煤礦采空塌陷區(qū)的土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處理措施

馬宇晶

(山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500)

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煤礦采空塌陷區(qū)的土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處理措施

馬宇晶

(山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036500)

對我國煤礦采空塌陷區(qū)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，闡述了治理采空塌陷區(qū)的影響因素，提出了相應(yīng)的治理技術(shù)及施工的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施。

煤礦；采空區(qū)；塌陷區(qū)；土建結(jié)構(gòu)

引 言

我國煤礦資源豐富，但大多都是地下資源，需要進(jìn)行地下采集，所以會出現(xiàn)很多的采空區(qū)。采空區(qū)上方，由于自然力的影響，往往會引發(fā)地面出現(xiàn)裂縫，最終導(dǎo)致采空區(qū)塌陷，引起非常嚴(yán)重的后果。本文針對煤礦的采空塌陷區(qū)提出了土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的處理措施。

1 煤礦采空塌陷的現(xiàn)狀及制約因素

采空塌陷區(qū)在我國的分布主要與各地的產(chǎn)煤量有著直接的關(guān)系。在過去的五六十年，采煤量最多的省份為山西，其次有河南、河北、山東、黑龍江等地，這些地區(qū)大多用的是井弓方式進(jìn)行開采，所以，采空區(qū)在這些省份的分布較為密集。此外，從目前國家對采礦業(yè)的政策來看，其治理方式存在或多或少的問題，大多施行“關(guān)小上大”的政策，許多中小企業(yè)被迫關(guān)閉，而大企業(yè)卻使勁開采，最終形成大量的采空區(qū)。對于采空區(qū)的治理，由于各種原因沒有進(jìn)行及時(shí)處理，導(dǎo)致很快出現(xiàn)坍塌。在我國的一些資源枯竭型城市，其礦區(qū)數(shù)量多且大多時(shí)間較長，采空區(qū)的密度大，實(shí)施治理的難度大。即使進(jìn)行了治理，一段時(shí)間后還有可能出現(xiàn)塌陷，最終形成塌陷治理的惡性循環(huán)，對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)產(chǎn)生了十分不利的影響。采空塌陷的制約因素具體見表1。

表1 治理采空塌陷的制約因素

2 煤礦采空塌陷區(qū)的形成與治理

任何地下礦產(chǎn)在開采后都會對周圍的土地、巖層等自然環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。依照采礦的觀點(diǎn)，可以對頂板實(shí)行主動措施，有計(jì)劃地逐步使其全部垮落。這樣的開采方式，不僅可以降低礦體的損失、節(jié)約資費(fèi)，而且操作簡單、技術(shù)含量低。但是，采用這種開采方式對礦體上覆巖層的破壞性強(qiáng)，甚至?xí)绊懙孛?，顯然不利于地面工程的穩(wěn)定施工。

煤層被采空后，由于缺少煤層的支撐，原巖的應(yīng)力狀態(tài)不得不重新分布，當(dāng)應(yīng)力超過巖體強(qiáng)度時(shí)，就會導(dǎo)致巖體破碎垮落，嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生崩塌。對于垮落下來的石塊，其大小形態(tài)各異，逐漸累積成堆，將采煤后形成的空洞逐步充滿。但由于石塊間存在空隙，導(dǎo)致碎石塊的體積發(fā)生膨脹。當(dāng)采空區(qū)被垮落物充滿后，巖層由于被堆積物的支撐不再發(fā)生垮落。垮落帶除了支持上部巖層外，其本身也受到上部巖層的擠壓，導(dǎo)致垮落物發(fā)生壓縮現(xiàn)象。由于開采邊界受到垮落帶的支撐，在上部巖層的重力作用下，逐漸出現(xiàn)裂縫。裂縫出現(xiàn)的范圍就是所謂的裂隙帶。受到采煤層厚度、地質(zhì)條件、冒落帶高度等多種因素的影響，裂縫向上巖層的高度存在明顯的差異，其厚度一般和垮落帶的厚度一致，垮落帶與裂隙帶不存在明確界線，而是交錯過渡，只能進(jìn)行大致的劃分。在裂隙帶之上的巖層，由于開采煤層引起的應(yīng)力沒有發(fā)生明顯的變化，所以不會導(dǎo)致破裂，仍然保持原本的固體特征，只是出現(xiàn)了連續(xù)性的彎曲變形，因此被稱為彎曲變形帶[1]。

