高水材料充填處治采空區(qū)技術(shù)★

王 東

(四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，四川成都 610041)

1 采空區(qū)對高速公路的危害

采空區(qū)對高速公路主要的危害包含以下幾個方面:采空區(qū)引起路基沉降，造成路基路面開裂，導(dǎo)致道路等級降低，或造成路面低洼積水，路面浸漬破壞;采空區(qū)失穩(wěn)冒落，使地表產(chǎn)生裂縫、陷坑和臺階等;地表傾斜致使路面坡度發(fā)生變化，導(dǎo)致高速行駛車輛的重心產(chǎn)生偏移，彎道處側(cè)翻事故頻發(fā);地表的水平變形和曲率使路面因受拉而開裂或因壓縮而隆起，導(dǎo)致路面發(fā)生波浪起伏以及路面與路基間發(fā)生離層;此外，采空區(qū)對橋梁、隧道工程的危害同樣非常嚴(yán)峻。

2 采空區(qū)傳統(tǒng)充填技術(shù)

傳統(tǒng)充填技術(shù)主要有以下幾種［1］。

2.1 干式充填

通過天井用礦車或人工將充填材料送到采場進行充填。干式充填系統(tǒng)的作業(yè)環(huán)節(jié)多，充填能力較弱，且粉塵大，充填體不能完全充滿采空區(qū);但該方法投資少。目前有些礦山用鏟運機等機械化生產(chǎn)方式［2］。

2.2 水力輸送充填

水砂充填的材料主要是脫泥尾砂或天然砂，與水混合成濃度均勻的砂漿(一般充填料漿的固體質(zhì)量濃度低于70%)，利用自然壓頭或泵壓，通過管邊或與管邊相接的鉆孔，把充填料輸送到需要充填的回采工作面。水力充填分為水力膠結(jié)充填和水力非膠結(jié)充填兩種。

2.3 條帶開采

條帶開采因采出率低、巷道掘進率高，且對地面的減沉效果不佳，因而應(yīng)用的范圍有限。

2.4 膏體充填

膏體充填充填材料是使用全尾砂或全尾砂與碎石的混合料。可以減少井下充填帶來的污染及排水費用，同時，充填體強度高且水泥消耗量小，一定程度上降低了充填成本;充填體易于接頂，有利于采場圍巖的穩(wěn)定和采礦作業(yè)安全性［3］。膏體充填工藝系統(tǒng)構(gòu)建相對復(fù)雜，初期投入大，充填管道易于堵塞，固體集料需求量大。

3 高水材料充填采空區(qū)技術(shù)

在地面建立充填站，將超高水材料(A料和B料)在地面配制成兩種以水為主要成分的具有高流動性的漿體(水含量95%以上)，通過管路輸送到井下，在即將進入充填區(qū)之前進行混合，并添加少量特制材料(A+料、B+料)，倒入充填袋來進行充填，使其達到充填效果。

下面以河北省邢東煤礦1126工作面為例，介紹高水充填材料處治采空區(qū)的原理及效果。

3.1 充填工藝

做法:將開采工作面用隔板支架分成多個區(qū)域，沿平行工作面方向布置多個充填包，包與包間空一個支架，具體情況如圖1所示。

圖1 高水材料袋式充填工作面布置示意圖

3.2 臨界充填厚度計算

在充填開采中，直接頂厚度計算公式為:

其中，d為充填體厚度，m;SA為基本頂不斷裂情況下最大允許沉降值，一般采場為0.15 m～0.25 m;∑h為直接頂厚度，此處依地層情況為5.57 m;M為采高，此處為4.5 m。

式(1)變形得到:

通過計算，求得臨界充填厚度為3.0 m。

3.3 頂板巖層移動規(guī)律

運用FLAC3D對不同推進距離時直接頂巖層和老頂巖層的破斷規(guī)律進行了計算，文中僅列出推進120 m和240 m兩種工況。

1)直接頂巖層—推進120 m時見圖2。

2)老頂巖層—推進240 m時見圖3。

采用充填方法處理采空區(qū)，直接頂巖層在推進距離達到120 m左右時才開始出現(xiàn)大量的破壞和屈服區(qū)域，此后隨推進距離的增加，破壞范圍和程度進一步增大;老頂巖層在推進240 m左右時才開始出現(xiàn)大面積的破壞和屈服，主要集中在煤體與兩巷交界處，老頂?shù)淖畲笙鲁亮吭? cm～8 cm左右，標(biāo)志老頂未發(fā)生明顯破斷或者垮落。

圖2 直接頂巖層破壞規(guī)律

圖3 老頂巖層破壞規(guī)律

4 高水材料充填處治采空區(qū)減沉效果及結(jié)論

4.1 地面沉降監(jiān)測布置方案

在1126工作面對應(yīng)的地表位置，沿推進方向和平行工作面方向各布置一組地面測點，測點呈十字交叉狀，監(jiān)測地面采空區(qū)引起的地面沉降。

4.2 地面沉降實測結(jié)果分析

地面沉降監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 工作面上方地面沉降情況

從圖4可以看出，地面沉降情況控制較好，截至目前最大沉降量未超過2 cm。也說明，公路下伏采空區(qū)的處治設(shè)計中，可以考慮采用高水材料進行充填處治。

［1］劉同有.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2001.

［2］彭續(xù)承.充填理論及應(yīng)用［M］.長沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

［3］冶金部長沙礦山研究院.充填采礦法［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1978.