CN113756282B - 一种受采动影响的高耸构筑物精准注浆加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种受采动影响的高耸构筑物精准注浆加固方法，步骤为：S1、确定硬岩层承受载荷及其层位；S2、确定硬岩层下方空洞的高度wi；S3、计算每层硬岩层发生破坏前的最大挠度下沉变形量ω_max；S4、判断硬岩层是否会发生破断；当硬岩层不破断时，此硬岩层距煤层距离，即采动覆岩的破坏高度；当硬岩层破断时，开始下一硬岩层判断，直至判断到未发生破断的硬岩层；当直到最上部硬岩层也发生破坏时，覆岩破坏高度即为煤层埋深。本发明以硬岩层作为研究对象，对硬岩层进行力学分析和破断判定，从而更为准确地确定采动覆岩破坏高度，进而实现工作面安全高效回采、瓦斯抽采钻孔的合理设计，以及工作面回采结束后采空区地表建筑物稳定性的评价。

Description

一种受采动影响的高耸构筑物精准注浆加固方法

技术领域

本发明涉及涉及煤矿开采技术领域，具体涉及一种受采动影响的高耸构筑物精准注浆加固方法，在地表高耸构筑物将受到煤炭开采影响前，对高耸构筑物的精准注浆加固。

背景技术

煤层的开采会造成上部岩层的破坏和垮落，并最终传递到地表，在地表形成比采空区范围大的沉陷区域。随着工作面的推进，采场上覆岩、地表及地表建(构)筑物都将受工作面采动影响开始发生变形和破坏。目前，针对高耸构筑物采动变形规律与变形监测方法取得了较大进展，但对高耸构筑物的注浆加固保护技术及机理研究较少。

在煤炭生产过程中，地表建构筑物的稳定性涉及到了工作面安全高效回采。地表沉陷进而导致建(构)筑物损坏，而高耸构筑物与一般建(构)筑物不同，其对地表移动变形值的响应与敏感性有特殊性，研究高耸构筑物采动损害与保护对发展现有采动区域建(构)筑物保护理论等具有重要实际意义。

目前对保证地表建(构)筑物稳定性的防护措施主要为两方面：一方面通过优化采煤方法，有效地减小或控制煤层开采引起的地表移动变形，从而达到保护建(构)筑稳定性的作用；另一方面采取建(构)筑物自身结构的保护措施，提高建(构)筑物抵抗变形的能力。

目前建(构)筑物下采煤常用协调开采方法、充填开采法、条带开采法、柱式采煤法。协调开采方法主要有全柱开采、择优开采、连续开采、适当安排工作面与建筑物长轴的关系、对称背向开采、不残留煤柱等；充填开采的充填方法有水砂充填、矸石风力充填、矸石水力充填、矸石自溜充填等，但由于充填材料来源缺乏、充填成本高、充填效果差等原因，充填方法开采很少被采用；条带开采是一种部分开采方法，它是将要开采的煤层区域划分为比较正规的条带形状，采一条、留一条，使留下的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量，产生的地表移动变形较小；柱式体系采煤法以短工作面进行煤炭开采，采空区顶板利用回采工作面采场周边或两侧的煤柱支撑，采后不随工作面推进及时处理采空区。条带开采法和柱式采煤法，煤炭采出率低，资源利用不充分，同时残留煤柱在水及载荷长期作用下，单个煤柱发生突然失稳并引起连锁反应，最终地表发生变形，从而破坏建(构)筑物。

建(构)筑物自身结构的措施大致可分为两类：一类是提高建筑物的刚度和整体性，增强建筑物抵抗变形的能力，如设置钢拉杆、钢筋混凝土圈梁、基础联系梁等；另一类是提高建(构)筑物适应地表变形的能力，减小地表变形引起的建筑物附加内力。如设置变形缝、地表缓冲沟、滑动层等。

上述措施皆为针对于一般建(构)筑物而言，而高耸构筑物对地表移动变形值的响应具有显著敏感性，在大范围空间上呈现零星分布。因此结合高耸构筑物的特殊性，提出了精准注浆加固技术，在不影响煤炭回采的情况下，保证了高耸构筑物的稳定性。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，有鉴于地表变形对高耸构筑物的影响，为了克服煤层开采后对地表高耸构筑物对采动影响的敏感性，本发明提供了一种基于地表变形特征的高耸构筑物精准注浆技术，该方法操作简单，效率高，适用性强。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种受采动影响的高耸构筑物精准注浆加固方法，包括如下步骤：

