专题-建筑物下采煤关键技术分析.doc

1、 第28页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

2、%以上。此外，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。地下开采破坏了岩体内部原有的力学平衡状态，使上覆岩层不同程度地变形和破坏。当开采面积达到一定程度之后，起初采场附近的岩层移动和变形将会扩展范围到地表，改变原有的地表状况。此时的地表的变化将影响到位于开采影响范围内的建筑物，进而改变其原有的状态，甚至破坏。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

3、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。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

4、。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。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

5、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。1967 年以来，我国开始在抚顺、阜新、峰峰、南桐、蛟河、鹤壁、淄博、鹤岗、平顶山、枣庄、开滦、合山等矿区的建筑物下及铁路下进行了条带开采，王凤矿在底板承压水体上开采中也应用了该法，均收到了良好的效

6、果，推动了村庄下采煤工作的开展，为煤矿完成生产计划，老矿挖潜、延长矿井寿命起了重要作用。日本、波兰、英国也都有成功的先例。条带开采类型按顶板管理方法不同，条带开采有冒落条带开采和充填条带开采两种情况。按工作面的布置方式不同，条带开采则有走向条带开采和倾向条带开采两种情况。按采留比是否固定，可分为定采留比条采和变采留比条采。在开采单一煤层和煤层倾角较小(例如15)时，对顶板管理方法或是工作面布置方式都没有特殊要求，而在开采多煤层和煤层倾角较大的情况下，则要考虑煤层倾角大而引起煤柱失稳的问题。煤层倾角较大时，条带一般应沿倾向布置，而在采用机械化开采时，则以沿走向布置为佳。在分层开采厚煤层时，冒落条

7、带仍可由上而下进行，充填条带则应由下而上进行。在开采煤层群的情况下，如果煤层间距大于下层煤的“两带”高度，对条带布置和开采顺序无特殊要求；当煤层间距小或接近于“两带”高度时，则要求先采下层，由下而上地逐层进行，并要求各煤层中的煤柱按法线方向对齐，以减少对其产生的有害采动影响。（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

8、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、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

9、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

10、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比较灵活，适用于单一煤层。国内外条带法开采已有几十个成功的实例。国外以英国、波兰和前苏联采用较多。在我国，许多矿区都进行过条采试验。对我国29个条带开采的实例分析可以发现，我国以浅部(大部分在200m以内)冒落法条带开采实践居多，采出率在4070，地表下沉系数一般不大于0.3，且多小于0.2。进行条带法开采的关键是正确地确定采留尺寸。现已有许多计算采留宽度的理论，如压力拱理论、托板理论、三相应力法等。压力拱理论是由北英格兰开采支护委员会提出的，主要用于沉陷控制。该理论认为：由于采空区上方压

11、力拱的形成，上覆岩层的负载只有很少一部分作用到直接顶板上 , 其他部分的覆岩重量会向采面两侧的实体煤区 拱(脚 ) 转移。压力拱的内宽 LPA主要受上覆岩层厚度 , 即采深 H的影响，压力拱的外宽 LPB则受覆岩内部组合结构的影响。浩兰德总结出如下公式：LPA = 3( H /20 + 6.1)如果采宽大于压力拱的内宽 LPA , 则负载分布会变得很复杂，即一个拱脚在边侧实体煤上，另一个拱脚在采空区上，此时压力拱不稳定，可能崩溃并伴随大量的覆岩沉陷。伍德鲁夫经过观测，得到一条经验法则。若用“部分开采 ”方法控制地表沉陷， 则开采条带之间的煤柱宽度应大于 0.75LPA。托板理论认为：只要开采宽

12、度没有超过某个临界值， 块段开采采空区上方裂缝带与弯曲带的过渡区域内肯定存在一层或几层成整体弯曲而不断裂破坏的岩层，它们的存在，抑制冒落裂隙破坏的向上发展，控制着上位岩土层及地表的移动。该层岩层在三维空间起巨型托板作用，即把该岩层称为厚层硬岩层托板。利用托板理论计算条带开采采留宽 , 关键是筛选厚硬岩层托板。按三相应力法（AH威尔逊法）计算保留条带煤柱时，媒柱每一侧的屈服宽度为 y =0.00492mH根据实测保留煤柱的宽度 S应大于S =2 y +8.4长条形煤柱的极限承载能力可按下式计算:Pc =4 H (a- 0.00492mH) 10-4长条形煤柱的实际载荷能力可按下式计算:Pd =H

13、a + b/2 (2H b/0.6) 采宽 b与留宽 a的设计原则：为了保证煤柱的强度和稳定性，冒落条带开采时， 煤柱的宽高比应大于 5。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

14、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

15、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。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

16、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，即永久支撑上部岩体。房柱式开采在美国、澳大利亚、加拿大、印度、南非等采煤国家应用较广泛。目前井工产量约一半为这种采煤方法采出的。房柱式开采具有建井工期短、设备投资少、采煤效率高等优点，在采出率适当时，可以有效地控制岩体移动，减小地表下沉。房柱式开采的主要生产装备包括连续采煤机、锚杆机、梭车。当前发展的房柱式开采，新技术包括遥控采煤和连续运输系统的应用。煤房煤柱是房柱式采煤法的基本结构，煤房煤柱设计是房柱式采煤法岩层控制研究的核心。煤房尺寸计算一般以梁的理论为依据，而煤柱尺寸的确定是通过对煤柱载荷和煤柱强度研究来确定的