煤礦采空塌陷區(qū)的土建結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工

任 勇

(山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司，山西 河津 043300)

煤礦采空塌陷區(qū)的土建結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工

任 勇

(山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司，山西 河津 043300)

結(jié)合我國煤礦采空塌陷現(xiàn)狀，闡述了制約采空塌陷災(zāi)害治理的主要因素，分析了塌陷區(qū)形成機理及治理技術(shù)，并從地質(zhì)鉆探、建筑結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)處理三方面,提出了煤礦采空塌陷區(qū)的施工結(jié)構(gòu)設(shè)計措施,可有效改善因采空造成的地質(zhì)變形帶來的不利影響。

煤礦采空區(qū)，塌陷，結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 當(dāng)前我國煤礦采空塌陷現(xiàn)狀

當(dāng)前我國的很多煤礦都是在地下開采，自然會出現(xiàn)很多的采空區(qū)。而采空區(qū)的上部的覆巖在一系列自然力的影響下，很容易會引發(fā)地面的裂縫，乃至于崩塌，帶來嚴(yán)重的后果。而在這些塌陷區(qū)之上如何實施土建工程，也是非常值得研究的，這里以煤礦為例說明采空塌陷的治理對策。

1.1 塌陷現(xiàn)狀

1)采空區(qū)分布。從整體來看，采空區(qū)自身的大小其實是和各地的產(chǎn)煤量有著直接的關(guān)聯(lián)的。在過去的半個多世紀(jì)當(dāng)中，貢獻原煤產(chǎn)量的省份以山西最多，其次是河南河北，然后是山東和黑龍江。這些產(chǎn)地的產(chǎn)煤量很高，絕大部分都是井工進行開采的，所以這些省份的采空區(qū)分布也最為密集。

2)對礦區(qū)發(fā)展的負(fù)面影響呈上升趨勢。就當(dāng)前來看，國家的治理方式存在問題，很多政府都執(zhí)行“關(guān)小上大”的政策，使得小企業(yè)關(guān)閉，大企業(yè)拼命開采，最終導(dǎo)致采空區(qū)的不斷出現(xiàn)，而原有的采空區(qū)并沒有及時治理，很快的就發(fā)生塌陷。同時在一些資源枯竭型城市，存在很多的老礦區(qū)，而幾乎處處都是采空區(qū)，幾乎無法實施治理，即便治理也踏進了“塌陷→搬遷、整治→再塌陷→再搬遷、再整治”的惡性循環(huán)，使當(dāng)?shù)亟?jīng)濟陷入困境。

1.2 制約采空塌陷災(zāi)害治理的主要因素

第一，在1997年之前，國家并沒有將礦區(qū)采空區(qū)塌陷相關(guān)治理納入到有關(guān)制度當(dāng)中，更沒有相應(yīng)的資金等配套體系，所以這一問題在很多礦區(qū)都普遍存在；第二，對于煤炭行業(yè)自身的發(fā)展來說，其長期的處于一種虧損的狀態(tài)，很多的企業(yè)對于因為采煤造成的塌陷事故無力承擔(dān)，無力負(fù)責(zé)。既沒有相應(yīng)的資金，也拿不出足夠的人力支持，所以礦區(qū)塌陷現(xiàn)象普遍存在；第三則是因為采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害并非都發(fā)生在采空之時，而是具有相應(yīng)的滯后性，這樣導(dǎo)致了責(zé)任人難以追究；尤其是在很多企業(yè)礦區(qū)，往往都是企業(yè)搬走了乃至于被合并了之后發(fā)生的塌陷，是很難找尋其中的責(zé)任人的；第四，很多煤炭礦區(qū)都帶起了一個城市的發(fā)展，但是兩者的發(fā)展成本都很高，導(dǎo)致一些資源枯竭型城市的發(fā)展舉步維艱。

2 塌陷區(qū)形成機理及治理技術(shù)

隨著我國建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，地下的礦產(chǎn)資源正在較大量開采，如金屬礦、煤礦等。任何地下礦產(chǎn)在被開采之后，都要對礦區(qū)自然環(huán)境帶來一些變化和影響。從采礦的觀點看，對頂板采取主動措施，使之有計劃地全部垮落下來，這種開采方式經(jīng)濟節(jié)約、礦體損失少、技術(shù)操作簡便。但是這種開采方法顯然使礦體的上覆巖層受到很大的破壞，甚至這種破壞和擾動直接影響到地面，這對地面工程場地的穩(wěn)定性顯然不利。

煤層采出后，其上方巖石失去原有煤層的支持，原巖的應(yīng)力狀態(tài)在新條件下發(fā)生重新分布。凡是應(yīng)力達(dá)到或超過巖體自身強度的那些巖體就要破碎垮落下來。垮落下來的大小不等的塊石無序地堆積起來，充填了采煤后的空間，塊石之間有連通性的空隙，因而碎石的總體積(連空隙在內(nèi))發(fā)生膨脹。隨著垮落范圍向上覆層擴展，垮落物逐漸充滿了采空區(qū)，其上的巖層受到垮落物的支持就不再繼續(xù)垮落。垮落的范圍稱垮落帶(冒落帶)。薄煤層采空后的垮落帶厚度常在煤層厚度的1.7倍以內(nèi)。

