家属楼采空区治理工程设计与施工.doc

大同鹊山精煤公司家属楼采空区治理工程设计与施工作者：王平|转贴自：本站原创点击数：278【交流与论坛】编语： 近年来，我局多数单位都在采空区治理工程方面完成了大量的工作，为了更好地开展这项工作和总结经验，现陆续推荐一些这方面的文章，供关心这项事业的有识之士学习参考。大同鹊山精煤公司家属楼采空区治理工程设计与施工（局三勘院、217队供稿，王平编整）摘 要：大同市鹊山精煤有限责任公司家属楼采空区治理区内建有12栋砖混结构房屋及其它附属建筑物，由于开采煤层形成的大面积采空区以及星罗密布的巷道影响，导致地表建筑物裂缝，地面塌陷。本文通过科学地分析采空区情况，对采空区变形进行了计算和对区域内覆岩的稳定性做了评价，研究设计和确定了采空区治理工程施工方案，成功地完成了采空区治理任务。关键词：家属楼；煤矿采空区；变形计算和稳定性评价；治理工艺方案目前，全国累计采空塌陷面积超过70万公顷，造成的损失已经超过500亿元。而在一些煤炭城市，采空塌陷情况尤为严重。在重点煤矿，平均采空塌陷面积约占矿区含煤面积的1/10。山西是采空塌陷灾害最严重的地区。全省共15万多平方公里的土地，采空区就达2万多平方公里，相当于总面积的1/7。而其中6000平方公里的地域遭受了地质灾害。造成这种状况的原因主要有：一是相关灾害责任人界定不明确，历史欠帐巨大；其次，采空区的治理力度不够；第三，目标采空区的监测工作不到位，这使得“预防为主”的原则在实践中打了折扣。随着累计开采量的增加，煤城地下采空区面积也越来越大，成为城市中潜伏的陷阱。许多煤城由于治理资金不到位，又缺乏好的治理规划，常常是小打小闹，就地搬迁，疲于应付，最终形成了“塌陷一搬迁一塌陷”的恶性循环。另外，随着中国经济新一轮的飞速发展，煤炭能源再次成为经济发展的瓶颈。煤炭需求量的增大，难免会加剧当前已经非常严重的采空塌陷问题。山西省大同市鹊山精煤有限责任公司家属楼采空区就是由于一些煤矿业主越界非法开采煤层形成的大面积采空区以及星罗密布的巷道影响，导致建筑物裂缝，地面塌陷。山西省地质矿产勘查开发局217地质队、第三勘察地质工程院工程技术人员通过科学地分析采空区情况，对采空区变形进行了计算和对区域内覆岩的稳定性做了评价，研究设计和确定了采空区治理工程施工方案，经过3个月的精心组织施工，成功地完成了采空区治理任务。实际注浆孔数为89个，累计完成钻探总进尺11408.21m，共完成注浆量17988M3，投放砂和碎石2615 M3。1 工程概况大同市鹊山精煤有限责任公司家属楼采空区治理工程位于云岗铁路专线TK32至TK33之间，109国道以南，云岗铁路专线以北，治理区内建有12栋砖混结构房屋及其它附属建筑物。据专项地质灾害勘查评估报告，该区受大同市残联燕京煤矿和东店湾村大桥煤矿等共同越界非法开采8#和12#煤层形成的大面积采空区以及星罗密布的巷道影响，导致建筑物裂缝，地面塌陷。这种情况已严重威胁到区内居民生命财产的安全，业主要求尽快采取有效措施来解决此问题。2 采空区变形计算及稳定性评价2.1 变形计算根据矿山开采沉陷学中的理论，采出厚度与塌陷冒落带及裂隙变形带之间有如下关系：冒落带的高度主要取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀系数，通常为采出矿层厚的35倍。冒落带和裂隙带合称两带，两带高度与岩性有关，一般情况下软弱岩石形成的两带高度为采厚的912倍，中硬岩石为采厚的1218倍，坚硬岩石为采厚的1828倍。（1） 冒落带的计算公式h=m/(k-1)cos式中：h冒落带的高度，m煤层倾角，度m采出煤层厚度，mk岩石碎胀系数。由灾害勘查报告中得知：8#煤层厚 1.75 m，12#煤层厚4.14 m；=4度；k=1.5。由此，可以计算出：8# 煤层采空区h=1.75/(1.5-1)cos4=3.50 m12#煤层采空区 h=4.14/(1.5-1)cos4=8.28 m（2）裂隙带计算公式H=100m/(1.2m+2.0)8.9式中： H裂隙带宽度，mm采煤层厚度，m8# 煤层采空区：H=1001.75/(1.21.75+2)+8.9=51.58 m12#煤层采空区 ：H=1004.14/(1.24.14+2)+8.9=68.31 m（3）地表最大下沉量计算公式 w0=mq式中：w0最大下沉量，mm采出煤层厚度，mq下沉系数，与岩性、开采方式有关，根据山西省大运高速公路等采空区治理的成功经验，一般取下沉系数为0.39。