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长壁开采老采空区注浆充填范围确定方法


第25卷第4期 2008年1 2月

采矿与安全工程学报
Journal of Mining&Safety Engineering

V01.25

No.4

Dee.2008

文章编号:1673—3363(2008)04—0499—03

长壁开

采老采空区注浆充填范围确定方法

(1.四川德阳建筑职业技术学院,四JII德阳

正1,邓喀中2,靳永强2
618000;2.中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州
221116)

摘要:浅部老采空区注浆充填是保证老采空区建筑物地基稳定的有效措施,在确定充填治理范 围时,目前大多采用正在开采的地表移动角确定注浆充填范围,这将导致充填范围过大,造成不

必要的浪费,为此,基于国内开采沉陷资料,首先建立了正在开采的地表移动角与深厚比的关系, 然后在分析老采空区变形机理基础上,提出了残余移动角的思想,根据残余移动与正在开采的地 表移动相似性,建立了残余移动角与老采空区开采深度、等效开采厚度之间的关系,给出了老采 空区充填注浆范围的确定方法,为老采空区充填治理范围的确定,提供了可靠的理论和方法.
关键词:老采空区;注浆充填;残余移动角 中图分类号:TD
325

文献标识码:A

Determination of Grouting Filling Area
with Longwall

in Goaf

Mining

LU Zhen91,DENG Ka-zhon92,J IN Yong—qian92
(1.Sichuan College of Architectural Technology,Deyang,Sichuan 618000,China; 2.School of Environment and Spatial Information,China University of

Mining&Techology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)
to
assure

Abstract:Filling old shallow goaf by grouting is

an

effective way
area

the stability of foun-

dation of buildings above the old goaf.The filling

is

determined mainly by the surface

movement angle that comes from active mining face.The determination method will result in
too

large



filling area,leading

to

unnecessary

waste.Aiming

at

this problem,we establish the

relation between surface movement angle from active mining face and the depth/thickness ratio based
on

mining induced subsidence data and then propose the idea of residual movement angle
an-
re-

by analyzing deformation mechanism of old goal.The relation between residual movement gle and the mining depth and equivalent mining thickness of old goaf is sidual movement similar
to set

up

according

to

surface movement of active mining face.This method provides
area

a re—

liable theory and method for determining the filling

for old mining goaf.

Key words:old goaf;filling by grouting;residual movement angle

随着国民经济建设的发展,矿业城市在扩展过 程中,不得不在老采空区上方兴建各类建筑物,同 时高速公路、超高压输电线路等都面临通过老采宅 区,为保证浅部老采空区地基的稳定性,对浅部老

老采空区注浆充填范围时,往往采用开采移动角, 而工作面开采时的移动范闱和移动量大小比老采

空区残余移动范围和残余移动量大,这样就人为地 扩大r充填治理范围,使治理费用过高【1。3j.为此,
本文对老采空区充填治理范围的确定方法进行了

采空区往往采Jfj注浆充填破裂岩体裂隙空问,以减 小残余移动量大小,确保建(构)筑物安全.在确定
收稿日期:2008—0I—ol

研究,得到一些有益的结果,为老采空区治理范围

基金项目:国家自然科学基金(40772191);国家“十一五”科技支撑计划承点项n(2006BAC09801);江苏省rI然科学基金鼋点项H 作者简介:卢 正(1959一),男,四川I省射洪县人,副教授,从事J二裎测髓及变形监测方面的研究.
E-mail:cdbq@163.toni
Tel:139081010501

万方数据

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采矿与安全工程学报

第25卷

的确定提供了可借鉴的理论和方法.

