彬长矿区输配水工程采空区应对措施

范丽虹，苏 怡，张媛媛

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001）

0 引言

随着我国经济的快速发展,土地使用情况越来越严峻,在煤矿采空区上方建设的工程越来越多,但由于采空区沉降变形,对这些工程的建设提出了更高的安全要求。

彬长矿区坐落于陕西省关中地区的彬州市、长武县境内,是水资源极其匮乏的地区之一。水资源短缺已经成为制约当地经济快速发展的重要原因,在新的形势下,开发建设亭口水库及其输配水工程,可统筹解决彬长矿区开发及当地城镇生活生产的用水之急。为保证咸阳市彬长矿区输配水工程满足安全、经济、高质量的要求,设计人员和甲方工程师以及合作单位,不断寻求合理可行的设计方法,以保障输配水工程的安全施工和运行。本文基于彬长矿区输配水工程对于采空区的介绍,为后续的工程建设提出安全可靠的措施。

1 工程概况

彬长矿区供水工程是Ⅱ等大（二）型工程,是由两个取水口、57.9km 输水管道和4 处加压泵站等建筑物组成。工程主要建筑物级别为2 级,次要建筑物级别为3 级,临时建筑物级别为4 级。该工程涉及采空区的建筑物为三个：亭口配水站（1#采空区）、彬长服务区管线段（2#采空区）和福银高速彬县服务区管线段（3#采空区）。

2 建筑的场地工程地质条件

根据工程地质勘察报告,涉及采空区段管线主要位于泾河一级阶地,呈条带状分布。地质勘探所达深度范围内的地层分布情况如下：

（1）第四系全新统（Q4）：主要由人工堆积层（Q4S）、洪积层（Q42pl）、冲洪积层（Q42al+pl）、冲洪积层（Q41al+pl）组成。

（2）第四系上更新统（Q3）：主要由风积层（Q3eol）组成,上部为风积黄土层,灰黄色,疏松,土质均一,层厚8 m～12 m不等；下部为古土壤层,浅棕红色,质均,层厚1 m～2 m 不等。

（3）第四系中更新统（Q2）：主要由风洪积层（Q2eol+pl）、冲积层（Q2al）,厚度约1m。

（4）白垩系下统（K1）：主要由华池环河组砂岩与泥岩互层（K13+4）组成。

3 采空区地基稳定性安全评估

设计单位对该工程原设计建筑物地质进行地基稳定性评价,并形成《评价报告》。《评价报告》主要结论如下：三段采空区涉及两家煤矿。

1）煤矿A 井田范围内煤层厚度12 m～20 m,煤层埋深430 m～500 m,采用综采放顶煤工艺,顶板自由垮落管理,分层开采。未来开采地表变形量结果为：

最大沉降量：W=7800 mm～13000 mm

最大倾斜量：i=31.985 mm/m～61.986 mm/m

最大竖曲率：K=±0.199 mm/m2～0.449 mm/m2

最大水平位移：U=2730 mm～4550 mm

最大水平变形：ε=±16.90 mm/m～32.76 mm/m

2）煤矿B 井田范围内煤层厚度约7.6 m～12.6 m,煤层埋深327.3 m～375.8 m,采用综采放顶煤工艺,顶板自由垮落管理。未来开采地表变形量结果为：

最大沉降量：W=2925 mm～5400 mm

最大倾斜量：i=12.949 mm/m～25.163 mm/m

最大竖曲率：K=±0.081 mm/m2～0.178 mm/m2

最大水平位移：U=877.5 mm～1620 mm

最大水平变形：ε=±5.66 mm/m～11.40 mm/m

根据调查,工程沿线可能存在越界开采的情况,产生较大范围地表变形。

4 采空区勘察与稳定性评价

经过前期工作,对工程建筑物优化后,为进一步确认建筑物范围内采空区分布、变形情况,由专业队伍采用综合勘察手段查明采空区在拟建工程场地上的分布范围、埋藏深度、空间形态及赋存状态,论证采空区场地、地基的稳定性,以及采空区对拟建工程的危害,并提出科学合理的防治措施建议为治理设计提供依据,确保整个工程建设及运营期间的安全,形成《评价报告》。