垮落帶支撐了上部巖層的同時，本身也在上覆巖層的重力下發(fā)生了壓縮，在此條件下，上覆巖層將逐漸下沉。在開采邊界處受到支撐條件影響，上覆巖層像周邊受到支撐的厚板，在上部重力作用下，發(fā)生撓曲，因而出現(xiàn)了裂縫。裂縫開展的范圍稱裂隙帶。隨著地質(zhì)條件、采煤層厚度、冒落帶高度等不同因素的作用，裂縫向上覆巖層開展的高度也各不相同，其厚度約與垮落帶的厚度相等。垮落帶與裂隙帶交錯過渡，沒有明確界線，只能大致劃分。在裂隙帶之上的巖層，由于開采煤層引起的應(yīng)力變化不大，因而不發(fā)生破裂，仍保持原來的連續(xù)性固體特征，只是出現(xiàn)了以沉降為主的彎曲變形。通稱這一帶為彎曲帶或連續(xù)變形帶。

一般說來，緩傾斜煤層在頁巖為主的地帶開采深度超過110 m，在砂巖為主的地帶超過150 m，或者H/M>40以后，采空區(qū)冒落帶和裂隙帶將不會發(fā)展到地表。在裂隙帶之上，將有連續(xù)性彎曲變形帶存在，地表會出現(xiàn)一個沉降盆地。對地面上已有建筑物來說，沉降盆地的出現(xiàn)仍然是一種不良現(xiàn)象，但比地面陷坑、地面大裂縫對建筑物的破壞程度大為減輕。沉降盆地的范圍大小和沉降量的深淺，隨地質(zhì)條件、開采范圍不同而不同。當(dāng)?shù)孛娴牟町惓两挡淮髸r，地面建筑物可以承受，否則，地面建筑物必須采取加固措施。在這樣的地面上進行工程建設(shè)時，必須充分研究由于地下開采引發(fā)的地面變形是否已經(jīng)完全終止。如果是終止，可以認(rèn)為場地已經(jīng)穩(wěn)定，即可以作為天然地基進行工程建設(shè)。

巷道式開采法的橫斷面有矩形、半圓拱形、梯形等，在巷道相交或分岔處，開采面積較大。一般情況下，這種開采方式多數(shù)是集體企業(yè)、個人企業(yè)在淺層煤礦開采中使用的。如頂板為堅硬巖石(如砂巖)，往往無任何支護；如頂扳為軟巖類(如泥頁巖)，則用坑木支護。開采結(jié)束后，對巷道不作任何處理，任其自然發(fā)展。

煤炭行業(yè)為了保證地面工程避免地下開采的破壞，采用外來材料充填采空區(qū)的方法。充填材料的作用相似于原來煤層所起的承托上覆層的作用。充填材料多數(shù)是粗砂、礫石類的粒狀材料。充填的方法有以下幾種：

1)用外來砂石料對采空區(qū)進行帶狀充填，也就是進行部分充填。2)用砂石料充填全部采空區(qū)。3)用水砂自流充填全部采空區(qū)。4)用壓力將水砂充填全部采空區(qū)。5)水砂充填與帶狀部分開采相結(jié)合(回采率約為50%～60%)，形成復(fù)合受壓層。

這些措施對減少地面沉降都有效果，但程度不同。材料充填的密實程度顯著影響充填的效果。

3 基于塌陷的結(jié)構(gòu)設(shè)計措施

3.1 地質(zhì)鉆探

為了進一步的探明因為煤礦的采空而帶來的影響，并且分析了地下巖層的相應(yīng)的穩(wěn)定性，進一步的觀察下部的巖層是否存在開裂的情況，我們應(yīng)該在相應(yīng)的地域做一個地質(zhì)鉆孔，透過這個鉆孔相應(yīng)的數(shù)據(jù)，來加以探明該地域的地下巖層是否完整，是否存在一些斷裂帶，借以相應(yīng)的數(shù)據(jù)來表明采空區(qū)域是否對地下巖層自身的穩(wěn)定性帶來了相應(yīng)的影響。

3.2 主要建(構(gòu))筑結(jié)構(gòu)型式

1)企業(yè)的主廠房是一個高層的現(xiàn)澆鋼筋的混凝土相關(guān)材料制作成的土框排架的基本結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)的柱距是6 m，而長度則達(dá)到了48 m，在設(shè)施當(dāng)中，汽機間的排架相關(guān)部分的跨度則是12 m，跨及兩層，是一個現(xiàn)澆鋼筋混凝土的基本框架結(jié)構(gòu)，框架的檐高是17 m，在設(shè)施上配置了一臺載重為16 t/3.2 t的吊車。

