某焦化电联产资源综合利用建设工程煤矿采空区治理方案优选论证

根据某焦化电联产资源综合利用建设工程设计求和地下煤矿采空区特征,采用比选法,对治理方案的进行了科学合理的优选,确定墩台式支撑法是最佳治理方案。
关键词采空区、墩台式支撑法、可行性论证

某焦化电联产资源综合利用建设工程拟建规模为年产铸造型焦96万吨及化、电联产工程。
建设工程的厂房砖混结构采取条形基础,钢架结构采用独立基础,焦炉等大型建筑采用钢筋混凝土构架式基础,各拟建(构)筑物基础埋深2.5~7m,基底平均压力60~250KPa。
1.工程地质体特征
按其工程地质性质,厂区内岩土体可分为如下五种工程地质体。
(1)土体
主为厂区地表第四系中更新统松散土体,成份为粉质粘土、粉土、细砂。厚度一般为4.50~60.00m,平均厚度为26.43m。
(2)强风化岩体
属侏罗系直罗组地层,主分布于土体之下,新鲜基岩之上。风化带厚度一般在基岩顶面以下9~12m,平均厚度约10m。风化岩体质量指标RQD一般仅有50.5~53%。其饱和抗压强度一般8.6MPa,顺层抗剪强度0.9~1.2MPa,垂直抗剪强度3.1~11.30MPa。
(3)软硬互层岩体
属侏罗系延安组地层,岩性主为泥岩、砂质泥岩、薄层粉砂岩、砂岩,是煤系地层的主岩组。为典型的层状结构,产状近水平。岩石遇水易发生泥化、崩解、碎裂。水稳定性泥岩较差、砂岩较好。该组岩石软化系数一般小于0.7,饱和抗压强度一般17.4~72MPa之间。
(4)坚硬砂岩体
属侏罗系延安组地层,岩性主为细中粒砂岩,以泥质胶结为主,少量为钙质胶结。它们多为煤层间接顶、底板。软化系数一般0.67~0.81,在难、易软化临界值左右,饱和抗压强度一般大于32.8MPa。
(5)煤岩
主采煤层,层状结构,其饱和抗压强度为6.6~38.2MPa,平均17.9MPa,顺层抗剪强度1.2~2.7MPa,垂直抗剪强度3.1MPa。
2.采空区基本特征
拟建厂区位于煤矿采空区正上方,局部位于未开采的煤矿之上。煤矿目前正在开采之中,采空区体积约500000m3。
该煤矿属于低瓦斯煤矿,煤层近水平,赋存稳定,开采条件极其优越。煤层埋深80-196m,平均埋深100m,厚度3.2-3.8m。顶底板岩石为软硬兼互层岩体。
该煤矿硐口位于沟谷中,采用水平巷道机械运输,房柱式开采。煤矿的运输主巷道从场地东南角呈东南-西北穿过。巷道宽3~3.5m,高3~4m,巷道维护较好。采房规格不一,以采四留四——采七留八为主,目前正在开采区采用采七留八方法开采。采空区保安煤柱大小不一,主断面为4×4m~8×8m。
该煤矿采空区的面积较大,分布不规则,但由于该煤矿采用房柱式开采,井下保安煤柱维护较好,所以采空区目前基本稳定。
3.采空区稳定性评价
3.1特殊地质条件、地质环境具有诱发采空区发生塌陷变的可能性
根据岩土工程勘察报告和地质灾害评估报告,此处无大断层及构造破碎带,不存在古滑坡体等不良地质体。但随着保安煤柱和采空区顶板岩体的风化和浸水软化,发生采空区塌陷的可能性较大,将直接危及地表工厂的安全。
3.2煤柱的稳定性评价
对于房柱开采的煤矿采空区,煤柱的稳定性是保证其采空区稳定的主决定因素;煤柱的稳定性主取决于煤柱应力和煤柱强度,当煤柱应力超过煤柱强度时,煤柱将会失稳破坏。可用安全系数来评判煤柱的稳定性,安全系数一般应在1.5~2.0之间。
煤柱支撑的总荷载可按下式计算
式中p为煤柱支撑的总荷载;
、分别为煤柱的长和宽;
、分别为煤柱两侧采出的长和宽;
为覆岩平均重力密度;
H为覆岩厚度;
煤柱强度准确的测定煤柱的强度是很困难的,最好的方法是进行现场测试。在无法进行现场测试时,一般情况下采用煤柱计算公式计算,如欧伯特-德沃/王(Oert-Dvall/Wang)公式、荷兰德(Holland)公式等,通常多采用欧伯特-德沃/王(Oert-Dvall/Wang)公式。
