老采空区超高水材料注浆减沉监测与效果评价.pdf

Vo l. 29,No . 8 Aug 2020 第29卷第8期 2020年8月 中国矿业 CHINA MINING MAGAZINE 老采空区超高水材料注浆减沉监测与效果评价 李 明】，张兆江12,温成龙3,张 曦1 1.河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北邯郸056038； 2.河北省煤炭资源综合开发与利用协同创新中心，河北邯郸056038； 3.中煤邯郸设计工程有限责任公司，河北邯郸056031 摘要老采空区注浆减沉效果的监测和评价对采煤沉陷区的合理利用和注浆减沉方案的优化具有重要 意义。本文以邯矿集团聚隆矿业有限公司下伏老采空区为研究对象，对老采空区注浆充填过程中地表监 测点进行现场实测，并对注浆后的减沉效果进行评价分析。结果表明对老采空区进行注浆后，与不进行 注浆时相比地表减沉25 ;监测点受注浆影响下沉速度明显减缓，监测期间地表下沉量显著减小。对老采 空区进行注浆能够减小地表下沉，有效地保证地表建构筑物的安全运营。 关键词注浆减沉；减沉率；概率积分法；减沉效果 中图分类号TD823. 7 文献标识码A 文章编号10044051202008014705 Monitoringandeffecte*aluationofsubsidencereduction bysuperhigh-watermaterialinoldgoaf LI Ming1，ZHANG Zha o jia ng12，WEN Chenglo ng3，ZHANG Xi1 1. Co llege o f Mining a nd Geo ma tics Engineering， Hebei University o f Engineering， Ha nda n 056038， China ; 2. Co lla bo ra tive Inno va tio n Center o f the Co mprehensive Develo pment a nd Utiliza tio n o f Co a l Res o urces， Ha nda n056038China; 3 Ha nda nDesignEngineeringChina Co a lCo . Ltd. Ha nda n 056031China Abstract The mo nito ring a nd eva lua tio n o f the effect o f gro uting a nd sinking a re impo rta nt fo r the ra tio na l utiliza tio n o f the co a l mining subsidence a rea a nd the o ptimiza tio n o f gro uting a nd sinking scheme in the o ld go a f.InQhissQudy， heo ldgo a fo fJulo ng Mining Gro up Co . ，LQd.isQa kena sQheresea rcho bjecQ， hepo inQ surfa ce mo nito ring is mea sured o n site in the gro uting filling pro cess o f the o ld go a f,a nd is eva lua ted effect thro ughs7nk7nga ftergro utng.Theresults sho wtha tthesurfa cesubs 7dence7sreducedby25 co mpa red w7th wtho ut gro ut7ng a fter gro utng7n the o ld go a f; the subs7dence speed o fthe mo n7to r7ng po 7nt7s o bv7o uslyslo wed do wn bythe gro ut7ng，a nd the surfa cesubs7dence7ss7gnfca ntly reduced dur7ng the mo nto r7ngper7o d.Gro utngto o ldgo a fco uldreducedthesurfa cesubs7dencea ndensuredthesa feo pera to n o fthesurfa ceco nstructo n. Keywords ro uting reductio n subsidence； co efficient o f subsidence reductio n； pro ba bility a na lysis metho d； Beductio nsubs idenceefect 随着城镇的不断扩张以及工矿企业对土地需求 的不断增长，采煤塌陷区成为新的重要建设用地；同 时，注浆充填技术的出现和发展，提供了开采沉陷治 理的新方法13*。现有老采空区地基处理方法老采 空区注浆充填法、老采空区围岩结构加固法、局部支 撑覆岩或地面建筑和已开采区域沉降潜力释放法 收稿日期收稿日期2019-07-16 责任编辑责任编辑赵奎涛 第一作者简介第一作者简介李明1995 ，男，硕士研究生，主要从事开采沉陷方面的研究,E-ma il;1462102840q q . co m. 7讯作者简介讯作者简介张兆江1969 ，男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事开采沉陷及三下采煤的研究工作,E-ma il;zzj69123163. co m. 