S1、根据收集到的采矿地质资料，确定煤层埋深、工作面开采范围、采厚、覆岩岩性、岩层地表移动参数及采空区与高耸构筑物的相对位置关系。

S2、根据煤层埋深、工作面开采范围、采厚、覆岩岩性及采空区与高耸构筑物的相对位置关系，预计高耸构筑物基础地基移动变形值。

式中，M为煤层开采厚度，m；q为下沉系数；α为煤层倾角，°；r为主要影响半径，m；D₁为煤层在t方向的开挖范围，m；D₂为煤层在s方向的开挖范围，m。

S3、结合概率积分法预计结果，对其地基(基础内部与基础周边)进行渗透注浆加固，通过控制不同注浆位置的注浆压力与注浆量，实现提高地基强度、补偿地基下沉、矫正地基角度(倾斜)目的，从而精准保护高耸构筑物，其中注浆压力P_Z为：

式中，R为注浆孔半径，m；L为注浆孔深度，m；Δw基础需要抬升量，m；

S4、钻孔按照等间距矩形布置，根据岩层物理力学参数，在确定钻孔深度的情况下，对钻孔的布置间距D进行求解：

式中，γ为地基土层的容重，N/m³；L为注浆孔深度，m；K₀为静止侧压力系数；ν为地基土层的泊松比；R为注浆孔半径，m；σ_c为地基土层的抗压强度；

S5、根据采矿地质条件得到工作面即将影响到高耸构筑物的推进距离，确定注浆时机，即工作面距高耸构筑物的距离：

l＝H₀·cotω

式中，l为超前影响距，m；H₀为平均开采深度，m；ω为超前影响角，°，非充分采动时，ω角值随着开采面积的增大而减小；充分采动后，ω值基本趋于定值；地表移动稳定后，ω角等于边界角σ₀；

S6、根据注浆孔间距，采用正方形均匀布置的形式布置钻孔；并根据得到的注浆时机、注浆压力对每个钻孔进行精准注浆。

作为对上述技术方案的改进，在所述步骤S1中，覆岩岩性采用覆岩综合评价系数P进行评价分析，计算方法如下：

式中，m_i为覆岩i分层的法线厚度，m；Q_i——覆岩i分层岩性评价系数。

作为对上述技术方案的改进，在所述步骤S2中，在概率积分法选取预计参数时，选取本矿或本矿区实测数据分析参数，对于无实测资料的矿区，依据第一步中所得岩性条件进行选取。

作为对上述技术方案的改进，在所述步骤S3中，需保证注浆为渗透注浆，确定注浆的渗透半径R₁应小于：

式中，γ为地基土层的容重，N/m³；L为注浆孔深度，m；K₀为静止测压力系数；ν为地基土层的泊松比；R为注浆孔半径，m。σ_c为地基土层的抗压强度；

与现有技术相比，本发明所取得的有益效果是：

本发明的受采动影响的高耸构筑物精准注浆加固方法，以解决煤层开采造成的高耸构筑物倾斜、损坏的问题，保障了工作面安全高效回采、及高耸构筑物的稳定。本发明根据高耸构筑物和工作面的相对位置关系及采矿地质条件，采用概率积分法对高耸构筑物基础处的下沉量进行预测；结合概率积分法预计结果，在工作面将要(或正在)影响至高耸构筑物时，对其地基(基础内部与基础周边)进行渗透注浆加固，通过控制不同注浆位置的注浆压力与注浆量，实现提高地基强度、补偿地基下沉、矫正地基角度(倾斜)目的，从而精准保护高耸构筑物。从而实现高耸构筑物的精准注浆(精准时间、精准布置、精准压力)，进而实现工作面安全高效回采和保证了地表高耸构筑物的稳定性的双重目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是概率积分法示意图；