8# 煤层采空区：w0=1.7510000.39=683mm12#煤层采空区： w0=4.1410000.39=1615mm（4） 地表最大倾斜计算公式 i0= w0/r= w0/（L/tg） mm/m式中：i0地表最大倾斜值，mm/m L采深，m（8#煤层L=72.57m，12#煤层L=121.87m） 移动角，根据岩性，本地区取=75。8# 煤层采空区：i0=683/（72.57/tg75）=35（mm/m）12#煤层采空区：i0=1615/（121.87/tg75）=49.5（mm/m）（5） 地表最大曲率计算公式k0=1.25 w0/r2=1.25（L/tg）2式中： k0地表最大曲率（mm/m2）8# 煤层采空区：k0=1.25683/（72.57/tg75）2=2.8（mm/m2）12#煤层采空区：k0=1.251615/（121.87/tg75）2=2.3（mm/m2）（6） 最大水平移动值计算公式U0=bw0（mm）式中：U0地表最大水平移动值，mmb水平移动系数，取值0.3（见沉陷工程学）。8# 煤层采空区： U0=0.3683=204.9（mm）12#煤层采空区： U0=0.31615=484.5（mm）（7） 最大水平变形值计算公式0=1.52bw0/r=1.52bw0（L/tg）（mm/m）8# 煤层采空区： 0=1.520.3683/（72.57/tg75）=16（mm/m）12#煤层采空区：0=1.520.31615/（121.87/tg75）=22.55（mm/m）2.2 稳定性评价根据经验公式及区域覆岩结构特点对采空区的稳定性进行评价。国内外采矿经验认为，采深与采厚比大于40（即H/M40），在地层中没有较大的断裂破坏的情况下，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表变形和沉陷在空间和时间上都有明显的连续和有一定的展布规律，常表现为地表移动盆地。在采深与采厚比小于40（即H/M40）的情况下，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表变形和沉陷在时间和空间上都有明显的不连续特征，采空塌陷区上方的地表带形成较大的裂缝和塌陷坑。据灾害勘查评估报告，12#煤层采空区下沉量达到110-1000mm，取剩余变形量50，据此计算的剩余倾斜变形值I=24.75mm/m，地表剩余曲率变形值K=1.15mm/m2，地表剩余水平变形值=11.28mm/m，预计剩余变形值超过允许值，故采空区仍处于不稳定状态，对已有建筑物仍影响较严重。据灾害勘查评估报告，燕京煤矿1994年建矿，建矿初期采掘8#煤层，因此8#煤层采空区形成年代较长，剩余变形较小，取剩余变形量35，据此计算的剩余倾斜变形值I=12.25mm/m，地表剩余曲率变形值K=1.0mm/m2，地表剩余水平变形值=5.6mm/m。允许变形值：水平变形 允=2mm/m（拉伸、压缩），倾斜 I允=3mm/m，曲率变形K允=0.2mm/m2。预计剩余变形值大于允许值，采空区不稳定。3. 治理工程的设计3.1 治理方案的选择根据灾害勘查评估报告，参考我局在山西省大运、长晋、祁临等高速公路煤矿采空区治理工程的成功经验，经综合比较，本治理工程采用了全充填压力注浆法（局部地段采用换填法）治理方案。该方案的特点是施工简便，安全度高。其具体方案是在地表打孔，通过注浆泵、注浆管，将水泥粉煤灰浆注入采空区及其上覆岩体裂隙中，浆液经过固化，胶结岩层裂隙带，同时采空区的浆液形成的结石体对其上覆岩层形成支撑作用，保证建筑物地基稳定。3.2 采空区治理范围的确定原则 采空区治理范围包括采空区治理长度和治理宽度。治理长度是以建筑物东西外边，加围护带（规定为20m），按应力扩散角考虑所确定的长度，宽度南北相同。计算公式：A=D+2B+2(H1ctg+H2ctg)式中：A治理长度；mD东西建筑物两边缘长度316m；B维护带（20m）；H1松散层厚度（10m，据报告）；H2上覆基岩厚度（8#煤层：71.57m，12#煤层：111.87m）；松散移动角，取值45；采空区覆岩应力角，取值75。8# 煤层采空区：（H1ctg+H2ctg）=（10ctg45+111.87ctg75）=40m12#煤层采空区：（H1ctg+H2ctg）=（10ctg45+71.57ctg75）=29.45m30m采空区应处理长度：A=316+220+240=436m采空区应处理宽度：C=64+220+240=184m根据场地条件和业主的要求，在场地南侧治理到建筑物外10m，北侧治理到建筑物外16m范围，因此，采空区实际处理宽度为90m；在场地西侧治理到建筑物外24m范围内，故采空区实际处理长度为400m。