緩傾斜煤層在砂巖地帶開采深度超過140 m，在頁巖地帶開采深度超過100 m，采空區(qū)的裂隙帶不會延伸至地表。裂隙帶之上存在彎曲變形帶，地表會因此出現(xiàn)一個(gè)沉降盆地。如果地面上存在建筑物，出現(xiàn)沉降盆地是一種不良現(xiàn)象。但與地面大裂縫、地面陷坑相比，其對建筑物造成的破壞程度明顯降低。沉降盆地的沉降量和范圍大小的深淺，一般隨開采范圍、地質(zhì)條件不同而存在差異。但是，地面沉降差異小時(shí)，地面上的建筑物是可以承受的。否則，地面上的建筑物必須采取相應(yīng)的加固手段。此外，在這種地面上進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，必須檢測地下開采是否還會導(dǎo)致地面變形，確定地面場地穩(wěn)定后才可進(jìn)行工程建設(shè)。

煤炭行業(yè)為確保地面工程的建設(shè)不會遭到地下開采的破壞，一般采用外來材料對采空區(qū)進(jìn)行充填，充填材料主要是起到承托上覆層的作用。充填材料大多以粗砂、礫石類的粒狀材料為主。主要的填充方法有：1) 用砂石料充填采空區(qū)，即局部充填。2) 用水砂自流對全部采空區(qū)進(jìn)行充填。3) 用壓力將水砂對全部采空區(qū)進(jìn)行充填。4) 用砂石料對全部采空區(qū)進(jìn)行充填。采取這些措施，可以減少地面沉降，但作用的程度有所差別。此外，材料充填的密實(shí)程度對填充的效果影響深遠(yuǎn)。

3 煤礦采空塌陷區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施

3.1 地質(zhì)鉆探

可以在采空地帶進(jìn)行地質(zhì)鉆探，對鉆探結(jié)果進(jìn)行分析，以確定采空地帶的地下巖層是否出現(xiàn)斷裂帶、巖層是否完整、巖層的穩(wěn)定性是否受到采空的影響。然后，依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)實(shí)行合理可行的措施。

3.2 主建筑結(jié)構(gòu)型式

礦區(qū)主要的建筑有主廠房、洗煤車間、煙囪、污水處理車間。對應(yīng)的結(jié)構(gòu)型式為：1) 主廠房。企業(yè)的主廠房結(jié)構(gòu)是由現(xiàn)澆鋼筋混凝土制作的土框排架基本結(jié)構(gòu)。其柱距為6 m，長度為48 m；柱底荷載：彎矩M=350 kN·m，剪力Q=98 kN，軸力N=1 350 kN。另外，氣機(jī)間的排架2層，部分跨度為12 m，是現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)成的基本框架，其框架檐高為17 m，配有1臺吊車，吊車載重為16/3.2 t。2) 洗煤車間。洗煤車間是粉塵污染相當(dāng)嚴(yán)重的一個(gè)流程，在實(shí)際的建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)該采取有效的防塵措施，首先應(yīng)該對生產(chǎn)工藝及污染源進(jìn)行明確，除塵系統(tǒng)則使用局部通風(fēng)除塵、全面通風(fēng)換氣2種技術(shù)相互結(jié)合的方式。洗煤的除塵系統(tǒng)主要包含對污染源的控制、管道輸送、水循環(huán)、粉塵吸捕、水膜除塵、排氣、風(fēng)機(jī)等。3) 煙囪。煙囪是由鋼筋混凝土澆灌的筒狀結(jié)構(gòu)，高度大約為80 m，其基礎(chǔ)架構(gòu)是由鋼筋混凝土澆筑的筏板基礎(chǔ)。4) 污水處理車間。通常情況下，煤礦污水處理車間對于污水的處理都是采用一級反滲透裝置，這種裝置主要作用就是將水中的有害物質(zhì)一級陰陽離子進(jìn)行有效清除。反滲透裝置主要包括以下幾個(gè)部分：除垢劑加藥裝置、反滲透組件、高壓泵、中間水箱、RO清洗裝置、保安過濾器。在實(shí)際的污水處理中，主要是通過透過性膜后將壓力變?yōu)閯恿?，通過膜分離技術(shù)達(dá)到反滲透的目的。通過這種方式，能夠有效地除去水中的有機(jī)物、有機(jī)鹽以及微生物，從而達(dá)到污水處理的目的。圖1為煤礦洗煤車間的除塵工藝流程。