引用格式引用格式李明，张兆江，温成龙，等老采空区超高水材料注浆减沉监测与效果评价[J].中国矿业，2020,298 147-151. do i;10. 12075/j. issn 1004-4051 2020 08 009 148中国矿业 第29卷 等。超高水材料与其他注浆材料相比具有固水能力 、流动性强、凝固 、（ 、水体积 高及 等 ，实 用过程中因其 充填工 单、实 用与操作方便等显著〔受 到广泛关注「4勺，在多个矿区的实验及推广中取得了 的效果。对超高水 充填 有研究主要 集中在 中工作面的工程试验、工艺设计、覆岩 及围岩机理分析「6*,但是对老 注浆减 沉效果评价的研究相对较少。该研究对老 减沉 案的设 技术的进一步推广具有 「7。 聚隆矿新修副井工业广 伏老采空区 注浆充填作为研究 ，通过 高频高 的 理分析，计算老 注浆地表减 沉率，并对注浆充填后 的 最终减沉效 统的分析评价。 1 聚隆矿业有限公司位于邯郸市西北方向60 km 处，于1970年建矿，已安全运营30余年。经设计论 证，在老 新建工业广场，老 回采情 1。 新修工业广场的平稳运营，设计 对工业广 伏老 注浆充填处理。新建 工业广场与待注浆老 相 如图1所示。 表1 老采空区回采情况 Table1 Miningsituationofoldgoaf 工作面 称 开采 年份 走向 m 倾 长度/ m 采深/ m 采厚/ m 煤层 倾/ （） 23011987192832004510 220319871231022003710 23051987112892004110 23071990222572004522 210120112711262002022 用超高水 工业广 伏老 注浆充填后，注入的浆液 老 的垮 因 的孔隙、 层 充 填， 覆岩层分布 ，覆岩应力重新分布，从 减小了地表下沉、保障地 筑 营「8*。 综合考虑试 岩性、地质因素、注浆因素、现场条 等因素，经过 注浆实 及理论 后，设计 布置15个注浆孔。注浆孔与工作面相 如 图1所示（编号为SY01-SY13） 2 及现场监测及现场监测 通过 注浆 固 及 外地 地表建筑 的 ， 反馈 新 筑 “活化”的 ，及时 反映采空区的注浆效果。将监测数据进行分析对 ，可判断 覆岩层 稳定性，并通过掌握 周 的变化幅度、变化规律，判断 注 浆现状, 的分析处理结果及时交给相关 ，通过修正相关设计参数、优化施工工 调整 工 ，做到“信息化 工 21 布设 在老 布设监测点98个，其中地 累计布设63个;建筑 累计布设 35个。地 在老 均匀布置；建筑 通过论证分析，布设在绞车房、主副井、职 工宿舍等8处重要建（构）筑物的 及柱基 上「9*。 如图2所示。 图1注浆孔及地面建筑分布图 Fig. 1 Distribution of grouting holes and ground buildings DIO e S3 S 11 D18 图2 分 图 Fig. 2 Distribution of monitoring points 第8期李 明，等老采空区超高水材料注浆减沉监测与效果评价 149 22 按照二等水准观测要求对监测点进行观测）0* , 过程中 “四同 o 时间为 2013年12月初至2014年8月中旬，累计观测9个 月，观测周期为1次/周, 结束共50期数 各 期间累 沉 2（监测期 遭到 ）。 D5 D3 F2介 Fl D49 表2监测点累计下沉量 Table2 Accumulatedsubsidenceofmonitoringpoints 类型点号 累 沉降/ mm 类型 号 累 沉降/ mm 类型号 累 沉降/ mm D3 3.18 Y1 7.99 F1 8.14 D4 3.00 主提 Y2 9.78 副提F2 7.91 D5 1.61 Y3 8.39 F3 9.41 D8 5.54 Y4 6.76 F4 9.49 D19 18.42 Y5 7.17 J1 11.97 D25 4.10 主井 Y7 7.32 J3 9.70 D27 3.16 Y8 7.29 J4 9.77 D28 3.52 Y9 7.22 J5 10.06 D29 4.04 S1 8.12 J6 16.11 D30 5.12 S3 6.92 副井 J7 12.85 D31 3.73 S4 6.48 J8 9.82 D38 4.45 S5 5.14 J9 10.11 地面D39 6.26 职工 S7 4.44 J11 9.59 监测 D40 5.82 宿舍 S8 4.68 J12 9.60 点 D41 9.47 S9 0.48 J13 9.78 D42 8.63 S100.88J14 9.60 D43 18.50 S112.65 D458.08S12 0.06 D47 23.31 联合 Z1 8.53 D49 15.72 建筑 Z2 6.69 D51 43.06 D53 32.64 D54 28.00 D55 30.22 D57 25.43 D61 42.16 D62 33.50 为了更直观地反映监测点实测下沉值与工作面的 对应关系, 2绘绘制下沉等值线图，如图3所 由图3可知，工业广场保留 的69 测点 中，其中由于注浆充填下沉减小的有27个，最 沉 点D51位于工业广场东北角，最大下沉量43. 06 mm。 注浆后 “上升”情况最大上升点 D45点位于工业广场南边区域，上升量为8. 1 mm， 原因为工业广 边 多 浆点（冒浆原因与 理有待 一步研究）。 3 计算计算 减沉效果是评价煤矿注浆减沉的一个指标，其 计算的准确程度关系到注浆效果的 程度，关系 ， D28 / D42 b I----D62 LD53 D55 D54 图3实测下沉等值线 Fig. 3 The measured equivalent curve of mining subsidence 到该技术能否在“三下”压煤开采中大量推广口门。 