专题-建筑物下采煤关键技术分析.doc

1、专题部分建筑物下采煤关键技术分析摘 要：本论文在充分论证国内外村庄下开采技术的研究及应用的历史和现状，总结各种不同的开采方法及优化设计方法的前提下，确立了优化建筑物下采煤的总体原则，按照系统综合分析的方法进行了分析，建立了建筑物下开采方案优化的经济数学模型。 关键词：建筑物下 采煤 技术 原则 模型1 概 述据国有重点煤矿的不完全统计资料，目前我国“三下”压煤约 137.9 亿吨，其中建筑物下压煤为87.6 亿吨，而建筑物下压煤中的 60为村庄压煤。部分矿区建筑物下压煤量十分巨大，已经严重制约着矿区的发展，如徐州矿业集团 1999 年建筑物下压煤约 4.9 亿吨，占总可采储量的 50%以上。此

2、外，随着社会经济的发展，矿区地面建筑物还在逐渐增多，建筑物下压煤开采已成为许多矿区面临的主要问题，严重制约着矿区的可持续发展，因此，进行建筑物下采煤（以下简称建下采煤）研究具有十分重要的意义。开采引起的地表的变化对建筑物的影响主要分为：下沉、水平移动、曲率、倾斜、水平移动以及诸多变化的组合。均匀下沉对建筑物本身不会产生破坏，但会影响管线：水管、气管、电话线、 电线。水位上升降低了地基的强度，影响建筑物的使用。均匀的水平移动不会对建筑物产生破坏，但是同样会影响到管线，影响到建筑物的使用。地表的倾斜会相应使建筑物产生倾斜，增加建筑物的附加力，影响到建筑物的稳定性。危害程度往往与建筑物的高度成正相关

3、。水平变形会使建筑物受到拉伸或者压缩作用，其中拉伸作用对建筑物的危害最大。地表的曲率的改变往往会使建筑物顶部或底部产生撕裂的破坏。2建下采煤技术体系根据以上的破坏形式，相应地形成了现有的建下采煤技术体系：以支撑煤柱为核心的技术体系、以充填体为核心的技术体系、以协调开采为核心的技术体系、以建筑防护为核心的技术体系以及两种或多种体系的组合。2.1以支撑煤柱为核心的技术体系这一技术的主要原则是选取合理的煤柱留设方式，在容许地表变形范围内采出最大煤量。这一技术体系又可以分为条带式和房柱式开采两种形式。2.1.2条带式开采1）条带式开采条带采区是将一个盘区划分成一个个长条形，采一条，留一条，保留条带用于

4、永久支撑上覆岩体。条带冒落开采时，只要设计合理，开采后上覆岩层破坏的范围很有限，一般情况下各开采条带产生的裂隙带之间不互相连接。因此对地表的影响是轻微且均匀的。按条带长轴沿煤层的走向或倾向布置，条带开采可分为走向条带和倾斜条带；按顶板管理方法，可分为冒落条带和充填条带；目前正在研究应用放顶煤条带开采技术。一般地说，冒落法走向条带开采应用较普遍。条带开采法最大的问题是掘进工程量大，资源回收率低、生产管理复杂，但是在一些特定的条件下是可以采用的：如地面建筑物密集、建筑物结构复杂、重要和敏感以及有纪念性的建筑物、铁路隧道等，由于技术上经济上的原因不适于用建筑物加固或充填法开采时，以及即使采用水平分层

5、和水砂充填还不能使地表变形控制在允许的范围之内时；或为了解决采动后排水困难等；矿层数少，厚度比较稳定，断层少；邻近采区的开采不至于破坏留设矿柱的完整性等。2）条带开采类型（1）冒落条采该法是将条带开采的采出部分的顶板冒落下来，使岩块充填采空区，以便控制顶板的继续垮落。由于顶板的垮落，等于相应增加了矿柱的高度，即增加了压缩量值，使下沉系数增加。冒落条采下沉系数一般在 0.060.16 之间，要比充填条采的大。但因为不充填，使得工艺简单，成本低，所以冒落条采应用较为普遍，只要直接顶易于冒落，且有足够的厚度情况下就可以应用此法。（2）充填条采即指条带开采的采出部分用充填法管理顶板。充填又有水砂充填、

