公路桥下放顶煤开采注浆减沉技术

冯树国,王 睿,王柏林

(1.开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司,河北唐山 063108;2.中国矿业大学 (北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083)

公路桥下放顶煤开采注浆减沉技术

冯树国1,王 睿2,王柏林1

(1.开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司,河北唐山 063108;2.中国矿业大学 (北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083)

以开滦矿区范各庄矿的注浆减缓地表沉降技术实践为实例,利用废弃粉煤灰作为充填材料,对沙河公路桥下放顶煤开采后产生的冒落带、裂缝带、离层带及时进行注浆充填,对注浆层位、钻孔位置及注浆钻孔结构、注浆系统的建立以及地表沉陷监测等进行了全面的论述,认为注浆减缓地表沉降效果显著,地表最大下沉仅 1.75m,减沉率为 58.25%,有效地保护了桥梁。

桥下采煤;注浆减沉;地表沉陷

Technology of Reduc ing Subsidence with Grout ing in Cav ing Top-coal under Highway Bridge

开滦范各庄矿井田位于河北省唐山市古冶区管辖境内,是一座年产 4.5Mt的现代化特大型矿井。目前该矿正对矿区内 2水平 2180区的 7,8煤层合区 (有效采厚 6.5m左右)进行轻型综放开采,采8煤层厚度 2.2m,放上部 7煤层厚度 4.0m,设计采出率 85%[1]。

沙河公路桥位于范各庄矿西北部的 2180采区上方,距矿区工业广场以北约 400m,仅 7,8两个煤层公路桥梁煤柱压煤储量就约 2.0Mt。为最大限度的将地下煤炭资源采出,提高资源采出率,探索“三下”采煤技术,矿井在原有开采技术的基础上,进一步采用地面减沉注浆技术,即利用粉煤灰对该区域冲积层、离层带、冒落裂缝带注浆,以减小或改善地表下沉程度,完成公路桥正下方 2180(6-1)轻放工作面的开采,保护了地表桥梁安全。

1 公路桥下工作面开采对桥梁影响程度评价

在公路压煤范围,平行桥梁布置了 5个回采工作面,即公路桥下 2180 (5), (6), (6-1),(7),(8)。各工作面均采用轻型放顶煤技术开采。

为了评价各工作面对地面建、构筑物和桥梁的采动影响程度,采用国内普遍应用的概率积分法进行预计。根据地表移动变形预计结果[2],桥下 5个工作面即 2180(5,6,7,8)和 2180(6-1)全采后,公路桥纵向 (顺桥 s方向)和横向 (垂直 t纵向)的最大移动变形值列于表 1。

分析得知,采后公路桥下沉 4187mm,下沉后桥面将低于平时桥下流水的水面标高 (+25.7m);纵向水平压缩变形若按 7.64mm/m计,全桥长156m,总压缩量达 1191.8mm,全桥以桥两端向中心压缩,压缩量为 989+103=1092mm,这个压缩量大大超过了盖梁上梁的间隙,导致桥的梁板被挤压损坏,还会造成桩柱式桥墩的损坏。

表1 全采后桥梁纵向与横向最大移动变形值

2 注浆系统的建立

2.1 减沉注浆钻孔的布置

公路桥下 2180(6-1)轻放工作面开采期间,减沉注浆工程共设计 4个注浆孔：注 1孔位于2180(6)工作面采空区上方,沙河公路桥北侧距离南桥头 50m位置;注 2孔位于 2180(7)工作面采空区上方,沙河公路桥南侧距离南桥头 80m位置;注 3孔位于 2180(6-1)工作面上方,紧靠公路桥南桥头北侧;注 4孔位于 2180(6-1)工作面上方,原设计位置位于沙河桥北桥头南侧 10m位置,在钻孔施工过程中,受其他钻孔注浆的影响,造成冲积层段严重塌孔无法施工,又沿公路向西北方向平移了 45m。

各钻孔均先期施工到距离煤层 140m位置,然后开始离层带充填注浆,达到注浆设计要求后,将钻孔延深到采空区,对采空区及上部裂缝带进行充填注浆。

2.2 钻孔结构及钻孔施工情况

为保证后续裂缝带、冒落带注浆时钻孔的延深,各个钻孔在穿过冲积层段后下 φ168mm套管封注好后,均采用 φ142mm裸孔施工到目的层位。

各钻孔结构及施工情况如下：

注 1孔 位于 2180(6)工作面上方离层带,距切眼西侧约 200m,下运输巷往上山方向约 8m。钻孔结构：0～115.23m使用 φ168mm套管,115.23～331.84m为裸孔,孔径 142mm。

注 2孔 在 2180(7)工作面上方离层带,距切眼西侧约 100m,回风巷往下山方向约 10m。钻孔结构：0～115.23m使用 φ168mm套管,115m～330m为裸孔,孔径 142mm。后期延深至采空区,终孔深度 447m。

