郭愛國
(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)
充填條帶開采公路橋梁煤柱的理論與實踐
郭愛國
(天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部,北京 100013)
就煤礦采動變形對橋梁的影響進行了分析,并結(jié)合橋梁相關(guān)規(guī)范,對橋梁的抗變形能力進行了研究與確定。在對橋梁抗變形能力分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合具體工程實例,對橋梁煤柱的開采方案進行了設(shè)計。研究表明,充填條帶開采可以在對煤柱部分回收的同時最大限度地減小地表移動變形,不影響橋梁的安全使用。
充填開采;條帶開采;橋梁煤柱;沉陷控制
道路橋梁關(guān)系到交通安全,保護等級高,橋梁壓煤一般需要留設(shè)長久煤柱。國內(nèi)外橋梁下壓煤開采的研究及應(yīng)用較少。隨著“三下”采煤理論與應(yīng)用的逐漸成熟,特別是近幾年充填開采技術(shù)在煤礦的成功應(yīng)用,在煤礦開采造成的地表變形滿足橋梁安全使用的前提下,可以采取一定的開采措施進行橋梁煤柱的部分回收。
條帶開采是目前建筑物下壓煤開采比較成熟的方案,應(yīng)用較多;煤礦充填開采近幾年有了較快的發(fā)展,應(yīng)用的煤礦越來越多,技術(shù)也逐步成熟。充填條帶開采方案可以充分發(fā)揮條帶開采與充填開采的優(yōu)勢,最大限度地減小地表移動變形,可以采用該技術(shù)進行橋梁煤柱的部分回收。
1.1 采動變形對橋梁影響分析
煤礦開采造成的地表移動與變形將使橋梁主體結(jié)構(gòu)與地基之間的初始平衡狀態(tài)遭到破壞。在新的平衡形成過程中,橋梁地基和主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部必然產(chǎn)生附加應(yīng)力,從而導(dǎo)致橋梁發(fā)生變形和破壞。對橋梁穩(wěn)定性造成影響的采動變形主要有下沉、傾斜變形和水平變形。
地表下沉的影響主要是對水位的影響,影響河道的排泄,地表不均勻沉降產(chǎn)生的橋墩沉降差異可能影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。地表傾斜可造成橋墩的傾斜變形,另外可使橋面坡度和梁的坡度增加,可能產(chǎn)生順滑和簡支梁的擠壓與破壞。地表的水平變形主要表現(xiàn)為各橋墩間的距離變化,當(dāng)拉伸變形較大時,有可能使簡支梁脫離橋墩而發(fā)生倒塌事故;而壓縮變形較大時,可能使橋梁產(chǎn)生簡支擠壓,從而產(chǎn)生橋面隆起,影響正常通行。
1.2 橋梁抗變形能力分析
橋梁根據(jù)單孔跨徑或多孔跨徑總長分為特大、大、中、小橋及涵洞,如表1所示。不同類型的橋梁,其重要性不同,相應(yīng)的抗變形能力也不同。
表1 橋梁涵洞分類
(1)
橋梁能承受的最大水平變形為:
(2)
2.1 基本情況
設(shè)計區(qū)為一公路橋煤柱,平均走向長900m,傾斜寬480m,實際可采面積約2.6×105m2。煤層平均傾角15°,煤層平均厚度2.6m,煤柱地質(zhì)儲量0.985Mt。煤層埋藏深度630~820m,松散層厚度約15m。公路大橋為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),全長440m,單孔跨距25m,橋面寬15m。橋墩為雙柱式橋墩(屬于輕型橋墩)。
2.2 大橋煤柱開采方案初步分析
根據(jù)公式(1)和(2),以某橋梁的單孔跨徑25m代入計算得橋梁簡支梁墩、梁臺及基礎(chǔ)可承受的傾斜變形值為2mm/m,承受的最大水平變形值為1mm/m,大橋允許的最大下沉值確定為200mm。
如果大橋煤柱采用全陷開采,依據(jù)煤礦取得的地表移動計算參數(shù)(η=0.68,tanβ=2.0,b=0.3,S=0,θ=82°),計算得到的地表最大下沉值為1160mm,最大水平變形為3.5mm/m,最大傾斜變形為3.8mm/m,最大曲率變形為3.3×10-5mm/m,最大水平移動為441mm,各項指標(biāo)均超出了橋梁的允許變形,不滿足設(shè)計要求。為了提高橋梁的安全度,采用減沉效果好、安全度高的充填條帶開采方案進行橋梁煤柱的開采。
2.3 充填條帶工作面采寬、留寬的確定
根據(jù)條帶開采的相關(guān)理論研究,采出條帶的寬度一般取采深(H)的1/4~1/10。同時為了保證條帶煤柱的長期穩(wěn)定,常規(guī)條帶煤柱留寬一般要大于5倍的采高。由壓力拱理論可知,條帶采寬的最大值可由下式計算:
b<3(H/20+6.1)
大橋煤柱平均采深為700m,代入以上公式求得條帶開采的最大采寬為123.3m,確定大橋煤柱條帶開采的最大寬度為120m。根據(jù)條帶設(shè)計原則,并充分考慮充填工作面與垮落工作面的差異(采用充填開采方案,塑性區(qū)寬度忽略不計,核區(qū)寬度近似為煤柱寬度),分別采用采寬120m留寬60m、采寬120m留寬50m、采寬120m留寬40m和采寬120m留寬30m共4個方案??迓浞ü芾眄敯鍡l帶開采條帶煤柱的安全系數(shù)一般要求大于1.5,采用充填開采工藝時,充填體會分擔(dān)煤柱的部分載荷,同時煤柱處于充填體的包圍之中,煤柱實際處于三軸壓縮狀態(tài),其抗壓強度比單軸壓縮狀態(tài)要高。所以充填開采條件下要求計算的煤柱的安全系數(shù)大于1.2即可滿足要求。各個方案采用威爾遜強度理論計算出的煤柱的穩(wěn)定性匯總?cè)绫?所示。