6、风力矸石充填、粉煤灰充填、矸石自溜充填等类型。充填的目的不止是支撑顶板，更主要是增加矿柱的稳定性，使矿柱处于三向受力状态，以减少和防止矿柱两帮的片落和破坏。充填条采的下沉系数很小，一般在 0.050.1 之间，能有效地控制地表的变形。对于那些特别敏感重要的建筑物，或开采深度较小，矿层较厚时较为适用。另外，如果矿层直接顶顶板坚硬不易垮落或直接顶易于冒落，但很薄，冒落后不能充填采空区时，都可以由于矿柱侧壁暴露不断片落而被压垮，这时也应采用充填条带开采。但充填的工艺复杂，成本高，在条件适宜时应采用冒落条带法。（3）走向条采沿矿层倾斜方向划分条带，条带矿柱沿走向方向留设，采矿工作面沿走向推进。由于矿柱

7、不能太大，所以走向条采是短工作面。走向条采一般用于矿层倾角小的缓倾斜矿层，倾角大了，矿柱就不稳定了。（4）倾向条采沿矿层走向方向划分条带，条带矿柱沿倾斜方向留设，采矿工作面沿倾向推进。此法用于倾角较大的条件下，且工作面较长，生产能力大，但由于走向短，工作面搬家频繁。（5）定采留比条采在一个采区内采留比固定不变的，叫定采留比条采。它适用于采区地质条件比较简单的地段。在多煤层、厚煤层开采时必须采用定采留比，否则保证不了稳定性。定采留比的条带布置要求严格。（6）变采留比条采在一个采区内采留比不固定，根据需要而变化的，叫变采留比条采。在地质条件变化较大的地段，变采留比有一定的优越性。变采留比的条带布置

8、比较灵活，适用于单一煤层。条带开采的特点与要求条带开采引起的地表移动与变形规律与全采相似，但根据现场试采的经验，条带开采具有以下特点：1）引起的地表移动变形值小。2）覆岩的破坏特征与全采有明显不同。3）由于条采引起的矿山压力较小，所以对底板岩层的破坏较轻，对防止底板突水有利4）条带采矿法不能与房柱式或刀柱式采矿法混为一谈，房柱式或刀柱式采矿法主要是为了管理难于冒落的坚硬顶板，保证开采时作业安全的，而条采是为了减少地面移动与变形，用来保护地面客体的。因此，对于条带矿柱的留设有严格的要求和设计计算方法。5）条带开采时总的移动时间短。条带矿柱的要求为了使地表不出现波浪式下沉盆地，就必须要使矿柱的留设

9、合理，既不被压坏，又能尽量提高回收率。1）保留的条带矿柱应有足够的强度和稳定性，这样才能有效地支撑上覆岩层。2）采空区处理方法与采深的关系。当用充填法管理顶板时，矿柱将处于三向受力状态，使矿柱的抗压强度提高，稳定性增强。当用垮落法管理顶板时，如果顶板软弱易冒落，填满采出空间，矿柱的受力状态将与充填法相似，也是稳定的；如果顶板坚硬，不容易冒落，则只能视为单向受力状态。在单向受力状态下，采出率低，采深以不超过 400m 为宜。3）近距离矿层上下层矿柱的对齐问题。在采用条采方法开采近距离煤层群时，考虑层间移动角的影响，下层矿层的留宽要比上层矿层的留宽大一些，以保证各层保留矿柱都有足够的强度和稳定性。

10、同时，上下层的保留煤柱都要对齐。4）尽量不在条带矿柱中穿切巷道。当采用倾斜条带开采时，现场为了工作面搬家时运送设备材料的方便，往往在倾斜条带矿柱的中部开一个联络眼，只要巷道做的不太大，即不挑顶卧底，并加强支护，也是可以的。5）留宽及采宽的确定。条带开采的采宽和留宽必须适应采深、岩煤层力学性质及其厚度的要求，又要考虑回采率。采宽过大，地表容易出现局部下沉盆地；留宽过小，支撑能力不够，煤柱失稳后引起岩层和地表下沉变形增加。其具体计算方法可以见相关文章。2.1.2 房柱式开采与条带法开采相比，房柱式开采留设的是短煤柱，形状从正方形至1：2的长方形。从上覆岩层控制的角度看，留设煤柱的作用与条带法相同，

11、即永久支撑上部岩体。房柱式开采在中国应用较少，这里就不详细介绍了。2.2以充填体为核心的岩层控制技术体系地下采矿后以充填体控制覆岩移动的实践已有很长的历史。其基本原理是在深入研究覆岩运动规律的基础上，充分利用可能的充填空间，在经济、有效的条件下，使充填体和岩层形成一个稳定机构，从而实现有效的岩层控制。根据充填体所处的位置，可分为采空区充填和岩层内充填两大类。2.2.1采空区充填法采空区充填法是在煤炭开采过程中，向工作面后方采空区内充填矸石、水砂或粉煤灰等充填材料，在采空区顶板未冒落下来之前将其充满，以支撑上覆岩的顶板管理办法。采用采空区充填，既可以减小覆岩的破坏高度，又可将下沉系数控制在 0.