经发生的下沉 M7一M(1一qcos口), 式中:口为煤层倾角;q为下沉系数.
根据老采空区残余移动角与正在开采的采空
(2)

1地表移动角变化规律
国内外研究表明,地表移动角与覆岩岩性、开 采深度和厚度等有关.一般来说,移动角与开采深

区移动角的相关性确定老采空区残余移动角计算 式. 1)老采窄区走向残余移动角艿与深厚比关系
当覆岩的抗压强度<50时
8--0.1318

度成正比与开采厚度成反比,即移动角与深厚比成 正比。为分析移动角的变化规律,根据国内观测数 据和覆岩岩性L4-6j,按.卜覆岩层加权平均抗压强度 分为两类,一类为上覆岩层加权平均抗压强度大于
50

H/M7 4-57.155, H/M74-65.694.

(3)

MPa,另外一类为小于50 MPa,根据各类观测 1)走向移动角艿与深厚比的关系:抗压强度

当覆岩的抗压强度>50时
9_--0.1393 (4)

数据,回归得到采空区移动角与深厚比的关系.
<50时,艿----0.1318 H/M+57.155;抗压强度>50 时,d一0.1393 H/M+65。694.

2)老采空区倾向下山残余移动角』9与深厚比 关系 当基岩的抗压强度<50时
卢一0.169l H/M7 4-53.667, 当基岩的抗压强度>50时 口一0.1276 H/M’+59.746.
(6) (5)

2)下山移动角卢与深厚比的关系:抗压强度
<50时,#--o.1691 H/M4-53.667;抗压强度>50 时,/9--o.1276 H 7M+59.746.

3)上山移动角y与深厚比的关系:抗压强度
<50时,7-----0.2419 H/M+41.476;抗压强度> 50髓,7----0.2078 H 7M+58.003.

3)老采宅区倾向上山移动角y与深厚比关系
当覆岩抗压强度<50时
7----0.2419

H/M7+41.476。 H/M'q-58.003.

(7)

上面得到了正在开采的采空区移动角与深厚 比的关系,下面研究老采窄区残余移动角.

当覆岩抗压镁度>50时
7----0.2078 (8)

2老采空区残余移动角的确定
老采空区残余移动角定义为:在充分采动或接

可以根据}:面各式,确定老采空区残余移动 角,然后进行注浆没计,要说明的是,此方法的适用
条件是地面建筑物载荷作用深度与导水裂缝带高 度之和小于老采窄区开采深度,即 H>H藏+H导+H安,
(9)

近充分条件下,地表移动盆地主断面上,老采空区 残余移动变形值达到建筑物临界变形值的最外点 与采空区边界连线和水平线住煤柱一侧的夹角称 为老采空区残余移动角.由于正在开采的采空区移 动角与深厚比有关,根据地表移动的棚似性及移动 角的定义,老采空区残余移动角与深厚比的关系公 式可以近似的看成足正在开采的采空区移动角与 深厚比的关系,即有
∥一,(H/M7),
(1)

式中:H载为建筑物载荷作用深度,m;H导为导水
裂缝带高度,m;H安为安全保护层厚度,一般取10 ~20 m;H为老采空区开采深度。取一I:作面最小开 采深度.

以上公式是根据国内部分观测资料确定的,在
使用时,如果本矿区已经建立了移动角与深厚比的

关系,可以采用本矿区的关系式。仅仅将其开采厚 度换成等效开采厚度进行计算就可.当计算出的残 余移动角大于90。时,说明残余移动变形小于建 (构)筑物临界变形值,可以不进行注浆充填. 3老采空区注浆充填范围确定 从老采窄区“活化”机理来看,可以分为两类: ①建(构)筑物载衙作用下,老采空区破裂岩体压 密,从而导致建(构)筑物移动变形;②老采窄区破
裂岩体在水、风化等作用下产生的移动变形.对于 前者,主要是建(构)筑物载倚作用深度与导水裂缝

式中:∥为老采空区移动角;H为采深;M7为等效 采厚. 式(1)中M7代表老采窄区等效采厚.对于全部 垮落老采空区等效开采厚度可以近似认为:地下开
采形成的审问由两部分组成,①是采空区上方破裂