图2为高耸构筑物附近的预计结果；

图3为高耸构筑物精准注浆钻孔布置图；

图4为注浆时机计算示意图；

图5为高压线铁塔均匀下沉影响示意图；

图6为高压线铁塔四个独立基础示意图；

图7a为铁塔基础位于下沉盆地中间时的塔身发生倾斜变形示意图；

图7b为铁塔基础位于下沉盆地边缘时的塔身发生倾斜变形示意图；

图8a为铁塔基础倾斜变形加载简图；

图8b为铁塔基础拉伸变形加载简图；

图8c为铁塔基础压缩变形加载简图；

图9a为高压线铁塔基础支座的模拟结构示意图；

图9b为高压线铁塔正视图；

图9c为铁塔数值模型图；

图10a为铁塔最大应力与倾斜关系曲线图；

图10b铁塔最大应力与水平变形关系曲线图；

图11为倾斜40mm/m时铁塔模拟结果云图；

图12为拉伸变形8mm/m时铁塔模拟结果云图；

图13为压缩变形8mm/m时铁塔模拟结果云图；

图14为高耸构筑物精准加固方法的流程图；

图15为土体地基注浆前后试样应力-应变曲线示意图；

图16a为采前地基空隙空洞示意图；

图16b为采后地基下沉示意图；

图16c采前浆液充填空隙空洞示意图；

图16d为采后浆液补偿下沉示意图；

图17为高耸构筑物基础地基注浆调斜作用剖面示意图；

图18为半无限饱和土内部受竖直、水平集中力作用示意图；

图19a为注浆孔与其内部注浆钢管剖面示意图；

图19b为孔壁受水平注浆压力示意图；

图19c为孔底受竖直注浆压力示意图；

图20为高耸构筑物地基精准注浆技术核心内容示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1-4所示，本发明的受采动影响的高耸构筑物精准注浆加固方法，第一步：根据收集到的采矿地质资料，确定煤层埋深、工作面开采范围、采厚、覆岩岩性、岩层地表移动参数及采空区与高耸构筑物的相对位置关系等。

第二步：根据煤层埋深、工作面开采范围、采厚、覆岩岩性及采空区与高耸构筑物的相对位置关系等，预计高耸构筑物基础地基移动变形值。

式中，M为煤层开采厚度，m；q为下沉系数；α为煤层倾角，°；r为主要影响半径，m。

第三步：结合概率积分法预计结果，对其地基(基础内部与基础周边)进行渗透注浆加固，通过控制不同注浆位置的注浆压力与注浆量，实现提高地基强度、补偿地基下沉、矫正地基角度(倾斜)目的，从而精准保护高耸构筑物，其中注浆压力P_Z为：

式中，R为注浆孔半径，m；L为注浆孔深度，m；Δw基础需要抬升量，m。

第四步：钻孔按照等间距矩形布置，根据岩层物理力学参数，在确定钻孔深度的情况下，对钻孔的布置间距D进行求解：

式中，γ为地基土层的容重，N/m³；L为注浆孔深度，m；K₀为静止侧压力系数；ν为地基土层的泊松比；R为注浆孔半径，m；σ_c为地基土层的抗压强度。

第五步：根据采矿地质条件得到工作面即将影响到高耸构筑物的推进距离，确定注浆时机，即工作面距高耸构筑物的距离：

l＝H₀·cotω

式中，l为超前影响距，m；H₀为平均开采深度，m；ω为超前影响角，°，非充分采动时，ω角值随着开采面积的增大而减小；充分采动后，ω值基本趋于定值；地表移动稳定后，ω角等于边界角σ₀。

第六步：根据注浆孔间距，采用正方形均匀布置的形式布置钻孔；并根据得到的注浆时机、注浆压力对每个钻孔进行精准注浆。

下面结合具体的实地情况来阐述本发明的理论依据和由来。

1、地表高耸构筑物概况

地表沉陷将引起地表建(构)筑物损坏，不同类型建(构)筑物的损坏特征不同。其中，地表高耸构筑物指的是高度较大、横断面相对较小的构筑物，以水平荷载(特别是风荷载)为结构设计的主要依据，根据其结构形式可分为自立式塔式结构和拉线式桅式结构，所以高耸结构也称塔桅结构，主要包括架空输电线路铁塔、电视广播信号铁塔、烟囱等，

上述高耸构筑物的结构、材料、高度等与一般建(构)筑物(民房房屋、桥梁、铁路等)不同，对地表移动和变形值的响应及敏感性有其特殊性，因此，高耸构筑物采动变形特征及保护技术与一般建筑物显著不同。

另外，架空输电线路是由导线、铁塔、基础以及附属连接件等组成的连续、耦合的空间体系结构。目前我国各大矿区几乎所有的煤矿井田上方均有高压输电线路通过，如兖州矿区南屯、济宁二号井，高压输电线路压占2189万吨可采储量；晋煤集团寺河煤矿井田内有我国首条1000kV晋东南－南阳－荆门特高压试验示范工程经过，压煤量共3078万t。由于高压输电线路分布的特殊性，尤其是线路铁塔对开采引起的地表移动变形敏感，高压输电线路的安全性显得十分重要。若为高压线路铁塔留设保护煤柱，会损失大量的煤炭资源，并严重影响煤矿井下开拓开采布局。而采取搬迁高压线路(改线)措施不仅投资大，涉及面广，实施难度大，而且存在新路径选择困难、重复压煤、周期长等复杂问题。因此，需要根据高耸构筑物的采动变形特征提出高耸构筑物保护新技术，从而提高煤炭资源率，又能确保高耸构筑物安全运行。

