某矿落煤栈桥受采动影响分析与加固设计方案*

田迎斌

(1.中煤科工生态环境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)矿业科技有限公司，河北 唐山 063012;3.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

栈桥式储煤场是一种常见的全封闭储煤场，其顶部为落煤栈桥，底部为受煤坑及回煤暗道，外部为全封闭的网架结构储煤棚。工作时由顶部的卸煤栈桥及卸煤设备将煤卸入到储煤场堆储，返煤时通过设在回煤暗道的给煤机及返煤带式输送机将煤运出储煤场[1]。由于受使用环境影响，或由于长时间超负荷运营，或由于原设计不足等原因，均可能使落煤栈桥产生各种病害，并影响结构安全使用，所以经常需要对栈桥结构进行针对性地维修和加固[2-12]。此外，地下煤层开采也会使地表栈桥等建(构)筑物受到采动损害[13-15]。

某矿自2001年开始对南一采区布置工作面进行开采，相继开采了4、7、9和12煤层的部分工作面。2009年，在工业广场以南建设了新储煤场，由于该煤场位于工业广场受护边界以外，且没有留设煤场保护煤柱，故其从建成到投入使用始终处在南一采区的采动影响中。煤矿对南一采区地表和新建储煤场内有关建(构)筑物进行了长时间的移动和变形观测。根据对落煤栈桥移动变形的监测情况，于2013年进行了首次加固。之后随着2014年S1903工作面的开采，落煤栈桥支座处锚栓被剪断，支座发生了一定的位移。根据南一采区开采计划，拟将开采二水平S11202和S11203两个综采工作面。本文根据拟开采工作面的基本地质采矿条件，采用概率积分法预计了落煤栈桥未来将要发生的移动和变形值，提出了二次加固设计方案。

1 工程概况

1.1 地下开采情况

南一采区范围内第四系平均厚度25 m，地表较为平缓，平均标高74 m。南一采区开采的煤层包括4、7、9和12煤层，采深450～650 m，各煤层工作面分布如图1所示。工作面基本信息如表1所示。

图1 南一采区工作面分布图

表1 南一采区工作面开采基本情况统计表

1.2 落煤栈桥概况

1.2.1 落煤栈桥建设及首次加固情况

落煤栈桥于2009年6月竣工并投入使用，由转载站和皮带廊道组成。落煤栈桥转载站从北到南编号依次为1#、2#、3#和4#。转载站总高度为20.9 m，结构类型为钢筋混凝土框架结构，基础为钢筋混凝土梁板式筏形基础，基础埋置深度3 m。皮带廊道结构类型为钢桁架结构，钢桁架宽度5m，高度5 m，跨度20 m，其两端支座分别以锚栓固结方式坐落在转载站的框架柱或梁上，屋面和墙面均采用双层压型彩钢板，楼面采用预制钢筋混凝土槽板。原结构设计在一定程度上考虑了采动影响因素而增强了基础及上部结构的抗变形能力。落煤栈桥平面布置如图2所示，立面布置如图3所示，现状照片如图4所示。

图2 落煤栈桥平面布置图

图3 落煤栈桥立面图

图4 落煤栈桥现状照片

根据落煤栈桥移动变形情况，煤矿于2013年进行了首次加固，措施之一是在转载站处设置斜撑钢框架支撑上部钢桁架，措施之二是通过在钢桁架下部附加10 m长工字钢并伸至3#转载站平台，如图5所示。

1.2.2 落煤栈桥损坏现状及原因分析

2013年首次加固后，该矿于2014年又开采了S1903工作面。根据S1903工作面采后落煤栈桥损坏情况的调查，主要包括：一是钢桁架两端原支座为锚栓固结，当2#和3#转载站发生相离移动时，固定支座处势必产生较大应力，24轴固定支座锚栓已经被剪断，支座处混凝土局部压裂，支座发生滑移，累计位移量最大400 mm；二是2013年加固的部分钢框架上支承钢桁架下弦的工字钢横梁发生了严重的扭曲。 落煤栈桥损坏情况如图6和图7所示。

图5 附加工字钢梁延伸至平台

落煤栈桥损坏原因主要包括三个方面：其一，根本原因在于南一采区的采动影响，1#～4#转载站都处在开采沉陷盆地拉伸区影响范围内，且主要有向南部采动区移动和倾斜的趋势；其二，落煤栈桥在设计钢桁架支座时将两端都设计成固结，造成受采动影响时变形及应力不能有效释放，支座处承受较大剪切应力，容易在薄弱位置产生破坏；其三，地面大面积不均匀堆载超载造成地基不均匀压缩沉降变形及倾斜，也是造成损坏支座持续偏离原位的原因之一。

图6 栈桥围护墙体与3#转载站裂开

2 落煤栈桥移动与变形预计

为了掌握S11202 和S11203两个工作面开采后落煤栈桥的移动和变形情况，采用概率积分法对上述两个工作面开采后落煤栈桥的移动和变形情况进行开采沉陷预计[16]。该矿工作面全采时概率积分法岩移预计参数如表2所示。预计时根据4、7、9各煤层工作面开采结束时间相应考虑其后续残余变形对落煤栈桥的影响。

