彬長礦區輸配水工程采空區應對措施

范麗虹，蘇 怡，張媛媛

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展,土地使用情況越來越嚴峻,在煤礦采空區上方建設的工程越來越多,但由于采空區沉降變形,對這些工程的建設提出了更高的安全要求。

彬長礦區坐落于陜西省關中地區的彬州市、長武縣境內,是水資源極其匱乏的地區之一。水資源短缺已經成為制約當地經濟快速發展的重要原因,在新的形勢下,開發建設亭口水庫及其輸配水工程,可統籌解決彬長礦區開發及當地城鎮生活生產的用水之急。為保證咸陽市彬長礦區輸配水工程滿足安全、經濟、高質量的要求,設計人員和甲方工程師以及合作單位,不斷尋求合理可行的設計方法,以保障輸配水工程的安全施工和運行。本文基于彬長礦區輸配水工程對于采空區的介紹,為后續的工程建設提出安全可靠的措施。

1 工程概況

彬長礦區供水工程是Ⅱ等大（二）型工程,是由兩個取水口、57.9km 輸水管道和4 處加壓泵站等建筑物組成。工程主要建筑物級別為2 級,次要建筑物級別為3 級,臨時建筑物級別為4 級。該工程涉及采空區的建筑物為三個：亭口配水站（1#采空區）、彬長服務區管線段（2#采空區）和福銀高速彬縣服務區管線段（3#采空區）。

2 建筑的場地工程地質條件

根據工程地質勘察報告,涉及采空區段管線主要位于涇河一級階地,呈條帶狀分布。地質勘探所達深度范圍內的地層分布情況如下：

（1）第四系全新統（Q4）：主要由人工堆積層（Q4S）、洪積層（Q42pl）、沖洪積層（Q42al+pl）、沖洪積層（Q41al+pl）組成。

（2）第四系上更新統（Q3）：主要由風積層（Q3eol）組成,上部為風積黃土層,灰黃色,疏松,土質均一,層厚8 m～12 m不等；下部為古土壤層,淺棕紅色,質均,層厚1 m～2 m 不等。

（3）第四系中更新統（Q2）：主要由風洪積層（Q2eol+pl）、沖積層（Q2al）,厚度約1m。

（4）白堊系下統（K1）：主要由華池環河組砂巖與泥巖互層（K13+4）組成。

3 采空區地基穩定性安全評估

設計單位對該工程原設計建筑物地質進行地基穩定性評價,并形成《評價報告》。《評價報告》主要結論如下：三段采空區涉及兩家煤礦。

1）煤礦A 井田范圍內煤層厚度12 m～20 m,煤層埋深430 m～500 m,采用綜采放頂煤工藝,頂板自由垮落管理,分層開采。未來開采地表變形量結果為：

最大沉降量：W=7800 mm～13000 mm

最大傾斜量：i=31.985 mm/m～61.986 mm/m

最大豎曲率：K=±0.199 mm/m2～0.449 mm/m2

最大水平位移：U=2730 mm～4550 mm

最大水平變形：ε=±16.90 mm/m～32.76 mm/m

2）煤礦B 井田范圍內煤層厚度約7.6 m～12.6 m,煤層埋深327.3 m～375.8 m,采用綜采放頂煤工藝,頂板自由垮落管理。未來開采地表變形量結果為：

最大沉降量：W=2925 mm～5400 mm

最大傾斜量：i=12.949 mm/m～25.163 mm/m

最大豎曲率：K=±0.081 mm/m2～0.178 mm/m2

最大水平位移：U=877.5 mm～1620 mm

最大水平變形：ε=±5.66 mm/m～11.40 mm/m

根據調查,工程沿線可能存在越界開采的情況,產生較大范圍地表變形。

4 采空區勘察與穩定性評價

經過前期工作,對工程建筑物優化后,為進一步確認建筑物范圍內采空區分布、變形情況,由專業隊伍采用綜合勘察手段查明采空區在擬建工程場地上的分布范圍、埋藏深度、空間形態及賦存狀態,論證采空區場地、地基的穩定性,以及采空區對擬建工程的危害,并提出科學合理的防治措施建議為治理設計提供依據,確保整個工程建設及運營期間的安全,形成《評價報告》。