2、高耸构筑物采动变形特征

2.1、地表下沉的影响

2.1.1、均匀下沉的影响

均匀下沉对单一高耸构筑物(如烟囱、广播电视信号塔)的影响较小，但对高压输电线路而言，某一高压输电线铁塔的均匀下沉，将通过导线传递至其他铁塔，如图5所示：

由图5可知，2号铁塔基础从E₁下沉到E₂，下沉量为W(单位为mm)，基础下沉后引起架空线悬挂点下沉，2号铁塔悬挂点的张力、导线的弧垂和近地距离、最大弧垂的位置和倾斜角等都发生了改变，并传递至其临近的1号、3号铁塔，形成牵引力。

除此之外，地表大面积、平缓、均匀的下沉对高压输电线路的影响较小，且单个高压线铁塔塔结构中几乎不会出现附加作用力，一般不会引起高压线铁塔的破坏。但当地表均匀下沉值很大时，特别是在潜水位很高的矿区，地表的下沉造成高压线铁塔基础接近或者位于地下水位以下时，地基土被水浸泡就会软化或者在低气温情况下发生冻胀现象，这样将造成高压线铁塔地基和基础严重腐蚀，高压线铁塔地下金属部分(金属大大降低其强度，严重威胁高压线铁塔的安全稳定性。

2.1.2不均匀下沉的影响

高压线铁塔大部分为格构型，有四个支脚的桁架结构，常见基础为分裂式，由四个独立基础构成，如图6所示。

由图6可知，四个独立基础间存在一定的根开距离，独立基础间的不均匀下沉引起高压线铁塔桁架结构内部产生附加应力，附加应力大于材料的许可应力时，高压线塔结构将发生破坏或倒塌。当高压线铁塔位于地表下沉盆地中间时(图7a)，将导致四个独立基础下沉、内收、塔身变形；当高压线铁塔位于地表下沉盆地边缘时(图7b)，将导致高压线铁塔两侧基础下沉不一致，其中一侧下沉值较大，并向下沉盆地滑落，塔身发生倾斜变形。

由图7a、7b可知，当基础发生不均匀沉降时，高压线铁塔将产生两种反应：

(1)由于组成高压线铁塔材料的弹性特性，当附加应力超过铁塔材料的弹性极限时，高压线铁塔几何形状就发生改变(图7a)，以适应基础的不均匀沉降，这时高压线塔结构受到破坏，各节点的应力也会发生变化。

(2)高压线铁塔结构在自身具有的刚体性能下作为一个刚体随基础而发生整体的移动和转动(图7b)，这时高压线铁塔结构并未发生破坏。

另外，相关研究表明高压线铁塔基础的下沉量与对应的地表下沉量基本上保持一致，但是由于高压线铁塔结构具有一定刚度，这是其不完全随地基下沉而下沉的主要原因，因此高压线铁塔基础比对应地基的下沉值略小。

2.2、地表水平移动与曲率的影响

2.2.1、水平移动的影响

地表的水平移动将引起高耸构筑物基础产生相对位移。对于联合基础的高耸构筑物，上部结构不会受到地表水平移动引起的附加应力；但对于独立基础的高压线铁塔桁架结构，当独立基础水平移动不一致时，导致下部结构承受拉伸或压缩从而在铁塔结构内部产生附加应力，特别是在高压线铁塔下部靠近基础的横隔面附近，受到的应力最大，极易使横杆产生弯曲甚至破坏的现象。

2.2.2、曲率的影响

根据国内相关采动区域高耸构筑物观测资料分析得知，高耸构筑物曲率为地表曲率的21.3～78.4％。高耸构筑物刚度越大，地表传递到高耸构筑物上的曲率越小。特别是曲率变形对于底面积小的高耸构筑物影响较小。其中，铁塔与地表的接触面积就较小，受到地基反力重新分布的范围较小，因此，受到地表曲率变形的作用也就越轻。加之铁塔结构本身具有一定刚度，不易随着地表曲率变形发生弯曲，因此一般不考虑曲率变形对铁塔的作用。

2.3、地表倾斜与水平变形的影响

为研究高耸构筑物采动变形与地表倾斜、水平变形之间的关系，以单个高压线铁塔为例，利用ANSYS有限元软件计算，得到不同地表倾斜、水平变形(拉伸与压缩)下高压线铁塔最大拉(压)应力变化规律。本次模拟不考虑导线对铁塔的约束作用，仅考虑地表倾斜、水平变形(拉伸与压缩)对高压线铁塔结构应力的影响。