注 3孔 位于 2180(6-1)工作面上方离层带,距切眼西侧约 134m,回风巷往下山方向约50m。钻孔结构：0～115m使用 φ168mm套管,115m～331.28m为 φ142mm裸孔。

注 4孔 位于 2180(6-1)工作面上方离层带,距切眼西侧约 302m,运输巷往上山方向约40m。钻孔结构：0～115m使用 φ219mm和φ168mm双层套管,115～330m为 φ142mm裸孔。

2.3 其他系统的建立

注浆站安设有石家庄煤机厂产 TBW-1200/7B中压泵 4台和 TBW-850/50中压泵 1台,泵输总能力 339m3/h。注浆站与钻孔间铺设 4趟 φ104mm输浆管路。安装 2台搅拌机。

由电厂排灰场北侧配电站、铺设 6000V高压电缆到注浆站场地厢式变压器供电,在注浆站安设1台 500kW变电箱。

由于是采空区内注浆,可以实现负压注浆,可适当加大浆液的浓度,或添加少量密度较大的沙或者粉碎的矸石。随着注入粉煤灰量的增加,孔内压力将会逐渐升高,达到 5.0MPa,停止注浆。为增加注入粉煤灰抗压强度,后期可以加注一定浓度的水泥浆[3]。

所注粉煤灰的物理参数如下：

干灰密度 (视密度)γ干=1.86t/m3;饱和灰密度γ饱=1.55t/m3;饱和灰含水量 Cw饱=23.3%;饱和灰压实密度γ压=1.65t/m3;饱和压实灰含水量 Cw压=14.8%。

3 桥梁变形观测

自 2003年 7月,在 2180采区各工作面回采前,沙河桥上布置测量点 7个,观测周期为每周 1次。观测内容包括桥梁下沉和桥梁拉伸变形值。

2180(6-1)工作面走向长 660.5m,倾斜长133.7m,截止到 2008年 2月 12日,公路桥面 7个观测点累积下沉值如表 2。各测点下沉量随时间变化曲线如图 1。

表2 观测点累积下沉值

图1 各测点沉降值随时间变化曲线

4 沉降效果分析

从目前对沙河公路桥下放顶煤开采后产生的冒落带、裂缝带、离层带和冲积层及时进行注浆充填所观测到的沉降数据分析,可以得出：

(1)目前公路桥沉降已趋稳定,桥 3点为最大下沉点,累计最大下沉值 1750mm,仅为原预计最大下沉值的 41.75%,推算减沉率为 58.25%。

(2)最大下沉点距离工作面切眼 184m,仅位于工作面走向长度的 1/4处,由于该区域工作面布置形成的边角煤柱,改变了地表沉降与开采走向长度的关系,对公路桥梁的保护起了重要作用。

(3)由于 2180(6-1)工作面属于孤岛煤柱开采,工作面开采达到基本顶初次垮落步距后即很快引起地面桥梁的沉降变形,沉降速度随工作面继续推进迅速增加,工作面过地面测点 40m,沉降速度达到最大,为 10.45mm/d。工作面推过桥梁78m后,沉降速度迅速减小。工作面开采期间,桥梁最大的平均沉降速度为 4.59mm/d。

(4)随着工作面的推进,桥梁的下沉速度不是均匀沉降的 (如图 2)。基本呈现出大 -小 -大这样的规律性变化。分析可能受到 7煤层基本顶周期来压步距的影响。

图2 桥上各测点相对下沉值曲线

(5)桥梁在下沉过程中,多次出现桥梁短时整体上升现象。明显的有 2次,即 9月底至 10月初工作面采过桥梁中间位置,12月底至 1月上旬工作面完全采过桥梁后。需要进一步研究引起桥梁整体上升的原因。

5 结论

(1)在公路桥下进行开采,注浆减沉技术对地表控制作用显著。范各庄矿放顶煤开采注浆减沉技术实践表明,该方法能有效减小开采所引起的地表下沉,注浆后地表最大下沉仅 1.75m,减沉率为58.25%。

(2)范各庄矿放顶煤开采注浆减沉技术对煤矿开采后产生的冒落带、裂缝带、离层带及时进行注浆充填,对钻孔布置、注浆材料和注浆系统优化等方面进行了探索,认为只有在充分掌握工作面上方覆岩离层动态发育规律的基础上,合理确定注浆层位以及注浆时机,地表减沉效果才会明显。

[1]杨红明.减沉注浆水治理 [J].建筑科学,2009(30).

[2]张庆松,高延法,孙宗军,等 .开采沉陷数值计算的空间效应和层面效应分析 [J].岩土力学,2004,25(6).

[3]孙卫华,朱 伟,郑祥本 .覆岩离层注浆减沉技术的应用与发展现状 [J].煤炭技术,2008,27(2)：81-83.

TD823.83

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1006-6225(2010)04-0032-03

2010-03-02

冯树国 (1962-),男,河北唐山人,高级工程师,现任开滦范各庄矿业分公司地测副总工程师。

徐乃忠]