建筑物下采煤技術(shù)淺析

李玉忠,徐建文,程 悅

(1.開灤東歡坨礦業(yè)分公司,河北 唐山 063022;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州 221116)

建筑物下采煤已成為我國(guó)煤礦在當(dāng)前老礦井挖潛、新礦井建設(shè)中出現(xiàn)的具有普遍性的問(wèn)題之一。采用合理的開采方法,達(dá)到資源利用與建筑物保護(hù)相協(xié)調(diào)、經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益雙贏是建筑物下開采的重要目的。因此,解決建筑物下壓煤的開采問(wèn)題,無(wú)論從理論上、技術(shù)上、還是經(jīng)濟(jì)上都具有重要的意義。

1 采動(dòng)區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系

在采動(dòng)過(guò)程中,地表建筑物的損害是地表的變形傳遞給基礎(chǔ),從而引起地面建筑物產(chǎn)生相應(yīng)的變形。若建筑物的變形值超過(guò)其允許的變形值,建筑物將受到破壞。采動(dòng)區(qū)建筑物變形與地表變形的關(guān)系和采動(dòng)區(qū)建筑物損壞評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)是建筑物下采礦的基礎(chǔ)。

2 建筑物下采煤的保護(hù)措施

2.1 地下開采技術(shù)措施

通過(guò)合適的開采方法或措施,可以有效地減小或控制采動(dòng)引起的地表移動(dòng)變形,達(dá)到保護(hù)建筑物的目的。在生產(chǎn)實(shí)踐中比較有效和常用的有以下幾方面措施。

2.1.1 減小地表下沉值

所謂減沉開采方法是通過(guò)改變采場(chǎng)頂板管理的方法,控制頂板的下沉量而達(dá)到減緩地表沉陷量的目的。常用的方法為充填開采方法和部分開采方法。

1)充填開采方法。充填開采方法就是當(dāng)煤層采出后,采出空間用矸石、河砂等材料進(jìn)行充填,以減小采出空間,從而減少覆巖及地表移動(dòng)變形的一種開采方法。常用的充填方法有：水砂充填、風(fēng)力充填、矸石人工充填。不同的充填方法、充填的密實(shí)度不同,地表下沉系數(shù)不同。當(dāng)采用全部跨落法時(shí),地表的最大下沉可達(dá)采厚的 60%～90%,一般為 80%左右;采用水砂充時(shí),地表的最大下沉值僅為采厚的 8%～15%。

2)部分開采方法。部分開采方法是減小地表移動(dòng)的另一項(xiàng)極為有效的采礦方法。所用原理是把被開采的煤層劃分為若干條帶,開采其中的一條,并留設(shè)保護(hù)煤柱用于支撐頂板,以達(dá)到減小地表移動(dòng)和變形的目的。缺點(diǎn)是采出率低 (一般采出率為 50%～60%),掘進(jìn)率高,開采工藝復(fù)雜,效率較低。我國(guó)現(xiàn)階段常用的部分開采方法是條帶開采方法。

3)覆巖離層充填方法。覆巖離層注漿控制沉陷技術(shù)就是從地面借助高壓注漿泵對(duì)煤層開采后覆巖層裂過(guò)程中形成的離層空間,通過(guò)鉆孔向離層空間中注入充填材料,占據(jù)空間、減少采出空間向上的傳遞,支撐離層上位巖層、減緩巖層的彎曲下沉,從而達(dá)到減少下沉量的目的。覆巖注漿可以減緩礦山開采引起的地表沉陷,其減沉功能主要為：注漿的充填作用,注漿的支承作用,注漿的膠結(jié)作用,注漿的膨脹作用,擠壓密實(shí)作用。

2.1.2 減少地表變形的開采技術(shù)措施

1)協(xié)調(diào)開采方法。協(xié)調(diào)開采是根據(jù)開采引起地表移動(dòng)變形的分布規(guī)律,從而通過(guò)采用合理的開采布局,開采順序、方向等方法減緩開采引起的地表移動(dòng)變形。

2)減小開采邊界影響的疊加。利用上、下煤層(或分層)工作面間的距離差異,以減小開采引起的地表移動(dòng)變形。從而減小動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形的影響,也減小工作面邊界部位的變形量。