4.1 亭口配水站煤矿A（1#采空区）

该采空区为2010 年8 月20 日至2011 年4 月20 日开采,煤层厚12 m～18 m,平均厚度为15 m,倾角2°,大致呈东南向西北倾斜,煤层底板埋深460 m～480 m（高程385.4 m～419.4 m）,采用长臂后退式综采放顶煤采煤工艺,顶板全部跨落法管理,采高9.3 m,工作面长度约109.4 m,采空区面积70436 m2,估算目前采空区剩余空洞体积为183415 m3。采空区场地稳定性对上部工程建设影响较大,该采空区内剩余变形量较大,采空区处于不稳定状态,建设场地适宜性差,结合建筑物工程特性,设计采取“注浆充填”工程治理措施。稳定性评价见表1。

表1 稳定性评价结果

4.2 彬长服务区煤矿A（2#采空区）

该采空区为2009 年10 月开采,煤层厚度约19.3 m,底板高程372.1 m～376.8 m,底板埋深479 m～485 m。采用长臂后退式综采放顶煤工艺,顶板全部跨落法管理,采高8.5 m～8.9 m,工作面长度约190 m。采空区面积77700 m2,估算采空区剩余空洞体积为145221 m3。该采空区剩余变形量较大,处于不稳定状态,采空区场地稳定性对工程建设影响大,建设场地适宜性差,结合管道工程特性,设计采取抗变形结构措施。稳定性评价见表2。

表2 稳定性评价结果

4.3 管线段福银高速彬县服务区煤矿B（3#采空区）

该采空区为2006 年～2015 年,煤层厚7.6 m～12.6 m,平均9.8 m,倾角1°～3°,底板高程为442.4 m～510.7 m,埋深为327.3 m～375.8 m；采用长臂后退式综采放顶煤工艺,顶板全部跨落法管理,采高5.8 m～7.6 m；工作面长度约为96 m。采空区面积为925835 m2,估算采空区剩余空洞体积为1411411 m3。该采空区剩余变形量较大,处于不稳定状态,采空区场地稳定性对工程建设影响大,建设场地适宜性差,结合管道工程特性,设计采取抗变形结构措施。稳定性评价见表3。

表3 稳定性评价结果

5 彬长矿区采空区地基稳定性的应对措施

根据采空区综合勘察和稳定性评价结论,1#采空区的剩余变形量大,采空区目前处于不稳定状态,采空区场地稳定性对上部工程的建设影响较大,上部建设的亭口配水站、电站等重要建筑物,安全级别要求高,这些建筑物工程基本无法靠自身结构措施或能力适应1#采空区如此大的剩余变形量,经论证,设计采用“全胶结注浆充填”工程治理方案。全胶结注浆充填是在采空区范围内,按照相同的孔距和一定的排列方式,布设注浆孔,用钻机钻孔,通过注浆泵和注浆管,将搅拌均匀的水泥粉煤灰浆注入到采空区及其上覆岩体裂隙中,水泥浆液固化后,可胶结岩层裂隙带,同时浆液形成的结石体对采空区上覆岩层形成支撑作用,可阻止上覆岩层进一步的冒落塌陷。全胶结注浆法已经在我国很多个采空区治理工程中取得了成功的经验,该种方法施工工艺比较成熟,施工相对简单一点,施工易于管理,安全性较高,缺点是材料用量比较大。2#和3#采空区剩余变形量较大,目前采空区也处于不稳定状态,采空区场地稳定性对工程建设影响大,上部敷设的输水管道,可以采用抗变形能力强的柔性管材和一定的结构措施,以适应采空区剩余变形量,相比采用采空区工程治理措施,可大幅节省工程投资。根据管道工程各种管材的特性,以及管道输水工程的成功经验,经比选论证,设计最终采用波纹涵管内置聚乙烯PE 管方案,即采用聚乙烯PE管承担内水压力,波纹钢管承担外部填土压力。

6 结语

由于目前国内针对采空区问题的研究较少,且缺乏经验,研究主要还是依据《矿山开采沉陷学》理论和煤矿“三下”采煤经验,再结合我国多个采空区的治理工程实践,文中提出的“注浆充填”措施和抗变形结构措施还有待于后续的工程实践的检验。随着科技的发展和城市化的进程,会有越来越多的建设活动在特殊地区上进行。通过在设计阶段对特殊地质条件不利影响的充分考虑,经过科学的计算分析,并采取正确、可行的措施,同样能保证该建筑的安全性、及后期的正常使用,同时控制建设成本,避免无谓地增加造价。