充填条带开采公路桥梁煤柱的理论与实践

郭爱国

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

充填条带开采公路桥梁煤柱的理论与实践

郭爱国

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

就煤矿采动变形对桥梁的影响进行了分析，并结合桥梁相关规范，对桥梁的抗变形能力进行了研究与确定。在对桥梁抗变形能力分析的基础上，结合具体工程实例，对桥梁煤柱的开采方案进行了设计。研究表明，充填条带开采可以在对煤柱部分回收的同时最大限度地减小地表移动变形，不影响桥梁的安全使用。

充填开采；条带开采；桥梁煤柱；沉陷控制

道路桥梁关系到交通安全，保护等级高，桥梁压煤一般需要留设长久煤柱。国内外桥梁下压煤开采的研究及应用较少。随着“三下”采煤理论与应用的逐渐成熟，特别是近几年充填开采技术在煤矿的成功应用，在煤矿开采造成的地表变形满足桥梁安全使用的前提下，可以采取一定的开采措施进行桥梁煤柱的部分回收。

条带开采是目前建筑物下压煤开采比较成熟的方案，应用较多；煤矿充填开采近几年有了较快的发展，应用的煤矿越来越多，技术也逐步成熟。充填条带开采方案可以充分发挥条带开采与充填开采的优势，最大限度地减小地表移动变形，可以采用该技术进行桥梁煤柱的部分回收。

1 桥梁抗变形能力的确定

1.1 采动变形对桥梁影响分析

煤矿开采造成的地表移动与变形将使桥梁主体结构与地基之间的初始平衡状态遭到破坏。在新的平衡形成过程中，桥梁地基和主体结构内部必然产生附加应力，从而导致桥梁发生变形和破坏。对桥梁稳定性造成影响的采动变形主要有下沉、倾斜变形和水平变形。

地表下沉的影响主要是对水位的影响，影响河道的排泄，地表不均匀沉降产生的桥墩沉降差异可能影响桥梁结构的稳定。地表倾斜可造成桥墩的倾斜变形，另外可使桥面坡度和梁的坡度增加，可能产生顺滑和简支梁的挤压与破坏。地表的水平变形主要表现为各桥墩间的距离变化，当拉伸变形较大时，有可能使简支梁脱离桥墩而发生倒塌事故；而压缩变形较大时，可能使桥梁产生简支挤压，从而产生桥面隆起，影响正常通行。

1.2 桥梁抗变形能力分析

桥梁根据单孔跨径或多孔跨径总长分为特大、大、中、小桥及涵洞，如表1所示。不同类型的桥梁，其重要性不同，相应的抗变形能力也不同。

表1 桥梁涵洞分类

(1)

桥梁能承受的最大水平变形为：

(2)

2 应用实例

2.1 基本情况

设计区为一公路桥煤柱，平均走向长900m，倾斜宽480m，实际可采面积约2.6×105m2。煤层平均倾角15°，煤层平均厚度2.6m，煤柱地质储量0.985Mt。煤层埋藏深度630～820m，松散层厚度约15m。公路大桥为钢筋混凝土结构，全长440m，单孔跨距25m，桥面宽15m。桥墩为双柱式桥墩(属于轻型桥墩)。

2.2 大桥煤柱开采方案初步分析

根据公式(1)和(2)，以某桥梁的单孔跨径25m代入计算得桥梁简支梁墩、梁台及基础可承受的倾斜变形值为2mm/m，承受的最大水平变形值为1mm/m，大桥允许的最大下沉值确定为200mm。

如果大桥煤柱采用全陷开采，依据煤矿取得的地表移动计算参数(η=0.68，tanβ=2.0，b=0.3，S=0，θ=82°)，计算得到的地表最大下沉值为1160mm，最大水平变形为3.5mm/m，最大倾斜变形为3.8mm/m，最大曲率变形为3.3×10-5mm/m，最大水平移动为441mm，各项指标均超出了桥梁的允许变形，不满足设计要求。为了提高桥梁的安全度，采用减沉效果好、安全度高的充填条带开采方案进行桥梁煤柱的开采。

2.3 充填条带工作面采宽、留宽的确定

根据条带开采的相关理论研究，采出条带的宽度一般取采深(H)的1/4～1/10。同时为了保证条带煤柱的长期稳定，常规条带煤柱留宽一般要大于5倍的采高。由压力拱理论可知，条带采宽的最大值可由下式计算：

b<3(H/20+6.1)

