基于煤矿采空区的工程处理措施分析

2022-10-11

1 采空区地表变形特征及形式

地表移动盆地向前移动的过程中, 其后面地表点的下沉量亦将随之增大, 当地表下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大值时, 即使移动盆地继续扩大下沉量亦不再增加, 这时地表将形成一个平底的盘形盆地。地下煤层开采后, 地表出现的下沉值达到了该地质采矿条件下应有的最大下沉值时的采动称充分采动。当采空区的长度和宽度稍大于开采深度时, 地表移动盆地将出现平底, 这种情况称充分采动;当采空区的长度和宽度小于开采深度时, 地表不出现最大下沉值, 移动盆地呈碗形, 这种情况称非充分采动。

地表移动盆地内的地表移动有两种即下沉和水平移动。由于相邻两点的下沉和水平移动量各不相等, 点与点之间产生了地表相对的移动和变形, 出现倾斜、倾斜变化 (曲率) 和水平变形 (拉伸与压缩) 。

2 采空区的破坏特征

采空区有很多类型, 有较为稳定走向 (或倾向) 长壁垮落法规则开采所形成的采空区;也有较长时间也难以达到地表稳定的非正规开采所形成的采空区, 如穿巷开采、小条带开采等, 也有的开采数十年后还出现地表突然塌陷的情况;不同类型的采空区其破坏特征也有较大区别。

2.1 长壁开采后形成的采空区

长壁连续规则工作面开采后, 上覆岩层形成垮落带、断裂带和弯曲带。垮落带岩体呈散体和碎裂形态, 岩块间空隙大、连通性好;断裂带岩体呈块裂层状结构, 裂缝连通且发育;弯曲带岩体为较完整的层状结构, 采动破坏轻微。地下煤层开采结束, 经过一段时间后, 地表沉陷逐渐减小, 并趋于稳定。按开采沉陷理论, 当连续六个月内下沉值不超过30mm时, 可认为地表移动已稳定, 实际上地表仍会产生少量的残余沉降。

2.2 部分开采后形成的采空区

部分开采后形成的采空区, 上覆岩层也可划分为冒落带、断裂带、弯曲带。由于受采出范围的限制, 这三带的发育程度常常不足, 在地表也仅形成一个浅缓的下沉盆地。如果采出范围较大, 地表沉陷也较大。这些类型的采空区, 如果留下的未采煤柱尺寸不合理, 或煤柱不能长期支撑上覆岩层, .多数情况残余沉降变形较大、且分布不规则、不连续, 甚至是突发的。沉降可能在开采后数十年或上百年突然发生, 对地表建筑物的危害更大。

3 采空区工程处理措施建议

3.1 采空区处理的一般原则和措施

矿区选线时应尽可能绕避采空区, 将线路设在采空区影响范围以外。即在采空区地表移动盆地的边界外通过。绕避困难时, 应分以下两种情况对采空后地面进行评价。

(1) 地下采空后, 在采空区上方及周围的地表产生变形, 当开采尚未达到“充分采动” (移动盆地尚未形成平底) 时, 水平和竖直变形都发展很快, 且不均匀, 如果要修建铁路, 必须根据预测的最大变形值采取加强措施。

(2) 当开采已达“充分采动” (移动盆地以形成盆底) , 在盆地平底部分可以修建铁路, 但应注意今后是否重复开采。在盆地平底外围部分, 当变形仍在发展时, 不宜修建铁路或根据观测预测选择垂直变形均匀, 水平变形小的地段通过, 并采取适当加固措施。

线路经过正在开采的区域时, 常采取以下保护措施, 防止变形发生。

(1) 留设保护矿柱:当线路经过未开采或部分开采区域时, 首先需要留设保护煤住。在现有采矿技术条件下, 可根据有关规定进行深部区铁路压煤的试采, 而浅部塌陷强烈区禁采。

