河南某輸煤項目應對采空沉陷區的技術研究

劉海濱（中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北武漢 430064）

河南某輸煤項目應對采空沉陷區的技術研究

劉海濱
（中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北武漢 430064）

本文介紹了河南某電廠建設的15km長距離輸煤圓管帶式輸送機，管帶機基本在同一礦區內，貫穿礦區三礦、六礦和八礦。煤礦開采引起的地表沉陷無疑將對管帶機的鋪設帶來重大的影響，必須對管帶機沿線地表進行沉陷預測分析，針對采空塌陷區進行專門的結構設計，以確保管帶機安全順利的施工及運行。本文對類似項目在預測手段，及應對變形可采取的措施上，提供了思路。

圓管帶式輸送機 采空區 技術研究

河南某電廠二期工程的配套項目，煤源來自十五公里外的一處煤儲運物流園區，煤炭經過管帶機輸送運到該電廠二期工程，管帶機總的運距為15km，中間1個轉運環節。輸送機所經地區地形起伏大，村莊多，線路有較多轉折管帶機沿線經過該地區三礦、六礦、八礦。

煤礦開采引起的地表沉陷無疑會對管帶機的鋪設帶來重大的影響，必須對管帶機沿線地表進行沉陷預測分析，針對采空塌陷區進行專門的結構設計，并采取有效措施，確保管帶機安全順利的施工及運行。

1　沿線地表移動變形的預測

1.1地表開始產生移動變形時間預測

井下采煤引起地表發生移動變形，到最終形成穩定的沉陷區，這一過程是逐漸而緩慢的，地表的移動是在工作面推進一定距離后才發生的。隨著采煤工作面的推進，在上覆巖層中依次形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶并傳遞到地表，使地表產生移動變形。這一過程所需的時間與采深和工作面推進速度有關，其關系可用如下經驗公式表示：

式中：T—地表開始產生移動變形時間，月；

H0——工作面平均開采深度，m；

V——工作面推進速度，本次預測根據礦井以往開采進度統計，取400m/a。

根據開采深度和采煤工作面推進速度計算的地表開始移動變形時間見表001。

1.2地表移動延續時間預測

表001　地表開始移動變形時間預測

地表移動總時間的長短主要取決于開采煤層上覆巖層性質、開采深度和工作面推進速度，地表移動延續時間，計算公式為：

T =t1+t2+t3，式中：

t1——移動初始期的時間；

t2——移動活躍期的時間；

t3——移動衰退期的時間。

在無實測資料的情況下，地表移動的延續時間（T）可根據下式計算：

T=2.5H0（d）

式中：H0——工作面平均采深（m）。

本項目沿線井田二1煤埋藏深度為510m～980m，根據上述公式，通過綜合計算求得地表移動的延續時間為1275d～2450d。

1.3地表最大下沉速度預測

VO——地表最大下沉速度（mm/d）；

Wcm——最大下沉值（mm）；

C——工作面推進速度（m/d）；

H——采深（m）；

K—下沉速度系數（取1.8）。

通過綜合計算，煤層開采后，地表最大下沉速度11.05 mm/d ～22.1mm/d。

1.4線路受地表沉陷影響分析

根據前面對項目沿線井田分階段地表沉陷預測結果，通過疊圖法進行統計分析，擬建皮帶輸送工程受地表沉陷影響情況見表002。

從表中可以看出，受各井田開采5年、10年及全部采完后三個階段，擬選線路受影響長度、最大下沉值、最大傾斜變形值、最大水平變形值。

2　管帶機走徑區域為采空區處理方案

表002　擬建工程受沉陷影響一覽表

2.1管帶走徑區域概況

管帶走徑區域自北向南全長約15km。根據礦方提供的《三、六、八礦線路采動影響圖》和《三、六、八礦地表沉陷預測圖》，依據井下采掘情況，煤柱留設原則對采空區影響情況進行粗略劃分，將線路受影響情況進行預測。分為近期（5年）受影響段、中期（10年）受影響段、后期（開采末期）受影響段和相對安全穩定段，其中安全穩定段約5.9公里，近期可能受影響段約5.70公里，中期約7.14公里，末期段約8.65公里。

2.2采空區破壞規律及影響因素

煤層開采后形成的采場空間，必然會引

起圍巖（包括本煤層）的原始應力變化，當圍巖所承受的應力超過它的極限強度時，就會發生位移、開裂、斷裂，直至破碎冒落。影響煤礦采空區地表移動變形的因素為煤層埋藏的幾何條件、地質構造、覆巖物理力學性質、水文地質條件、采空區的幾何條件和采掘技術等。

