座位移預(yù)計(jì)擴(kuò)大量

需要說明的是，落煤棧橋各跨支座處的損壞受采動(dòng)變形、地面超載和結(jié)構(gòu)本身抗變形能力等的綜合影響。其他目前仍然完好的支座可暫不進(jìn)行處理，以加強(qiáng)監(jiān)測(cè)為主，視后續(xù)變形及損壞情況再采取應(yīng)對(duì)措施。

地表的水平變形將會(huì)使埋置于土層內(nèi)的建筑物的基礎(chǔ)受到附加水平力的作用，且附加水平力與基礎(chǔ)計(jì)算方向長度成正比[17]。轉(zhuǎn)載站為塔型構(gòu)筑物，筏板基礎(chǔ)尺寸不大(7.6 m×8.6 m)，則作用在基礎(chǔ)上總的附加水平力也不大，又由于原設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)筏板基礎(chǔ)的雙層雙向配筋進(jìn)行了一定程度的加強(qiáng)，故本次加固設(shè)計(jì)不考慮水平變形的影響。

3 加固設(shè)計(jì)方案

3.1 加固技術(shù)措施

本次加固措施包括兩項(xiàng)內(nèi)容：一是在鋼桁架底部附加13.6 m長縱向工字鋼并延伸至2#轉(zhuǎn)載站平臺(tái)一定長度；二是采用在24軸框架柱上增設(shè)鋼牛腿，并在牛腿上方架設(shè)橫向鋼梁以承托滑移后的支座。

(1)延長鋼桁架底部附加工字鋼至2#轉(zhuǎn)載站

在首次加固時(shí)鋼桁架底部附加10 m長鋼梁基礎(chǔ)上，按照同樣規(guī)格尺寸和形式增設(shè)13.6 m長的鋼梁，并延伸至2#轉(zhuǎn)載站。采取螺栓將該加長的工字鋼梁與鋼桁架下部橫梁進(jìn)行固定連接。

(2)支座加固

對(duì)24軸所在框架柱增設(shè)鋼牛腿及鋼梁。具體措施為：采用在24軸鋼筋混凝土框架柱上外包鋼板、在鋼板上附加鋼牛腿、鋼管斜撐和在鋼牛腿上架設(shè)橫向工字鋼梁的方案進(jìn)行加固處理。鋼牛腿外伸長度按1m進(jìn)行考慮。

落煤棧橋鋼桁架底部附加鋼梁平面布置如圖8所示。附加工字鋼梁GL-1(2)與原鋼橫梁GL-4連接施工方法如圖9～圖11所示。24軸框架柱加固后正立面及側(cè)立面圖如圖12～圖13所示。

根據(jù)新增結(jié)構(gòu)荷載大小及偏心情況，對(duì)地基承載力進(jìn)行了驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果滿足要求。

圖8 落煤棧橋鋼桁架底部附加鋼梁平面圖

圖9 附加工字鋼梁GL-1(2)與鋼橫梁GL-4螺栓連接平面圖

圖10 1-1剖面圖

圖11 2-2剖面圖

3.2 其他措施

(1)為施工安全和方便起見，首先在2#與3#轉(zhuǎn)載站間將煤放至+9.5 m標(biāo)高處，然后再進(jìn)行加固施工作業(yè)。

(2)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)所有落煤棧橋的平面坐標(biāo)、下沉、傾斜和損壞情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在采動(dòng)期間密切監(jiān)測(cè)其他未加固落煤棧橋及轉(zhuǎn)載站位置的移動(dòng)變形情況，視情況及時(shí)采取相應(yīng)加固處理措施。文獻(xiàn)[16]規(guī)定了鋼筋混凝土基礎(chǔ)塔型構(gòu)筑物的傾斜允許變形值為7‰，極限變形值為12‰。如轉(zhuǎn)載站傾斜隨著采動(dòng)影響而超過允許變形值，則還應(yīng)采取糾傾技術(shù)措施，將結(jié)構(gòu)傾斜控制在安全使用范圍之內(nèi)。

圖12 鋼牛腿及鋼梁正立面圖

圖13 鋼牛腿及鋼梁側(cè)立面圖

4 結(jié) 論

(1)由于新建儲(chǔ)煤場(chǎng)沒有單獨(dú)留設(shè)保護(hù)煤柱，所以落煤棧橋自建成投入使用之日起就始終承受各煤層工作面開采的動(dòng)態(tài)影響，其移動(dòng)和變形呈現(xiàn)逐年增大的趨勢(shì)，期間進(jìn)行了首次加固。

(2)基于落煤棧橋的損壞狀況，采用概率積分法預(yù)計(jì)了S11202和S11203兩個(gè)工作面采后落煤棧橋最終的移動(dòng)和變形值，對(duì)支座進(jìn)行了二次加固設(shè)計(jì)，并提出了安全施工和監(jiān)測(cè)措施。

(3)經(jīng)二次加固后的落煤棧橋，可避免拆除重建，節(jié)約了資金，盡可能多的延長落煤棧橋的使用時(shí)間，保證煤礦正常運(yùn)轉(zhuǎn)需求，預(yù)期可取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。