2.3.1、数值模拟方案与模型建立

(1)数值模拟方案

根据上述模拟目的，设计数值模拟方案如表1所示。

表1数值模拟方案

注：UY、UX分别指基础3、4沿Y轴、X轴方向的位移。

根据表1中的模拟方案，在模拟过程中将地表倾斜变形值转换成铁塔一侧基础1、2相对静止，另一侧基础3、4均匀下沉(图8a)，即基础1、2的边界条件为X、Y、Z三个方向位移固定，基础3、4的边界条件为UX＝0，UY<0，UZ＝0，ROTX、ROTY、ROTZ(X、Y、Z方向旋转自由度)自由；将地表拉伸(压缩)变形值转换成铁塔一侧基础1、2相对静止，另一侧基础3、4均匀水平拉伸(压缩)移动(图8b-c)，即基础1、2的边界条件为X、Y、Z三个方向位移固定，基础3、4的边界条件为UX>(或<)0，UY＝0，UZ＝0，ROTX、ROTY、ROTZ自由。

(2)数值模型建立

以自立式高压线铁塔为原型，该铁塔由各种等边角钢组成，材料主要由Q235(A3F)和Q345(16Mn)组成，该塔总高度为41.5m，宽侧根开6m，窄侧根开5.6m，如图9(a)、(b)所示。

利用ANSYS程序采用自底向上的建模方式对高压输电线铁塔进行建模，建立的有限元分析模型如图9(c)所示。本次模拟采用弹塑性本构模型，其中钢材的弹性模量均为2.06×10¹¹Pa，泊松比均为0.3，密度均为7.85×10³kg/m³。在模拟过程中，假设高压线铁塔基础不发生破坏或较大变形，且在变形过程中，模型节点不先于杆件发生破坏。

2.3.2、数值模拟结果与分析

根据表1中的模拟方案，得到高压线铁塔最大拉(压)应力与不同倾斜、水平拉伸变形、水平压缩变形之间的曲线关系图，如图10a、b所示。

由图10a、b可知，随着倾斜与水平变形的增加，高压线铁塔最大应力值均依次经历线性增加、缓慢增加阶段，说明高压线线铁塔经历弹性阶段与屈服阶段。图10a、b中弹性阶段与屈服阶段交界处的倾斜、拉伸变形、压缩变形分别为30mm/m、+6mm/m、-6mm/m。铁塔处于屈服阶段时(倾斜40mm/m，水平变形±8mm/m)的变形示意、轴向应力分布云图、综合位移分布云图如图11～13所示，图中的“MX”代表相应分析的最大值位置，“MN”代表最小值位置。

由图11～13可进一步得到高压线铁塔在屈服时的最大应力、位移值及其位置，如表2所示。

表2高压线铁塔在屈服时的最大应力、位移值及其位置e

综上模拟实验可知，高压线铁塔在屈服阶段时的最大轴向应力位置均位于塔基处；地表倾斜导致铁塔屈服主要是由于塔基处轴向压应力达到其最大值，拉伸(压缩)变形导致铁塔屈服主要是由于塔基处轴向拉(压)应力达到其最大值。

根据上述高耸构筑物采动变形特征分析可知，因煤炭开采导致高耸构筑物变形的原因在于其基础发生了不同程度的下沉、倾斜与水平变形等，因此本申请提出一种抑制高耸构筑物基础地基变形的技术如上。

3.高耸构筑物地基精准注浆加固技术

3.1高耸构筑物地基精准注浆加固技术原理

注浆的分类较多，其中静压注浆可分为充填或裂隙注浆、渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆，其都可用于充填裂隙、加固地基。而本申请提出的高耸构筑物地基精准注浆加固技术原理是基于概率积分法预计基础移动变形值，在工作面将要(或正在)影响至高耸构筑物时，对其地基(基础内部与基础周边)进行渗透注浆加固，通过控制不同注浆位置的注浆压力与注浆量，实现提高地基强度、补偿地基下沉、矫正地基角度(倾斜)目的，从而精准保护高耸构筑物。本申请以水泥作为注浆的主要施工材料，以独立基础为例，首先根据采矿地质条件预计四个独立基础的移动变形曲线，其中下沉预计等值线示意如图2所示：

根据下沉预计等值线，实施高耸构筑物精准加固方法，其流程图如图14所示。

由图2、图14可知，根据概率积分法预计得到高耸构筑物四个独立基础A、B、C、D的下沉值分别为w₃、w₄、w₅、w₆，且基础A的下沉值最大，基础D的下沉值最小。根据图14流程可知，通过在四个独立基础内与基础周边埋设不同长度的注浆管，控制注浆量与注浆压力实现对地基精准注浆，从而可达到保护高耸构筑物安全运行目的。