欧伯特-德沃/王(Oert-Dvall/Wang)公式式中为煤柱强度;
现场临界立方体煤柱单轴抗压强度;
W,h分别为煤柱的宽度和高度;
经过计算可得,最不利状态下煤柱的稳定在0.93~1.16之间,煤柱的稳定系数未达到1.5~2.0,即场地未达到稳定状态,需对采空区进行处理。
4.治理方案比选
采空区的治理方案主可选用的治理方案有墩台式支撑、注浆充填、煤矸石或矿渣充填三种方案。三种方案优缺点分析如下。
4.1墩台式支撑法
(1)墩台式支撑法治理原理在采空区内砌筑浆砌石墩台,对采空区顶板提供直接支撑,由浆砌石墩台、保安煤柱、采空区顶板共同承受上部岩土体和拟建工程的荷载。
(2)优点
①浆砌石墩台强度高,直接作用于顶板,治理效果最好,采空区塌陷得到彻底根治。治理后地表不存在基础沉降或仅有极小的沉降量,可以满足拟建工程对基础沉降量的严格求。
②施工工艺简单,方便施工,便于操作。
③治理成本低,经济效益高。
(2)缺点
①浆砌石施工,以人工作业为主,施工速度较慢。
②仅适用于采空区未塌陷,或局部塌落的矿井。
4.2注浆法
(1)注浆法治理原理采用全充填压力注浆法。采用钻机造孔,将细粒充填材料与水的混合料浆液用注浆泵在压力作用下注入地下,使之在采空区固结为结石体,用以支撑上覆岩层。常用充填材料有细石混凝土;水泥砂浆;水泥、粉煤灰;水泥、粘土,等等。
(2)优点
①施工采用机械化作业,施工进度快。
②充填材料可因地制宜选取,灵活多样。
③地表作业,施工安全方便。
(2)缺点
①存在一定的沉降量,仅适用于对基础沉降量求不严的一般建(构)筑物和场地。
②治理成本高,经济效益低。
③各种充填材料具有一定的适用特点,应用受其应用特点和效果限制。细石混凝土适应面较广;砂浆适用于已经塌陷和较小的采空区;水泥、粉煤灰适用于一般建(构)筑物和场地;水泥、粘土适用于的裂缝封堵和一般的地下空穴。
4.3固体充填法
(1)固体充填支撑法治理原理因地制宜选用固体渣料,采用机械运输采空区充填,利用其自重和机械压实。充填体直接支撑顶板,承担煤柱和顶板的剩余应力,以控制顶板和覆岩变形和塌陷,以保证采空区上方场地及建筑物的安全。
(2)优点
①成本最低,经济效益高。
②充填材料为废弃物,治理采空区同时对周边环境得到有效整治,经济环保。
(3)缺点
①充填体上部的压实施工困难,压实度控制难度较大。
②治理效果较差,有一定的沉降量,适用于上部建筑物对基础沉降求宽松的工程。
4.4方案比选
治理方案直接工程费经济分析对照表
通过上述三方面的对比,墩台支撑治理方案最佳。通过治理可满足拟建工厂对基础和沉降量的求,也能保证矿山的正常生产,同时,治理费用也最为经济。也达到了治理工程“安全可靠”“便于施工”“经济合理”的目的。
5.结论
通过对采空区多种治理方案优缺点和治理费用的比选,认为墩台式支撑治理方案,安全可靠、方便施工、经济合理,是本治理工程的最佳方案。

参考文献
[1]赵树德廖红建王秀丽土力学高等教育出版社2001
[2]杨位光地基及基础中国建筑工业出版社1998
[3]孙超.薄景山.孙有为采空区沉陷研究历史及现状[期刊论文]-防灾科技学院学报2008(4)
[4]刘科伟.李夕兵.宫凤强.刘希灵.王卫华基于CALS及Surpac-FLAC3D耦合技术的复杂空区稳定性分析[期刊论文]-岩石力学与工程学报2008(9)
[5]杨为民.向灵芝.李铁军邯郸-涉县段高速公路沿线煤矿采空区地表沉陷的定量预测[期刊论文]-北京工业职业技术学院学报2008(01)
[6]胡海峰.赵阳升.康建荣.梁卫国煤矿采空区跨度和延续时间与地面残余变形的相关规律及实证[期刊论文]-岩石力学与工程学报2008(01)
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