一般认为，减沉率是减沉效果的重要评价 。国 目前尚无关于超高水 老采空区多工作面注 浆减沉效果的研究， 面合理地评价老 ［区 注浆减沉效果设老 实施注浆充填的下沉 盆地 V.，而实施注浆充填后的下沉盆地体积 Pt，则减沉率 （1）「12*。 8 （ 100 （1） m 由于准确地计算下沉盆地的体积十分困难，计 算中经 用 的 ，对同一个工作面注浆前 后的下沉值 较，计算注浆充填的减沉率。减 沉率 （2） 式中8为平均减沉率皿为测点数;为不实施注 浆条件下第z测点的预计地表下沉值;为实施注 浆技术后第z 的实测地 沉值。 3.1不注浆残 沉 计算减沉率时，式（2）中的＜ j取值为不注浆时 的下沉值。概率积分法一般用 极 的工 作面，应用 较其他 广，是我国目前大多 学者采用的煤矿沉 模型。概率积分 ⑶「⑷。 ＜ D,J） 式中＜0为地表最大下沉值，＜0 qMcosaM 为 煤层法向采厚；q为下沉系数；为煤层倾角；厂为主 要影响半径，“占旧为采深；a n为主要影响 角正切；“ 播角；Si、S2 ,S3 S为下山 150中国矿业 第29卷 方向、上山方向和走向方向左、右边界的拐点偏距； /、V 为距离，/ D3 S4 V （3i S2） co s。 工程实例中 注浆下沉量定 老采 空区开始注浆时 C1、C2为与地质采矿 有关的参数，C]、C2主要 与采深H。、松散层厚度I、采高M等有关。 相关参 入式（）〜（5） ，监测点 不注浆下沉 如图4所示。 图4不注浆下沉等值线 Fig. 4 The un-grouted equivalent curve of mining6ub6idence 图4中对距离注浆孔较远的监测点的预测值与 实际值 提取并 （此处认 注浆孔 较远的 基 注浆 ），评价本工程利用 选用的 是否合理。对提取 一 步整理，见表3O 由表3可知，距离注浆孔较远的7个监测点（距 离大于100 m）未受注浆影响，经统计预计误差为 16左右因此，本工程实例中概率 的 亠 参数选取合理，各 的 沉值 作为老 注 浆 时 沉 的 参 考 值 O 由 图 4 知 ， 注 浆 ， 老 5 工 作 面 中 2101 工 作 面 沉 值 他 4 工 作 面， 最 沉 值 48 mm， 与 实 一 ； 的 主 要 因 4个工作面在1990年前后 ，已经进入 沉降稳定期，予 沉量较少，而2101工作面 到3年时间，因此沉量较大 32 减 沉 效 经 实 沉值和不注浆时预计下沉值 入式（2）,求得超高水 老 注浆充填 的 减沉率为25 因此，采用超高水 老 注 浆 充 填 减 少 地 沉 ， 有 效 地 保 证地 （构）筑物的 营。 4 评价评价 合 理 地评 价 减 沉 效 ， 地 D39 D61的 沉 析。其中，监 测点D39受邻近钻孔SY07、SY08、SY09、SY10和 SY11 注 浆 ； D61 邻 近 注 浆 孔 注 浆 影响（表3）监测点D39、监测点D61动态下沉过 程 如 图 5 所 Table3 Compari6onof6ub6idenceatmonitoringpoint6 表3监测点下沉量对比 监测 号 最近预计实预计 注浆孔下沉量/沉/误差/注 m mmmm D5155 4 2. 15 1 6125 1- D42128 7 11. 17 8 6322 7- D43100 914 9918 5023 4- D54102 223 6528 0018 4- D55124 528 0530 2277- D61101 244 3742 1650- D62102 039 9333 5016 1- 合 -164 31162 6216 92平均值 10 ‘ ‘ ‘ 「D61下沉曲线丨 0 50 100 150 200 250 300 时间/d 图5不同监测点下沉动态曲线 Fig. 5 Dynamic curve of subsidence at different monitoringpoint6 由图5可知，注浆充填前，两监测点下沉趋势基 本一致；开始注浆后，不受注浆 的 D61 按照原有 继续下沉， D39因受注浆影 沉平缓，下沉 减缓；监测结束时，监测 D39的下沉 著小 D61的下沉量；监 第8期李 明，等老采空区超高水材料注浆减沉监测与效果评价 151 测点D61的下沉量与预计下沉量大致相等，而监测 点D39的下沉量较预计值减小70左右。综上所 述，受注浆影响的监测点下沉速度明显减缓，地表下沉 量显著减小，对地表建筑物安全运营具有保障意义。 5结论 1 采用二等水准测量对聚隆矿注浆减沉老采 空区进行高频高精度监测，基于概率积分法对该区 域不注浆减沉条件下监测期间的残余沉降进行了预 计。对比分析表明对老采空区实施超高水材料注 浆充填工艺地表减沉率达到25，地表沉陷得到有 效控制。 2 注浆 的 D39 注浆 响的监测点D61进行比较分析，结果表明监测点 D61在监测期间呈现缓慢均匀的下沉趋势，与常规 老采空区残余沉降规律一致;监测点D39受注浆影响 下沉速度明显减缓，监测期间地表下沉量显著减小。 3 监测完成后，新建工业广场已正常投入运 营，后期对建筑物巡视过程中未发现裂缝倾斜等损 坏现象。因此,对老采空区实施注浆充填技术可有 效减小地 沉， 保 老 筑 的 运营。 ■ 参考文献 1王朋飞，惠庆波，王志强巷内预置充填带无煤柱覆岩离层充 填开采技术优化研究煤炭工程，2013,4588688. 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