大桥煤柱平均采深为700m，代入以上公式求得条带开采的最大采宽为123.3m，确定大桥煤柱条带开采的最大宽度为120m。根据条带设计原则，并充分考虑充填工作面与垮落工作面的差异(采用充填开采方案，塑性区宽度忽略不计，核区宽度近似为煤柱宽度)，分别采用采宽120m留宽60m、采宽120m留宽50m、采宽120m留宽40m和采宽120m留宽30m共4个方案。垮落法管理顶板条带开采条带煤柱的安全系数一般要求大于1.5，采用充填开采工艺时，充填体会分担煤柱的部分载荷，同时煤柱处于充填体的包围之中，煤柱实际处于三轴压缩状态，其抗压强度比单轴压缩状态要高。所以充填开采条件下要求计算的煤柱的安全系数大于1.2即可满足要求。各个方案采用威尔逊强度理论计算出的煤柱的稳定性汇总如表2所示。

表2 不同采留宽方案回收率及煤柱稳定性汇总

由表2可以看出，方案3和方案4煤柱稳定性系数小于1.2，不满足要求。方案2(采120m留50m)煤柱稳定性满足要求，同时煤炭采出率又比方案1高，故推荐采用方案2布置工作面。

2.4 充填工艺及减沉效果

充填条带工作面拟采用粉煤灰高水膨胀材料充填开采工艺，充填材料通过充填管路泵送至充填工作面。该充填工艺采用的充填材料在凝固的过程中具有膨胀性，能够保证充填体的充分接顶，同时充填体具有长期强度，以上两个方面可以保证长期、良好的充填效果。该矿已经采用该工艺在工业广场建筑物下方开采了多个充填工作面，开采后，地表办公楼等建筑物下沉及变形轻微，均能正常使用。同时，该矿在702粉煤灰膨胀材料充填工作面布设了地表移动观测站。702充填工作面走向长度285m，倾向长度190m，平均开采深度505m，煤层开采厚度2.5m，煤层倾角α=15°，观测到的地表最终下沉值72mm。根据地表移动观测站实测数据，拟合求得的下沉系数η=0.08，水平移动系数b=0.3，主要影响角正切tanβ=2，开采影响传播角θ=82°。

2.5 设计方案对大桥采动影响预计

地表移动变形预计采用基于概率积分法的计算机程序进行，预计参数采用以上拟合参数。预计结果表明，大桥煤柱采用设计的充填条带方案开采后，在盆地范围内产生的最大下沉值为137mm，最大倾斜变形为0.45mm/m，最大水平拉伸变形为0.21mm/m，最大水平压缩变形为-0.42mm/m。在大桥处产生的最终下沉值为124mm，最终倾斜变形为0.32mm/m，最终水平压缩变形为-0.38mm/m。在回采过程中，大桥承受的动态拉伸变形最大值约为盆地范围最大变形值的70%，即0.14mm/m，可以保证桥梁的正常使用。

3 结论

(1)根据相关专业规范，对公路桥梁抗采动变形能力进行了分析，并确定了保证桥梁正常使用的变形标准。

(2)对大桥煤柱的开采方案进行了初步分析，从保证大桥安全的角度，推荐大桥煤柱采用减沉效果最好的条带充填开采方案。

(3)从煤柱稳定性和煤炭采出率两方面进行了综合分析，确定大桥煤柱范围内条带工作面按采120m留50m的尺寸布置。回采区域采用粉煤灰高水膨胀材料充填法管理顶板，随采随充工艺。

(4)采用设计方案开采后，预计在大桥处产生的最终下沉值、倾斜变形值及水平变形值在桥梁允许变形范围内，不影响桥梁的安全使用。

[1]董 军.桥梁工程[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]中华人民共和国交通运输部.公路桥涵地基与基础设计规范JTG/D63-2007[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3]郭爱国.宽条带充填全柱开采条件下的地表沉陷机理及其影响因素研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2006.

[责任编辑：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

中国煤炭科工集团公司科技创新基金项目：条带充填减沉技术与关键装备研究(2011MS014)

郭爱国(1981-)，男，山东菏泽人，工程师，主要从事岩层移动和建(构)筑物下采煤的研究及技术工作。

郭爱国.充填条带开采公路桥梁煤柱的理论与实践[J].煤矿开采，2014，19(4)：97-99.

TD823.7

A

1006-6225(2014)04-0097-03