(2) 改变开采工艺, 减小地表下沉量。其方法有:采用填充法处理顶板。最好及时、全部充填或两次充填, 减少开挖厚度, 或采用条带式开采等。

采矿区域的路基应根据矿区规划和调查资料, 在采空区域内部采取防止坍塌和预留足够的沉降量及加宽路基等措施。在沉陷盆地边缘变形最为强烈的地段路基设计采取加固措施, 如铺设土工格栅, 以防不均匀沉降。加固受到开采影响的桥梁和涵洞。重点工程预留安全煤柱, 对于跨度较小的桥梁, 根据国内的经验可以改为涵洞, 以其抗变形能力, 又有利于路基加宽。对于难以绕避, 又有塌陷危险的路段, 要采用切实可行的处理措施。

3.2 采空区治理及地基加固方案的确定

采空区治理及地基加固设计是一项较为复杂的工作, 涉及加固处理范围的确定、充填材料的选择、钻探量的合理布置等多项工作内容工艺及流程可使处理效果明显提高并降低处理成本。在以往的采空区处理设计中, 由于经常选取单一的注浆工艺, 并采取保守的设计理念, 对采空区稳定性缺乏一定的风险性分析, 造成高额的加固费用使工程建设单位望而却步。因此, 采空区处理的优化设计也是目前急需开展的一项工作。同时, 应根据具体问题具体分析区别对待的原则, 通过进行实地勘测, 选择合理可行的施工处理方案, 才能达到令人满意的效果。

采空区充填加固方案的确定应遵循以下步骤。

(1) 采用调查历史采矿资料、钻探、物探和覆岩破坏研究等综合技术勘察地下采空区及其覆岩破坏情况。

(2) 研究采空区及其覆岩岩体结构、稳定程度和塌陷特点。

(3) 采用概率积分法及二维、三维弹塑性有限元数值模拟技术研究采空区沉陷变形特点, 预测建筑物地基沉降和变形。

(4) 根据采空区状态及变形特点, 并结合工程要求选择适宜的充填加固方法, 包括选择经济适用的充填材料、技术参数、充填 (及灌浆) 孔的排布方式等。

(5) 根据采空区地基变形特征采用二维、三维有限元等结构模拟分析技术, 进行建筑物抗变形结构设计、改善建筑设计的适宜性。

(6) 进行建筑物变形观测、地基反力和结构内力监测, 监测采空区上方大型建筑物的运行状态。

3.3 注浆加固技术

(1) 采空区加固范围的确定:加固路段长度:铁路经过采空区的线路长度和两端变形影响范围即为需要加固路段的长度。

加固深度:一般以采空区底板深度为注浆加固的下限深度, 充填加固重点为采空空洞、冒落带及裂缝带范围内的破碎岩体。

加固宽度:通常采用安全范围宽度为加固宽度, 按岩移参数具体加以计算得出。

(2) 注浆材料的选取:注浆材料选择的总原则应该是:可灌性、抗渗性、耐久性好、强度高、无毒、无污染、材料来源丰富、价格较低, 灌注工艺相对较简单。

在采空区空腔中注浆, 冒落充填物的空隙大小及连通情况决定着注浆材料的选取, 在节理、裂隙岩体中, 节理、裂隙的宽度和粗糙程度是决定因素。

(3) 灌注材料的粒径选取:对进行立体悬浮液灌浆时, 采用主体中颗粒的粒径D 1 5和悬浮液中固体颗粒的粒径D 8 5之比N值作为判断可灌性的标准, 当N≥1 5时, 灌浆是可行的。在节理、裂隙岩体中, 应遵守的准则是:节理、裂隙的宽度应比灌浆材料的代表粒径大5倍左右, 至少应大3倍, 灌浆才是可行的。

根据上述, 并结合采空区路段的工程地质条件及水文地质条件, 采空区空腔应选择大颗粒材料, 采空区附近的节理、裂隙岩体应选择小颗粒材料。

摘要：随着交通事业的发展, 煤矿采空区问题作为交通工程建设中的不良地质问题已越来越突出, 本文论述可采空区的地表特征及形式, 并且分析了采空区的破坏特征, 最后提出了采空区工程处理的措施。

关键词：采空区,煤矿,加固