岩体的宅隙和残留空洞等,②是地表下沉.对于老
采空区而占,地表下沉已经发生,不会对新建的建 (构)筑物产生影响.对新建的建(构)筑物有影响的 是残留空洞垮落和破裂岩体空隙的压密,按采空区

空洞和破裂岩体的空隙全部压实考虑,则引起老采
空区残余沉降的极限开采厚度为开采厚度减去已

带接触,在建(构)筑物载荷下,老采空区破裂岩体

万方数据

第4期

卢正等:长壁开采老采空区注浆充填范围确定方法

501

的压密,注浆的目的是保证在建(构)筑物载荷作用 范围内的岩体变形小于建(构)筑物的允许变形值.
对于后者,主要考虑老采空区自身变形是否超出建

0.169l×310/0.52+53.667=154。,

y一0.2419H/M7+41.476—
0.2419×274/0.52+41.476—168。. 从上面看出,计算的残余移动角均大于90。,

(构)筑物允许变形值,注浆充填范围应保证老采空
区产生的变形范围不对建(构)筑物造成影响.喇者

说明该区残余移动变形小于建筑物临界变形值,不
需要对老采空区进行注浆,就可以保证建筑物安

要求的注浆充填范围是不同的,应分开进行讨论.
1)建(构)筑物载荷与导水裂缝带接触条件 下,注浆充填范围确定 当建(构)筑物载荷与导水裂缝带接触时,注浆

全,实际中也未对该区域进行注浆,目前兴建的建 筑物未出现任何问题.


充填范围应保证在建(构)筑物载倚作j村范围内,岩
体压实产生的变形小于建(构)筑物允许的变形,因





在对长壁开采老采空区变形机理分析的基础 上,结合开采沉陷理论和国内地表移动观测资料, 对老采空区充填注浆范围的确定方法进行了研究, 得到如下结论:

此。注浆范围按建(构)筑物载荷在地基内传播范围
确定. 2)建(构)筑物载倚不与导水裂缝带接触条件 下,注浆充填范围确定 当建(构)筑物载荷不与导水裂缝带接触时,可

1)长擘老采空区注浆充填治理范嗣应按残余
移动角确定,残余移动角确定方法可采用式(3)~

以按残余移动角确定注浆充填范围.为防止由于确 定残余移动角等产生的误差,应考虑一定的罔护带
宽度,围护带宽度根据《三下采煤规程》规定选取.

(8)或根据本矿区资料确定.
2)当建(构)筑物载荷作用深度与导水裂缝带 接触时,注浆范围按建(构)筑物载荷在地摹内传播 范围确定.当建(构)筑物载荷作用深度不与导水裂

4实例分析 徐州市拟开发建设的城北同林风景区工业园
起步区位于徐州矿务集团夹河煤矿和庞庄煤矿的 采煤塌陷区上方,面积约1.5 km2,夹河矿的开采 范围位于夹河矿与庞庄矿井田边界的西部,在工业 园区正下方及附近开采的煤层有两层,分别为2煤 和7煤,2煤在7煤之上,层间距约100"一110 m. 夹河矿位于园区正下方的工作面有24个,分

缝带接触时,可按残余移动角确定注浆充填范围. 3)当计算出的残余移动大于90。时,说明残余
移动变形小于建(构)筑物l临界变形值,可以不进行

注浆充填.
参考文献:
[1]滕永海,张俊英.老采空区地基稳定性评价口].煤炭 学报,1997,22(5):504—508.
TENG Yong-hai,ZHANG

别为:2煤的208,210,2409,2411,2413等12个工
作呵,7煤的7101,7423等12个工作面. 除以上工作面之外,还有一些一f作面位于园区 周围,对园区有一定影响的工作面总数为46个.这 些工作面大部分为走向长壁开采,开采方法有炮 采、机采和综采3种,顶板管理方法为全部垮落法. 208工作面为该区域开采最浅的工作面,开采 深度为274---310 m之间,开采厚度1.7 m,煤层倾 角22度.根据徐州矿区实测资料,得到该区初次采 动地表下沉系数g一0.75,根据式(8)得到该区域

Jun—ying.Evaluation
over

on

stability of building foundation

goats[J].Jour—

nal of China Coal Society。1997,22(5):504—508.