圖1 煤礦洗煤車間的除塵工藝流程

3.3 結(jié)構(gòu)的處理措施

實(shí)際情況中，往往因?yàn)閳龅氐南拗贫鴮?dǎo)致其主要建筑不能進(jìn)行位置的調(diào)整。為滿足地基變形相關(guān)要求，只能采取一定的措施，從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方面入手。由于冷卻塔大多是由現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)成的筒狀結(jié)構(gòu)，其整體的剛度較大，所以可在采空影響線的內(nèi)部增設(shè)一個(gè)土地梁，土地梁高1.5 m、寬0.8 m，由鋼筋混凝土澆筑構(gòu)成。增設(shè)之后，可以使其抗彎剛度抗住地基的局部變形，減少對冷卻塔及整個(gè)礦區(qū)的影響。此外，還可以對建筑方案進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的有效處理，通過修改方案，盡可能避免準(zhǔn)備修建的建筑物在穩(wěn)定場地以及相對穩(wěn)定場地的跨越。在修建的過程中，應(yīng)該盡可能地使建筑物的實(shí)用性得到保證，嚴(yán)格控制高差。為了保證建筑物的剛度，對建筑物的層數(shù)以及高度也應(yīng)嚴(yán)格要求，保證建筑物豎向以及平面的規(guī)則布置，避免建筑物中樓板出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象。否則，有可能導(dǎo)致樓層承載力出現(xiàn)變化。如果建筑物需要跨越穩(wěn)定場地以及相對穩(wěn)定的場地，為了減小低級的不均勻沉降，則需要進(jìn)行沉降縫的設(shè)計(jì)，降低因地基的不均勻沉降而導(dǎo)致的對建筑物的損害。

4 結(jié)束語

為避免出現(xiàn)事故，在對采空塌陷區(qū)進(jìn)行土建工程時(shí)應(yīng)當(dāng)首先做好研究工作，找出相應(yīng)的處理措施，逐步改善處理煤礦采空塌陷區(qū)的方式，在原有措施的基礎(chǔ)上引入新的解決方案。

[1] 鄒友峰，柴華彬.建筑荷載作用下采空區(qū)頂板巖梁穩(wěn)定性分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(8):1473-1477.

Civil structure design and treatment measures of coal mining subsidence area

MA Yujing

(Shanxi Jinshen Energy Co., Ltd., Xinzhou Shanxi 036500, China)

This paper firstly analyzes current situation of mined-out collapse area of coal mine in China, and elaborates the influence factors of the mined-out area of governance, and puts forward the corresponding treatment technology and construction measures of structural design.

coal mine; mined-out area; subsidence area; civil structure

2016-08-26

馬宇晶，男，1984年出生，土建助理工程師。研究方向：煤礦開采與土建施工的協(xié)同性。

煤礦工程

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2016.05.30

TD35

A

1004-7050(2016)05-0098-02