3.2高耸构筑物地基精准注浆加固作用

基于上述理念，进一步深入分析高耸构筑物地基精准注浆加固技术的作用：注浆加固作用、注浆充填作用与注浆调斜作用。

3.2.1注浆加固作用

高耸构筑物基础地基通常位于为第四系松散层或地表裸露基岩内。当基础位于第四系松散层内时，对基础内及其周边的土体地基注浆，可通过改变土体地基的力学性质(地基由土体变为岩土体)提高地基强度，其中高耸构筑物土体地基注浆前后试样应力-应变曲线如图15所示。

由图15可知，注浆使得地基土试样的强度(σ_qmax)提高至地基岩土试样的强度(σ_hmax)；另外，注浆前，受采动影响当地基应力达到σ_qmax时，土试样的应变为ε’_q；注浆后，受采动影响当地基应力达到σ_qmax时，岩土试样的应变为ε_h，小于ε’_q。

当基础位于地表裸露基岩时，对基础内及其周边的基岩地基进行注浆，可通过浆液充填基岩内部存在原有裂隙提高基岩地基强度。

3.2.2注浆充填作用

通过对基础地基注浆不仅可以提高其强度，也能起到补偿下沉作用。以高耸构筑物的单个基础地基为例，基础地基注浆充填补偿下沉作用示意如图16(a)、(b)、(c)、(d)所示。

根据图16a至图16d可知，高耸构筑物的基础地基土颗粒间存在原有空隙与空洞(图16a)，无注浆时，受采动影响，这些原有空隙与空洞被其周边图颗粒填充，置换出的空间形成的部分地表不均匀下沉量(图16b)；当对基础地基进行注浆时，浆液充填原有空隙与空洞(图16c)，基础地基受采动影响时，空隙浆液、空洞浆液将起到补偿地表下沉作用(图16d)。

3.2.3注浆调斜作用

根据概率积分法预计得到不同位置高耸构筑物的基础下沉量，若下沉量不同，可通过调节不同位置注浆管的注浆压力，控制调节地基反向作用力矫正基础倾斜，达到调斜作用。高耸构筑物基础地基注浆调斜作用示意如图17所示。

由图17可知，开采前基础A、B均位于地平线上，下沉量为w₀；地表预计曲线中基础A的下沉值(w₃)大于基础B的下沉值(w₄)；实施精准注浆后地表下沉曲线中基础A、B的下沉值均为w’₀。另外，基础A、B地基共布置了9个注浆管(1#～9#)，基础周边地基铺设的注浆管长度大于基础内地基注浆管长度，通过调节1#、2#注浆管注浆压力大于8#、9#注浆管压力，实现1#与2#注浆管下地基反作用力大于8#与9#，从而达到基础A与基础B周边地基下沉量一致目的。

综上可知，高耸构筑物地基精准注浆加固作用包括注浆加固作用提高地基强度、注浆充填作用补偿下沉与注浆调斜作用控制地基反力。

3.3高耸构筑物地基精准注浆加固机理

根据上述高耸构筑物地基精准注浆加固作用，进一步采用半无限空间体集中力作用下的位移公式与数值积分方法，推导理论分析地基下沉量与注浆压力之间的定量关系式。

3.3.1竖直、水平集中力下土体竖向变形理论分析

在半无限空间饱和土内部距离自由面h处受到竖直集中力(F_v)与水平集中力(F_h)作用时(图18)，土体相应的竖向变形(W_z)表达式为：

W_z＝W_zv+W_zh (1)

式中：W_zv为竖直集中力作用下z方向的土体位移，m；W_zh为水平集中力作用下z方向的土体位移，m。

在图18中x’-y’-z’坐标系下，得到W_zh与W_zv的表达式：

式中：G为土体的剪切模量，Pa；h为力与自由表面的垂直距离，m。

3.3.2精准注浆作用下地基竖向变形理论分析

根据上述精准注浆原理，在半无限可渗透注浆的土体内注浆过程中，当注浆压力超过极限注浆压力值(P_max)时，渗透注浆将变为劈裂注浆。因此当注浆压力小于P_max，才能保证浆液的均匀渗透，进而实现对高耸构筑物地基的精准注浆，其中P_max表达式为：

式中：σ_c为地基土层的抗压强度，Pa；γ为地基土层的容重，N/m³；L为注浆孔深度，m；K₀为静止测压力系数；ν为地基土层的泊松比，一般小于0.5；R₁为扩散半径，m；R为注浆孔半径，m。