3)多工作面協(xié)調(diào)開采。采用一個(gè)大的工作面或幾個(gè)工作面同時(shí)開采,使建筑物位于移動(dòng)盆地的平底部位,使建筑物只受動(dòng)態(tài)變形的影響,從而保護(hù)建筑物?？紤]到開采過(guò)程中地表移動(dòng)變形的動(dòng)態(tài)影響,可以將開采工作面按一定方式布置,減小開采引起的動(dòng)態(tài)變形影響。

4)對(duì)稱開采方法。所謂對(duì)稱開采方法即在建筑物下開采時(shí),如果建筑物抵抗壓縮變形的能力較大,而對(duì)傾斜和拉伸變形又十分敏感,可以采用對(duì)稱背向開采的方法。例如,在受保護(hù)建筑物正下方布置兩個(gè)背向開采的工作面。在這種情況下,建筑物開始便處于下沉盆地中央的壓縮變形區(qū)域內(nèi)部,不承受拉伸變形,也不產(chǎn)生傾斜。這種方法一般只用在回采重要的單個(gè)建筑物煤柱時(shí)才采用。2.2 地面建筑物保護(hù)措施

保護(hù)建筑物的結(jié)構(gòu)措施大致可分為兩類：一是提高建筑物的剛度和整體性,增強(qiáng)建筑物抵抗變形的能力。如,設(shè)置鋼拉桿、鋼筋混凝土圈梁、基礎(chǔ)聯(lián)系梁等;二是提高建筑物適應(yīng)地表變形的能力,減小地表變形引起的建筑物附加內(nèi)力。如,設(shè)置變形縫、地表緩沖溝、滑動(dòng)層等。

1)設(shè)置變形縫。設(shè)置變形縫就是把建筑物從屋頂?shù)交A(chǔ)分成若干長(zhǎng)度較小、剛度較大、自成變形體系的獨(dú)立單元,單元之間的縫隙稱為變形縫。變形縫可以減少建筑物地基壓力分布的不均勻性,減少附加內(nèi)力。

2)設(shè)置鋼拉桿。鋼拉桿一般用于建筑物外的檐口或樓板水平上,以閉合的形式將建筑物外墻箍住,從而減小地表正曲率變形對(duì)建筑物墻體的影響。

3)鋼筋混凝土圈梁。此圈梁的主要作用在于增加建筑物整體性和剛度,從而提高磚石砌體的抗彎、抗剪和抗拉的強(qiáng)度,可在一定程度上防止或減少裂縫等破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4)構(gòu)造柱。在地表曲率變形較大時(shí),為提高墻壁的抗剪強(qiáng)度,增加建筑物的整體剛度,限制裂縫的延長(zhǎng),可在墻內(nèi)設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱。

5)設(shè)置千斤頂調(diào)整基礎(chǔ)。當(dāng)受采動(dòng)影響的地表發(fā)生不均勻沉降和傾斜變形較大時(shí),為使建筑物免受超過(guò)其承載能力的附加作用力的影響和建筑物調(diào)平,可采用千斤頂及時(shí)調(diào)平基礎(chǔ),消除不均勻降沉引起的建筑物附加內(nèi)力。

6)堵砌門窗洞。建筑物在受到地表壓縮和負(fù)曲率變形作用時(shí),使墻身產(chǎn)生壓縮變形,墻身變形導(dǎo)致門窗洞口應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致其損壞。為減少這種影響,可采用堵砌門窗洞的辦法,以提高其抵抗壓縮變形的能力。這種方法簡(jiǎn)便易行,一般多用于加固倉(cāng)庫(kù)等建筑物。

3 結(jié) 語(yǔ)

伴隨著煤礦“三下一上”開采技術(shù)的研究與發(fā)展,建筑物下采煤的理論和方法也取得了顯著的成效,并得到了應(yīng)用。但受技術(shù)條件的限制和科學(xué)發(fā)展的需要,建筑物下采煤技術(shù)仍需進(jìn)一步研究與完善。

[1] 張煜鋮,侯世占.建筑物下采煤技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].煤炭技術(shù),2007(12)：49-51.

[2] 曹書卿 .建筑物下采煤方法設(shè)計(jì)[J].煤炭工程,2008(2)：13-14.

[3] 徐永圻.采礦學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003：103-105.