4.1 亭口配水站煤礦A（1#采空區）

該采空區為2010 年8 月20 日至2011 年4 月20 日開采,煤層厚12 m～18 m,平均厚度為15 m,傾角2°,大致呈東南向西北傾斜,煤層底板埋深460 m～480 m（高程385.4 m～419.4 m）,采用長臂后退式綜采放頂煤采煤工藝,頂板全部跨落法管理,采高9.3 m,工作面長度約109.4 m,采空區面積70436 m2,估算目前采空區剩余空洞體積為183415 m3。采空區場地穩定性對上部工程建設影響較大,該采空區內剩余變形量較大,采空區處于不穩定狀態,建設場地適宜性差,結合建筑物工程特性,設計采取“注漿充填”工程治理措施。穩定性評價見表1。

表1 穩定性評價結果

4.2 彬長服務區煤礦A（2#采空區）

該采空區為2009 年10 月開采,煤層厚度約19.3 m,底板高程372.1 m～376.8 m,底板埋深479 m～485 m。采用長臂后退式綜采放頂煤工藝,頂板全部跨落法管理,采高8.5 m～8.9 m,工作面長度約190 m。采空區面積77700 m2,估算采空區剩余空洞體積為145221 m3。該采空區剩余變形量較大,處于不穩定狀態,采空區場地穩定性對工程建設影響大,建設場地適宜性差,結合管道工程特性,設計采取抗變形結構措施。穩定性評價見表2。

表2 穩定性評價結果

4.3 管線段福銀高速彬縣服務區煤礦B（3#采空區）

該采空區為2006 年～2015 年,煤層厚7.6 m～12.6 m,平均9.8 m,傾角1°～3°,底板高程為442.4 m～510.7 m,埋深為327.3 m～375.8 m；采用長臂后退式綜采放頂煤工藝,頂板全部跨落法管理,采高5.8 m～7.6 m；工作面長度約為96 m。采空區面積為925835 m2,估算采空區剩余空洞體積為1411411 m3。該采空區剩余變形量較大,處于不穩定狀態,采空區場地穩定性對工程建設影響大,建設場地適宜性差,結合管道工程特性,設計采取抗變形結構措施。穩定性評價見表3。

表3 穩定性評價結果

5 彬長礦區采空區地基穩定性的應對措施

根據采空區綜合勘察和穩定性評價結論,1#采空區的剩余變形量大,采空區目前處于不穩定狀態,采空區場地穩定性對上部工程的建設影響較大,上部建設的亭口配水站、電站等重要建筑物,安全級別要求高,這些建筑物工程基本無法靠自身結構措施或能力適應1#采空區如此大的剩余變形量,經論證,設計采用“全膠結注漿充填”工程治理方案。全膠結注漿充填是在采空區范圍內,按照相同的孔距和一定的排列方式,布設注漿孔,用鉆機鉆孔,通過注漿泵和注漿管,將攪拌均勻的水泥粉煤灰漿注入到采空區及其上覆巖體裂隙中,水泥漿液固化后,可膠結巖層裂隙帶,同時漿液形成的結石體對采空區上覆巖層形成支撐作用,可阻止上覆巖層進一步的冒落塌陷。全膠結注漿法已經在我國很多個采空區治理工程中取得了成功的經驗,該種方法施工工藝比較成熟,施工相對簡單一點,施工易于管理,安全性較高,缺點是材料用量比較大。2#和3#采空區剩余變形量較大,目前采空區也處于不穩定狀態,采空區場地穩定性對工程建設影響大,上部敷設的輸水管道,可以采用抗變形能力強的柔性管材和一定的結構措施,以適應采空區剩余變形量,相比采用采空區工程治理措施,可大幅節省工程投資。根據管道工程各種管材的特性,以及管道輸水工程的成功經驗,經比選論證,設計最終采用波紋涵管內置聚乙烯PE 管方案,即采用聚乙烯PE管承擔內水壓力,波紋鋼管承擔外部填土壓力。

6 結語

由于目前國內針對采空區問題的研究較少,且缺乏經驗,研究主要還是依據《礦山開采沉陷學》理論和煤礦“三下”采煤經驗,再結合我國多個采空區的治理工程實踐,文中提出的“注漿充填”措施和抗變形結構措施還有待于后續的工程實踐的檢驗。隨著科技的發展和城市化的進程,會有越來越多的建設活動在特殊地區上進行。通過在設計階段對特殊地質條件不利影響的充分考慮,經過科學的計算分析,并采取正確、可行的措施,同樣能保證該建筑的安全性、及后期的正常使用,同時控制建設成本,避免無謂地增加造價。