由式(4)可知，渗透注浆极限压力值与地基的抗压强度、地基土层的容重、注浆孔深度与半径、静止测压力系数、泊松比相关。高耸构筑物地基经浆液渗透、加固后，优化了地基力学性质，并提高了地基的完整性与强度(图15、图16)。

为进一步通过控制注浆压力，实现矫正高耸构筑物地基倾斜目的(图17)，建立高耸构筑物精准注浆引起的地基竖向变形计算模型，在上述实现地基渗透注浆基础上，提出如下基本假定：1)假定精准注浆过程中，浆液完全充填注浆孔与注浆管间空隙，注浆孔孔壁、孔底分别受与注浆压力相等的水平注浆压力作用、竖直注浆压力作用；2)假定浆液充填注浆孔与注浆管间空隙后对土体产生挤压效益，不考虑浆液性能与土体变形的时效性；3)假定地基是均质的线弹性体，各向同性，地基变形为小变形；4)不考虑土体注浆后固结以及浆液固结对土层变形的影响。

根据上述基本假定，高耸构筑物精准注浆引起的地基竖向变形积分包括两部分：注浆孔四周孔壁受水平注浆压力引起的地基竖向变形积分、注浆孔底部孔底受竖直注浆压力引起的地基竖向变形积分，设空间坐标系x-y-z，并对注浆孔内分别受水平、竖直注浆压力的任意微元建立与x-y-z平行的局部坐标系x_h-y_h-z_h、x_v-y_v-z_v，其积分示意图如图19a-c所示：

由图19(b)可知，对于注浆孔四周孔壁受水平注浆压力(P_h)的任意微元，其所受水平集中力为dF_h＝P_h·dA_h，其中dA_h＝Rdθ·dl；由图19(c)可知，对于注浆孔底部孔底受竖直注浆压力的任意微元，其所受竖直集中力为dF_v＝P_v·dA_v，其中dA_v＝rdθ·dr。根据上述基本假定可知，P_v＝P_h＝P，其中P为注浆压力。结合图18中x’-y’-z’坐标系，对图19中的坐标系(x-y-z、x_h-y_h-z_h与x_v-y_v-z_v)进行坐标变换，如式(5)(6)所示：

将式(5)、(6)分别代入式(2)、(3)得：

对式(7)、(8)进行积分，并结合式(1)，可得在注浆压力作用下，x-y-z坐标系中任意点的地基竖向变形表达式：

式中：R为注浆孔半径，m；L为注浆孔深度，m。

3.3.3基于地基下沉量的精准注浆压力理论公式

根据上述注浆作用下地基竖向变形理论分析，进一步推导基于地表预计下沉量的不同位置注浆孔注浆压力理论公式。

为简化计算，选取x-y-z坐标系中原点的竖向变形值作为精准注浆引起的地表变竖向形值。将式(7)、(8)代入式(9)得：

对式(10)进行变换，得到高耸构筑物一个注浆孔的注浆压力(P’)与其引起地表钻孔中心位置竖向变形值(W_z)的关系式为：

由式(11)可知，注浆压力与地表竖向变形值呈线性相关关系，其斜率与土的剪切模量、注浆孔深度、注浆孔半径有关。根据上述高耸构筑物地基精准注浆加固理念，每一个基础周边布置多个等间距注浆钻孔，多个注浆钻孔的间距与其扩散半径(R₁)有关，根据式(4)可知，实施高耸构筑物地基精准注浆压力应小于等于极限注浆压力，结合式(12)，可进一步推导出注浆孔的扩散半径公式(式13)，当考虑到每个注浆孔施加的注浆压力都能发挥到地表竖向变形作用，又要考虑到注浆孔之间的相互作用关系，注浆钻孔间的极限距离(D_max)应为单个注浆孔扩散半径的二倍，即：

根据上述分析可知，当注浆孔孔距为极限距离(D_max)时，每一个注浆孔引起的地表竖向变形相同，整个基础地基布置的多个注浆孔可组合为一个的大地基注浆孔，该地基注浆半径(R’)为地基平均尺寸的一半。基于此认识，结合图17，根据地表预计下沉值曲线，欲通过调节注浆压力，使得整个基础地基的地表下沉值由w抬升至w’₀，因此可得到整个基础地基的注浆压力(P_z)计算式：

式中：R’为地基注浆半径，m。

需要指出的是，上述推导出的注浆引起土层变形理论公式，均是基于半无限问题求解方法得到的。对土层注浆是一个复杂的过程，上述假设中仅考虑注浆后土层空间上的变化，未考虑注浆过程中的时间效应。