3.3 灌浆孔的设计采空区灌浆孔的设计深度为开孔至采空区底板以下1.5m，灌浆孔的灌注长度为最上部完整基岩下6m至灌浆孔底板的深度，注浆管的长度为地面之上1m至完整基岩下6m处深度。（1） 帷幕孔布设为了防止在压力注浆过程中浆液的四处蔓延，为此设计了帷幕孔。帷幕孔布在处理区周边，孔距1820m。（2） 注浆孔布设注浆孔在南、北两排帷幕孔中按30m左右间距布设2排孔，孔距2030m。在采空区或采掘巷道密集、地面变形严重段按小值布设，采掘巷道稀疏、变形轻微段按大值布设。3.4 浆液配合比设计根据我局在山西省大运、长晋、祁临等高速公路煤矿采空区治理工程的成功经验，确定注浆液为水泥粉煤灰浆，其水固比为1:1.41:1.0，水泥占固相的30%，粉煤灰占固相的70%，帷幕孔根据具体情况，采用较稠的浆液或在浆液中掺加水泥重量的2%速凝剂，使注入采空区的浆液尽快凝固，以形成帷幕，防止浆液流失。3.5 采空区注浆量设计(1)采空区剩余空隙体积计算采空区剩余空隙体积为治理范围内的矿层体积乘以采出率，并扣除采空区因顶板垮落而已形成的变形。本项目采空区分8#煤层采空区和12#煤层采空区，8#煤层采空区因年采较长，已趋于较稳定，剩余空隙率取35%；12#煤层采空区仍在移动活跃期，且非连续变形，地表仍可能出现剧烈变形，剩余空隙率取40%。立柱式开采一般回采率40%（回采率应根据实际情况做相应调整，对处理区内做详细调查）。以此，计算得空隙体积为 V=20089.8m3。(2)注浆浆液的结石率按80%计算，浆液对采空区及上覆岩层中的裂隙、裂缝和充填率要求为75%。考虑到在注浆过程中浆液损失，注浆量按下式计算比较合理：Q总=NV/c (m3)式中： N 浆液损耗系数；取1.2 V空隙体积；m3 充填率75%； c 浆液结石率80%。Q总=1.220089.80.75/0.8=22601.03 m33.6 采空区地表裂缝的处理在治理区域内出现一些裂缝，一般采用下述方法进行处理：在裂缝处先开挖1.3m深，0.5m宽的沟，填石料，最后以“三土灰七”填夯实，土料用粉质粘土，不宜用块状粘土和砂质粉土，不得含有松软杂质，并经过筛，其颗粒不得大于15mm。石灰用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5mm。拌和均匀，容重、含水量和压实密度应符合有关标准。地表建筑物裂缝按工民建要求处理。3.7 设计工程量 （1）帷幕孔和注浆孔共106个，孔深127.5m（其中原设计86个，后又设计变更增加20个）。检查孔2个，钻探总进尺13770.0m，铸孔口管长度1802m。（2）采空区治理范围400m90m，面积3600m2。(3)浆液材料：注浆量22061.03m3 , 水：14470m3，水泥5326t，粉煤灰12438t，速凝剂1.08t，砂或碎石57m3。3.8 主要设计工艺及技术要求（1）工艺流程为：定点成孔及下管下注浆管、浇铸孔口管灌浆（备料、拌制浆液）终止灌浆。（2）孔位误差小于1.0m，特殊情况可在5.0m范围内调整。（3）用127 mm钻头开孔，入完整基岩6.0m后，下入114 mm孔口管变径为91mm。（4）用89mm钻头，钻至12#、8#煤层采空区中的塌陷区冒落带或煤层底板以下1.5m。（5）全取芯孔、坚硬完整基岩采取率大于85%，强风化破碎层大于50%。（6）做好钻探原始记录和岩芯编录工作；在钻孔施工过程中，如发现漏水、掉钻、埋钻等现象要详细纪录其深度、层位和耗水量。（7）注浆材料及质量要求：a.注浆材料是由水、水泥、粉煤灰、速凝剂、砂或碎石组成。b.施工拌制用水符合混凝土拌合用水标准。c.水泥为符合国家32.5#矿渣硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。d.粉煤灰质量符合用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB1596）国家级标准。e. 速凝剂可选用水玻璃等。f. 砂或碎石参照有关标准。(8)注浆系统 a.构成：料场、一级搅拌池（机）、二级搅拌池（机）、注浆泵、管道运输、封孔装置等。b.配置要求 料场：堆放材料的料场地要平