12、10.4 之间，大大减缓了地表的移动与变形。为减缓开采边界的变形集中，也有的在开采边界充填一个条带，可以减小地表最大变形。我国 20 世纪 60 年代至 70年代初应用水砂充填、风力充填先后在抚顺、南京、焦作等地开采建筑物下煤炭，获得成功，充填材料有废油页岩、河砂、矸石、碎石等。90 年代又进行了利用粉煤灰充填采空区的试验研究。但充填采煤法需要设置一套专门的充填设备和设施，成本较高，并需要有足够的充填材料来源。采空区充填法按充填方式不同可分为以下几种：1）水砂充填充填材料主要是河砂、山砂、工业废渣、矸石、电厂粉煤灰等，以河砂、山砂为最优。在充填质量较好的情况下，其地表下沉系数为0.1 0.2。

13、工业废渣有废油母页岩、洗矸及炉渣。用工业废渣充填其地表下沉系数为 0.150.30。用电厂粉煤灰作充填材料，也是成功的，但效果低于水砂充填。水砂充填的充填能力大，充填能力可达 2003003/以上，能满足机械化采煤工作面产量要求。此外，水砂充填法除适应于普采工作面外，也可用于综采工作面。2）水力矸石充填用矸石作充填材料，由于矸石来源广，加工容易，故其适用性大。取决于矸石的岩性组成，其地表下沉系数为 0.20.3。3）风力充填充填材料主要为井下矸石、河砂、山砂和洗矸，粒度要求一般小于 60mm，含泥量为 15%20%以下。我国已能自行设计制造风力充填机，并实地试验成功。最新的风力充填机，其充填能

14、力可达 2503/以上，能够满足机械化长壁工作面产量要求。4）自溜充填利用填料自重进行充填，适用于倾斜和急倾斜煤层条件，充填材料为井下矸石、山砂和碎石等，对材料粒度要求不严格。另外，近年来国外又在开发试验冒落采空区充填技术，将膏状浆液充填到工作面后方冒落的碎石空隙中，与其胶结矸石骨架形成具有一定强度的支撑体，支撑上覆岩层载荷，从而减少覆岩的进一步弯沉和变形。由于充填材料采用的是电厂粉煤灰等工业废弃物配以某些添加剂调配而成的高浓浆液，这种浆液的析水量少且迅速被冒落的矸石吸收，因此，充填材料与冒落矸石胶结体的强度不低于原生岩体，足以支撑所采煤层的上覆岩层。由于垮落岩石间的空隙基本被高压高浓浆液充填

15、满，所以岩石间的可压缩性要小于风力矸石充填。同时应该指出，此种充填方法的充填物在垮落岩层和非垮落岩层之间产生离层时，在离层处由于没有骨架的维系仅靠堆积充填，其效果则不如水砂充填，介于水砂充填和风力矸石充填之间，地表下沉系数为 0.3 左右。由此可见，高浓浆液充填的减沉效果除与充填材料析水固化后的强度有关外，还与所采煤层上覆岩层的地层条件有关。充填材料强度相同条件下，当垮落带和裂隙带之间不产生离层时的充填效果要强于两带之间产生离层的充填效果。该技术已在德国的 Walsum 和 Mpnepo 两矿进行过几个阶段的井下试验，第一个示范厂已经建成，第一阶段的混料与泵送能力为 1003/，在管径为 20

16、0mm、泵压为 250Pa 情况下，其最大输送距离超过 7000，至今已充填了几个采空区，在充填的采空区中，工作面的长度超过 300。Walsum 矿首先在一个庄园下实施开采，该采区煤层埋深 200，煤厚 23，采用高浓浆液充填法开采后，不仅保护了庄园内土地没有出现大的沉陷，而且还保证了庄园内建（构）筑物的正常安全使用，该方法对减少地表沉陷的作用非常明显。“采注采”三步法。“采注采”三步法开采，即“小条带开采注浆充填采空区剩余条带开采”，吸收了条带开采和充填开采岩层移动控制技术的优点。充分利用覆岩结构对岩层移动的控制，布置条带式工作面跳跃式开采。注浆充填和加固采空区破裂岩体恢复承载能力，应用栽荷置换原理，实现对上覆岩层的控制。其基本内容是将开