图7 24轴支座底板部分悬空(锚栓被剪断)

表2 地表移动与变形预计参数

落煤栈桥的移动和变形预计结果如表3所示。表3中数值正负代表意义：下沉以向下为正；倾斜和水平移动数值方向均以向南、向西为正，向北、向东为负；水平变形以受拉为正，受压为负。由表3可见，在采动影响下，落煤栈桥转载站下沉值由北向南逐渐增大，且主要发生向南的倾斜和水平移动。

表3 转载站移动和变形预计结果

由落煤栈桥损坏现状可知，24轴支座锚栓被剪断变为活动支座，其他各跨支座仍为固定支座。今后随着S11202和S11203综采工作面的开采，落煤栈桥受采动影响的移动和变形将会逐渐增大，由于24轴支座变为活动支座，预测今后的移动和变形将优先集中显现在该处，即支座底板将继续偏离原位置，同时23轴和24轴跨间距将增大，故对于24轴支座应及时进行加固处理。由地表水平移动和倾斜引起的24轴支座位移预计扩大量计算如表4和表5所示。

表4 由倾斜引起的支座水平侧移

表5 24轴支座位移预计扩大量

需要说明的是，落煤栈桥各跨支座处的损坏受采动变形、地面超载和结构本身抗变形能力等的综合影响。其他目前仍然完好的支座可暂不进行处理，以加强监测为主，视后续变形及损坏情况再采取应对措施。

地表的水平变形将会使埋置于土层内的建筑物的基础受到附加水平力的作用，且附加水平力与基础计算方向长度成正比[17]。转载站为塔型构筑物，筏板基础尺寸不大(7.6 m×8.6 m)，则作用在基础上总的附加水平力也不大，又由于原设计时对筏板基础的双层双向配筋进行了一定程度的加强，故本次加固设计不考虑水平变形的影响。

3 加固设计方案

3.1 加固技术措施

本次加固措施包括两项内容：一是在钢桁架底部附加13.6 m长纵向工字钢并延伸至2#转载站平台一定长度；二是采用在24轴框架柱上增设钢牛腿，并在牛腿上方架设横向钢梁以承托滑移后的支座。

(1)延长钢桁架底部附加工字钢至2#转载站

在首次加固时钢桁架底部附加10 m长钢梁基础上，按照同样规格尺寸和形式增设13.6 m长的钢梁，并延伸至2#转载站。采取螺栓将该加长的工字钢梁与钢桁架下部横梁进行固定连接。

(2)支座加固

对24轴所在框架柱增设钢牛腿及钢梁。具体措施为：采用在24轴钢筋混凝土框架柱上外包钢板、在钢板上附加钢牛腿、钢管斜撑和在钢牛腿上架设横向工字钢梁的方案进行加固处理。钢牛腿外伸长度按1m进行考虑。

落煤栈桥钢桁架底部附加钢梁平面布置如图8所示。附加工字钢梁GL-1(2)与原钢横梁GL-4连接施工方法如图9～图11所示。24轴框架柱加固后正立面及侧立面图如图12～图13所示。

根据新增结构荷载大小及偏心情况，对地基承载力进行了验算，计算结果满足要求。

图8 落煤栈桥钢桁架底部附加钢梁平面图

图9 附加工字钢梁GL-1(2)与钢横梁GL-4螺栓连接平面图

图10 1-1剖面图

图11 2-2剖面图

3.2 其他措施

(1)为施工安全和方便起见，首先在2#与3#转载站间将煤放至+9.5 m标高处，然后再进行加固施工作业。

(2)设置监测点，对所有落煤栈桥的平面坐标、下沉、倾斜和损坏情况进行监测。在采动期间密切监测其他未加固落煤栈桥及转载站位置的移动变形情况，视情况及时采取相应加固处理措施。文献[16]规定了钢筋混凝土基础塔型构筑物的倾斜允许变形值为7‰，极限变形值为12‰。如转载站倾斜随着采动影响而超过允许变形值，则还应采取纠倾技术措施，将结构倾斜控制在安全使用范围之内。

图12 钢牛腿及钢梁正立面图

图13 钢牛腿及钢梁侧立面图

4 结 论

(1)由于新建储煤场没有单独留设保护煤柱，所以落煤栈桥自建成投入使用之日起就始终承受各煤层工作面开采的动态影响，其移动和变形呈现逐年增大的趋势，期间进行了首次加固。

(2)基于落煤栈桥的损坏状况，采用概率积分法预计了S11202和S11203两个工作面采后落煤栈桥最终的移动和变形值，对支座进行了二次加固设计，并提出了安全施工和监测措施。

(3)经二次加固后的落煤栈桥，可避免拆除重建，节约了资金，尽可能多的延长落煤栈桥的使用时间，保证煤矿正常运转需求，预期可取得良好的经济和社会效益。