[2]郭广礼.老采空区上方建筑地基变形机理及其控制
[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001. [3]郭广礼,张国信,刘丙方,等,地面荷载对地下采空区 的临界扰动深度及其影响[J].矿山压力与顶板管 理。2004,21(1):72—73.
GUO Guang—li,ZHANG Guo-xin,LIU Bing—fang,et a1.Critical depth disturbing underground goalf by

ground load and its

effect[J].Ground Pressure and

开采后等效厚度 M7一M(1一qcos口)一0.52.
根据该区域的地层情况,覆岩抗压强度小于
50

Strata Control,2004,2l(1):72—73.

[4]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤
柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版 社,2000. [5]何国清,杨

MPa,采用式(3),(5),(7)得到参与移动角为

伦。凌庚娣,等.矿山开采沉陷学[M].

艿一0.1318H/M7+57.155—
0.1318×292/0.52+57.155—131。, [6]

徐州:中国矿业大学出版社,1994. 邹友峰,邓喀中,马伟民,等.矿山开采沉陷工程 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

p=0.1691H/M7+53.667—

万方数据

长壁开采老采空区注浆充填范围确定方法
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 卢正, 邓喀中, 靳永强, LU Zheng, DENG Ka-zhong, JIN Yong-qiang 卢正,LU Zheng(四川德阳建筑职业技术学院,四川,德阳,618000), 邓喀中,靳永强,DENG Ka-zhong,JIN Yong-qiang(中国矿业大学环境与测绘学院,江苏,徐州,221116) 采矿与安全工程学报 JOURNAL OF MINING AND SAFETY ENGINEERING 2008,25(4) 0次

参考文献(6条) 1.滕永海.张俊英 老采空区地基稳定性评价 1997(05) 2.郭广礼 老采空区上方建筑地基变形机理及其控制 2001 3.郭广礼.张国信.刘丙方 地面荷载对地下采空区的临界扰动深度及其影响[期刊论文]-矿山压力与顶板管理 2004(01) 4.国家煤炭工业局 建筑物、水体.铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 2000 5.何国清.杨伦.凌庚娣 矿山开采沉陷学 1994 6.邹友峰.邓喀中.马伟民 矿山开采沉陷工程 2003

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通过对老采空区沉陷量进行分析,认为其由注浆柱和采空区破裂岩体压入底板量Wc1、注浆柱和采空区破裂岩体的压缩量Wc2、上部覆岩离层闭合量 Wc3、承重岩层的挠度增加量Wc4四部分组成,并对其力学机理进行了分析;同时针对老采空区的处理方法中广泛采用的注浆充填法,根据有效区域理论推导 出注浆钻孔间距的理论公式,这对于指导生产建设具有重要的经济效益.

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在分析老采空区残余沉降机理的基础上,结合开采沉陷理论,对控制老采空区残余沉降的注浆充填的技术方法进行了研究.得到如下结论:控制老采空 区残余移动变形的关键是控制垮落带和断裂带内岩体的变形.在一定开采深度下,老采空区注浆充填可采用带状注浆充填.当开采深度小于导水断裂带高度 和地面建筑载荷作用深度时,注浆孔间距为2倍的浆液扩散半径;当开采深度大于导水断裂带高度和地面建筑载荷作用深度时,给出了带状注浆充填注浆孔 间距计算公式及注浆孔布设原则.注浆孔首先应布置在距离工作面边缘内20 m范围内、急倾斜煤层上山方向和断层发育区域,以充填采空区边缘的空洞和 欠压密区.

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