柱底荷載:軸力N=1 350 kN，彎矩M=350 kN·m，剪力Q=98 kN。

2)企業(yè)的除氧煤倉間是一個7 m的跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土為主要材料的六層框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的檐高是27 m，而標(biāo)高則達(dá)到了12.5 m。在設(shè)施上，主要配置了2臺容量為75 t的除氧器，倉間的標(biāo)高是23.5 m，里面主要澆筑了3座容積達(dá)到了150 m3的現(xiàn)澆鋼筋混凝土材料的煤倉。柱底荷載：軸力N=4 250 kN，彎矩M=256 kN·m，剪力Q=158 kN。

3)企業(yè)內(nèi)部設(shè)置的雙曲線冷卻塔，是一個現(xiàn)澆鋼筋混凝土的筒體結(jié)構(gòu)，從整體上來看，淋水面積達(dá)到了1 000 m2，檐高則達(dá)到了55 m的高度，從基礎(chǔ)上來看，鋼筋混凝土是一個條形的基本基礎(chǔ)。

4)企業(yè)的煙囪，也是現(xiàn)澆鋼筋混凝土材料制作的筒體結(jié)構(gòu)，其高度達(dá)到了80 m，在基礎(chǔ)架構(gòu)上采取了鋼筋混凝土的筏板基礎(chǔ)。

3.3 結(jié)構(gòu)處理措施

因為場地自身的相關(guān)限制，我們主要的建筑是不可以隨意的調(diào)整其位置的，只能夠從基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取相應(yīng)的措施，來滿足區(qū)域的地基變形的相應(yīng)要求。我們廠區(qū)的冷卻塔是現(xiàn)澆鋼筋混凝土的一個筒體結(jié)構(gòu)，整體的剛度非常大，而如果在采空影響線的內(nèi)部嘗試設(shè)置增加一個80 cm寬，150 cm高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的土地梁，能夠使其基礎(chǔ)的抗彎剛度恰恰可以扛得住地基的局部變形對于冷卻塔乃至于整個采礦片區(qū)的不利影響。

經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，主廠房的①軸～⑦軸之間的區(qū)域受塌陷的影響比較小，而⑦軸～⑨軸之間的區(qū)域則受塌陷的影響比較大。所以我們應(yīng)該在⑦軸處這個分界線附近建造一道測試的沉降縫，與此同時還應(yīng)該在①軸～⑦軸之間采用一些鋼筋混凝土的相應(yīng)的條形基礎(chǔ)，以此來增加這一部分的整體性，提高抗災(zāi)能力；而在⑦軸～⑨軸 的相關(guān)部分則可以采用鋼筋混凝土相應(yīng)結(jié)構(gòu)的獨立基礎(chǔ)，一般采用的基本的框架結(jié)構(gòu)的體系變?yōu)榕偶艿慕Y(jié)構(gòu)，在框架梁的鑄造上采用相應(yīng)的預(yù)制構(gòu)件，同時和框架柱之上的螺栓進行連接，設(shè)置梁柱為其中的鉸接點，如此這般可以吸收廠區(qū)建筑物的地基自身因為變形而可能產(chǎn)生的系列內(nèi)力。為了保證廠房的整體結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性，可以嘗試在每個跨柱中間加設(shè)一個基本的柱間支撐。與此相對應(yīng)的，還應(yīng)該減輕框架結(jié)構(gòu)當(dāng)中的部分結(jié)構(gòu)自身的重量，進而進一步的降低地震等自然災(zāi)害所可能帶來的不利影響，如果將通常所設(shè)計的鋼筋混凝土的煤斗加以更改，變成一個鋼煤斗，則能夠最大程度降低柱底的軸力以及自然災(zāi)害發(fā)生時可能帶來的水平的剪力。總而言之，這些措施都能夠很好的改善因為采空而造成的地質(zhì)變形所帶來的不利影響。

[1] 蓋春平，閆連群，王 治.簡約煤礦采空塌陷的地質(zhì)災(zāi)害評估特點[A].中國煤炭學(xué)會礦井地質(zhì)專業(yè)委員會2008年學(xué)術(shù)論壇文集[C].2008.

[2] 李法濱，何文勇，俞仁泉.高密度電法在某采空塌陷區(qū)勘察中的應(yīng)用[A].貴州省巖石力學(xué)與工程學(xué)會2011年學(xué)術(shù)年會論文集[C].2011.

[3] 靳雙喜，靳慧潔，陳益敏.在焦作市中站區(qū)煤礦采空塌陷區(qū)提高勘探工程質(zhì)量的方法與措施[A].河南地球科學(xué)通報2010年卷(下冊)[C].2010.

The civil engineering structure design and construction in coal mine gob subsidence area

Ren Yong

(ShanxiChinaCoalHuajinEnergyLimitedLiabilityCompany,Hejin043300,China)

Combining with the present situation of coal mine gob subsidence in China,this paper elaborated the main factors restricting gob subsidence disaster governance,analyzed the subsidence forming mechanism and control technology,and from the geological drilling,building structure types,structure treatment three aspects,proposed the construction structure design measures in coal mine gob subsidence area,could effectively improve the adverse effects of geological deformation caused by gob.

coal mine gob area,subsidence,structure design

2015-10-15

任 勇(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)36-0069-02

TU318 < class="emphasis_bold">文獻標(biāo)識碼：A

A