3.4高耸构筑物地基精准注浆加固技术内容

基于上述精准注浆加固技术原理与注浆加固机理，进一步总结出高耸构筑物地基精准注浆技术的核心内容，如图20所示。

由图20可知，高耸构筑物地基精准注浆加固技术主要包括注浆依据、注浆时机、注浆位置、注浆作用与注浆机理，该技术对保护地表高耸构筑物安全运行具有重要的工程应用价值。

由实践到理论的结合可以得出以下结论：

(1)本发明阐述了地表高耸构筑物采动变形特征，并以高压输电线路铁塔为例，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，系统分析了地表下沉、水平移动、曲率、倾斜、水平变形对高耸构筑物采动变形的影响；地表倾斜导致铁塔屈服主要是由于塔基处轴向压应力达到其最大值，拉伸(压缩)变形导致铁塔屈服主要是由于塔基处轴向拉(压)应力达到其最大值。

(2)本发明提出了高耸构筑物地基精准注浆加固技术原理，系统分析了精准注浆加固作用；并通过理论分析揭示了地基精准注浆加固机理，得出基于地基下沉量的精准注浆压力理论公式；凝练出基于地基“下沉量-注浆压力”的高耸构筑物地基精准注浆加固技术核心内容，包括注浆依据、注浆时机、注浆位置、注浆作用与注浆机理。

(3)本发明将高耸构筑物地基精准注浆加固技术应用于某矿广播电视信号铁塔下采煤，精准注浆后基础最大变形值(1.6～4.8mm)小于《规范》中的极限变形值(5.0mm/m)，有效保护了该广播电视信号铁塔，验证了高耸构筑物地基精准注浆加固技术的合理性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

Claims (4)

1.一种受采动影响的高耸构筑物精准注浆加固方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据收集到的采矿地质资料，确定煤层埋深、工作面开采范围、采厚、覆岩岩性、岩层地表移动参数及采空区与高耸构筑物的相对位置关系；

S2、根据煤层埋深、工作面开采范围、采厚、覆岩岩性及采空区与高耸构筑物的相对位置关系，预计高耸构筑物基础地基移动变形值；

式中，M为煤层开采厚度，m；q为下沉系数；α为煤层倾角，°；r为主要影响半径，m；D₁为煤层在t方向的开挖范围，m；D₂为煤层在s方向的开挖范围，m；

S3、结合概率积分法预计结果，对其地基进行渗透注浆加固，通过控制不同注浆位置的注浆压力与注浆量，实现提高地基强度、补偿地基下沉、矫正地基角度倾斜目的，从而精准保护高耸构筑物，其中注浆压力P_Z为：

式中，R为注浆孔半径，m；L为注浆孔深度，m；Δw基础需要抬升量，m；

S4、钻孔按照等间距矩形布置，根据岩层物理力学参数，在确定钻孔深度的情况下，对钻孔的布置间距D进行求解：

式中，γ为地基土层的容重，N/m³；L为注浆孔深度，m；K₀为静止侧压力系数；ν为地基土层的泊松比；R为注浆孔半径，m；σ_c为地基土层的抗压强度；

S5、根据采矿地质条件得到工作面即将影响到高耸构筑物的推进距离，确定注浆时机，即工作面距高耸构筑物的距离：

l＝H₀·cotω

式中，l为超前影响距，m；H₀为平均开采深度，m；ω为超前影响角，°，非充分采动时，ω角值随着开采面积的增大而减小；充分采动后，ω值基本趋于定值；地表移动稳定后，ω角等于边界角σ₀；

S6、根据注浆孔间距，采用正方形均匀布置的形式布置钻孔；并根据得到的注浆时机、注浆压力对每个钻孔进行精准注浆。

2.根据权利要求1所述受采动影响的高耸构筑物精准注浆加固方法，其特征在于，在所述步骤S1中，覆岩岩性采用覆岩综合评价系数P进行评价分析，计算方法如下：

式中，m_i为覆岩i分层的法线厚度，m；Q_i——覆岩i分层岩性评价系数。

3.根据权利要求1所述受采动影响的高耸构筑物精准注浆加固方法，其特征在于，在所述步骤S2中，在概率积分法选取预计参数时，选取本矿或本矿区实测数据分析参数，对于无实测资料的矿区，依据第一步中所得岩性条件进行选取。

4.根据权利要求1所述受采动影响的高耸构筑物精准注浆加固方法，其特征在于，在所述步骤S3中，需保证注浆为渗透注浆，确定注浆的渗透半径R₁应小于：

式中，γ为地基土层的容重，N/m³；L为注浆孔深度，m；K₀为静止测压力系数；ν为地基土层的泊松比；R为注浆孔半径，m。σ_c为地基土层的抗压强度。

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