表2 不同采留寬方案回收率及煤柱穩(wěn)定性匯總
由表2可以看出,方案3和方案4煤柱穩(wěn)定性系數(shù)小于1.2,不滿足要求。方案2(采120m留50m)煤柱穩(wěn)定性滿足要求,同時煤炭采出率又比方案1高,故推薦采用方案2布置工作面。
2.4 充填工藝及減沉效果
充填條帶工作面擬采用粉煤灰高水膨脹材料充填開采工藝,充填材料通過充填管路泵送至充填工作面。該充填工藝采用的充填材料在凝固的過程中具有膨脹性,能夠保證充填體的充分接頂,同時充填體具有長期強度,以上兩個方面可以保證長期、良好的充填效果。該礦已經(jīng)采用該工藝在工業(yè)廣場建筑物下方開采了多個充填工作面,開采后,地表辦公樓等建筑物下沉及變形輕微,均能正常使用。同時,該礦在702粉煤灰膨脹材料充填工作面布設(shè)了地表移動觀測站。702充填工作面走向長度285m,傾向長度190m,平均開采深度505m,煤層開采厚度2.5m,煤層傾角α=15°,觀測到的地表最終下沉值72mm。根據(jù)地表移動觀測站實測數(shù)據(jù),擬合求得的下沉系數(shù)η=0.08,水平移動系數(shù)b=0.3,主要影響角正切tanβ=2,開采影響傳播角θ=82°。
2.5 設(shè)計方案對大橋采動影響預(yù)計
地表移動變形預(yù)計采用基于概率積分法的計算機程序進行,預(yù)計參數(shù)采用以上擬合參數(shù)。預(yù)計結(jié)果表明,大橋煤柱采用設(shè)計的充填條帶方案開采后,在盆地范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大下沉值為137mm,最大傾斜變形為0.45mm/m,最大水平拉伸變形為0.21mm/m,最大水平壓縮變形為-0.42mm/m。在大橋處產(chǎn)生的最終下沉值為124mm,最終傾斜變形為0.32mm/m,最終水平壓縮變形為-0.38mm/m。在回采過程中,大橋承受的動態(tài)拉伸變形最大值約為盆地范圍最大變形值的70%,即0.14mm/m,可以保證橋梁的正常使用。
(1)根據(jù)相關(guān)專業(yè)規(guī)范,對公路橋梁抗采動變形能力進行了分析,并確定了保證橋梁正常使用的變形標(biāo)準(zhǔn)。
(2)對大橋煤柱的開采方案進行了初步分析,從保證大橋安全的角度,推薦大橋煤柱采用減沉效果最好的條帶充填開采方案。
(3)從煤柱穩(wěn)定性和煤炭采出率兩方面進行了綜合分析,確定大橋煤柱范圍內(nèi)條帶工作面按采120m留50m的尺寸布置。回采區(qū)域采用粉煤灰高水膨脹材料充填法管理頂板,隨采隨充工藝。
(4)采用設(shè)計方案開采后,預(yù)計在大橋處產(chǎn)生的最終下沉值、傾斜變形值及水平變形值在橋梁允許變形范圍內(nèi),不影響橋梁的安全使用。
[1]董 軍.橋梁工程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.
[2]中華人民共和國交通運輸部.公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范JTG/D63-2007[M].北京:人民交通出版社,2007.
[3]郭愛國.寬條帶充填全柱開采條件下的地表沉陷機理及其影響因素研究[D].北京:煤炭科學(xué)研究總院,2006.
[責(zé)任編輯:徐乃忠]
TheoryandPracticeofStripMiningCoal-pillarforHighwayBridge
GUO Ai-guo
(Coal Mining & Designing Department,Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)
Influence of mining deformation on bridge was analyzed.Combining with corresponding specification of bridge, anti-deformation ability of bridge was determined.On the basis of this, mining projection of coal-pillar for bridge was designed.Result showed that stowing strip mining could mine part coal-pillar, and maximally reduce surface movement and deformation, which would not influence bridge safety.
stowing mining; strip mining; coal-pillar for bridge; subsidence control
2014-03-14
10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.029
中國煤炭科工集團公司科技創(chuàng)新基金項目:條帶充填減沉技術(shù)與關(guān)鍵裝備研究(2011MS014)
郭愛國(1981-),男,山東菏澤人,工程師,主要從事巖層移動和建(構(gòu))筑物下采煤的研究及技術(shù)工作。
郭愛國.充填條帶開采公路橋梁煤柱的理論與實踐[J].煤礦開采,2014,19(4):97-99.
TD823.7
A
1006-6225(2014)04-0097-03