2.3采空區管帶設計結構受力分析

由于管帶支架垂直管帶運行方向的橫向支撐受力點間距較小，兩排支撐受力點不均勻沉降差值應在一個較小的范圍內，也就是說橫向不均勻沉降對長距離管帶系統的危害風險較小，風險主要來自于平行管帶機運行方向的縱向不均勻沉降。

2.3.1管帶路徑選擇

管帶路徑應盡可能避開采礦塌陷區或者選擇在開采時間較早的現有采空區范圍內，避開地表傾角大于25-30度或地表為古滑坡區，當無法避開塌陷區時，原則上運煤管帶應選擇塌陷區內地質條件好、開采深厚比大的適宜地帶作為穿越路徑。

2.3.2計算模型確定

由于管帶棧橋修建在采空區上，將來不可避免的會有不同程度的沉降。因此上部結構應采用靜定結構形式，不適合采用超靜定結構。靜定結構的優點的在于支座的不同沉降差，不會引起結構的內力，從而靜定結構的抗變形能力要強。具體對于本工程來講，管帶棧橋應采用相對簡潔的桁架（跨度較大時）或鉸支的型鋼（跨度較小時），拼裝接點處采用螺栓連接；在管帶棧橋變形縫和節點處預留一定可變形量，提高棧橋結構的水平變形能力。

2.3.3桁架與支架設計

應盡量避免布置大跨度管帶桁架，采空區地段的支架高度相對較低，支架簡單，采用鋼支架形式，桁架的跨度不必很大，按合適的高跨比進行設計以獲得好的經濟指標，跨度以17m為宜。

管帶桁架及支架宜采用鋼結構結構類型，由于鋼結構有比較好的延性，抗變形能力強，即使結構發生較大的變形也不會產生斷裂、倒塌等嚴重破壞；鋼結構有比較好的塑性，發生破壞前有較明顯的變形預兆，便于及時采取安全保護措施；鋼結構可修復性強，當地面下陷，管帶棧橋結構變形影響正常運行時，可以對管帶棧橋進行簡單的修復或加固。采用可調節的管帶鋼支架，適應采空區地表適量垂直變形。

2.3.4基礎設計

管帶支架采用鋼筋混凝土條形基礎或筏形基礎，加強基礎的整體性和剛度，盡量使支架將來可能發生的沉降比較均勻，后期維護和檢修比較容易。

塌陷區局部管帶機支架基礎可用槽鋼整體焊接，并在槽鋼下鋪設石子調節變形；采空區管帶機盡可能在地面鋪設，可采用枕木作為管帶機基礎，降低運行中修復工程量（如圖1所示）。

2.3.5桁架與支撐連接處的處理

在桁架的底部與支撐相連接的位置，設計了一處鉸支座及軌道式移動小輪，當支撐位置發生變化時，固定端的鉸支座會產生旋轉運動，消除垂直平面內的塌陷誤差，放松端的小輪會沿著軌道做直線運動，消除運行方向的塌陷誤差。鉸支座與軌道式移動小輪都留有一定的安裝間隙，可以消除水平方向的塌陷誤差（如圖2所示）。

2.3.6地面變形觀測

采空區管帶基礎穩定性能否滿足要求，主要通過地表變形觀測來評價，觀測點的設立時間，應從采礦區工程施工前至施工結束后6個月為宜（管帶運行期間應進行長期觀測），沉降觀測一般每個月定期進行一次，每次觀測應根據閉合差進行簡易平差，平差后進行測點的高差和高程計算，進行各觀測點及相鄰兩次觀測的沉降量、累計沉降量、沉降速率、累計沉降速率、水平位移量、累計水平位移量計算。編制垂直下沉曲線圖，垂直下沉等值線圖、水平位移曲線圖及相應統計分析表格等數據。根據這些觀測資料分析地表變形量，計算變形特征值，變形的定量數據可作為采取處理措施及修復工程的依據，以滿足管帶機安全運行要求。

3　技術研究的結論

管帶機貫穿三礦、六礦和八礦，通過對沿線井田地表沉陷進行預測，線路途經已開采區地表已基本穩定，項目施工和運營受其影響不大；途經待開采區的線路段將受井田采煤地表沉陷影響，積極借鑒我國在煤礦防地表下沉及采空區地表建構筑物抗變形設計、施工及維護方面積累豐富的業績與成功經驗，通過采取有針對性的基礎和結構形式，優化設備選型，加強沉降及變形觀測，及時維護，可有效的預防和治理管帶機受井田地表沉陷的影響，可以確保擬建管帶機項目安全建設與穩定運行。

劉海濱（1979—），山東平原人，工程師，從事煤礦、選煤廠、儲裝運工程機械方面的設計研究。