建筑物下采煤技术浅析

李玉忠,徐建文,程 悦

(1.开滦东欢坨矿业分公司,河北 唐山 063022;2.中国矿业大学,江苏 徐州 221116)

建筑物下采煤已成为我国煤矿在当前老矿井挖潜、新矿井建设中出现的具有普遍性的问题之一。采用合理的开采方法,达到资源利用与建筑物保护相协调、经济效益与社会效益双赢是建筑物下开采的重要目的。因此,解决建筑物下压煤的开采问题,无论从理论上、技术上、还是经济上都具有重要的意义。

1 采动区建筑物变形与地表变形的关系

在采动过程中,地表建筑物的损害是地表的变形传递给基础,从而引起地面建筑物产生相应的变形。若建筑物的变形值超过其允许的变形值,建筑物将受到破坏。采动区建筑物变形与地表变形的关系和采动区建筑物损坏评定的标准是建筑物下采矿的基础。

2 建筑物下采煤的保护措施

2.1 地下开采技术措施

通过合适的开采方法或措施,可以有效地减小或控制采动引起的地表移动变形,达到保护建筑物的目的。在生产实践中比较有效和常用的有以下几方面措施。

2.1.1 减小地表下沉值

所谓减沉开采方法是通过改变采场顶板管理的方法,控制顶板的下沉量而达到减缓地表沉陷量的目的。常用的方法为充填开采方法和部分开采方法。

1)充填开采方法。充填开采方法就是当煤层采出后,采出空间用矸石、河砂等材料进行充填,以减小采出空间,从而减少覆岩及地表移动变形的一种开采方法。常用的充填方法有：水砂充填、风力充填、矸石人工充填。不同的充填方法、充填的密实度不同,地表下沉系数不同。当采用全部跨落法时,地表的最大下沉可达采厚的 60%～90%,一般为 80%左右;采用水砂充时,地表的最大下沉值仅为采厚的 8%～15%。

2)部分开采方法。部分开采方法是减小地表移动的另一项极为有效的采矿方法。所用原理是把被开采的煤层划分为若干条带,开采其中的一条,并留设保护煤柱用于支撑顶板,以达到减小地表移动和变形的目的。缺点是采出率低 (一般采出率为 50%～60%),掘进率高,开采工艺复杂,效率较低。我国现阶段常用的部分开采方法是条带开采方法。

3)覆岩离层充填方法。覆岩离层注浆控制沉陷技术就是从地面借助高压注浆泵对煤层开采后覆岩层裂过程中形成的离层空间,通过钻孔向离层空间中注入充填材料,占据空间、减少采出空间向上的传递,支撑离层上位岩层、减缓岩层的弯曲下沉,从而达到减少下沉量的目的。覆岩注浆可以减缓矿山开采引起的地表沉陷,其减沉功能主要为：注浆的充填作用,注浆的支承作用,注浆的胶结作用,注浆的膨胀作用,挤压密实作用。

2.1.2 减少地表变形的开采技术措施

1)协调开采方法。协调开采是根据开采引起地表移动变形的分布规律,从而通过采用合理的开采布局,开采顺序、方向等方法减缓开采引起的地表移动变形。

2)减小开采边界影响的叠加。利用上、下煤层(或分层)工作面间的距离差异,以减小开采引起的地表移动变形。从而减小动态移动变形的影响,也减小工作面边界部位的变形量。

3)多工作面协调开采。采用一个大的工作面或几个工作面同时开采,使建筑物位于移动盆地的平底部位,使建筑物只受动态变形的影响,从而保护建筑物。考虑到开采过程中地表移动变形的动态影响,可以将开采工作面按一定方式布置,减小开采引起的动态变形影响。

4)对称开采方法。所谓对称开采方法即在建筑物下开采时,如果建筑物抵抗压缩变形的能力较大,而对倾斜和拉伸变形又十分敏感,可以采用对称背向开采的方法。例如,在受保护建筑物正下方布置两个背向开采的工作面。在这种情况下,建筑物开始便处于下沉盆地中央的压缩变形区域内部,不承受拉伸变形,也不产生倾斜。这种方法一般只用在回采重要的单个建筑物煤柱时才采用。2.2 地面建筑物保护措施

保护建筑物的结构措施大致可分为两类：一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;二是提高建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。

1)设置变形缝。设置变形缝就是把建筑物从屋顶到基础分成若干长度较小、刚度较大、自成变形体系的独立单元,单元之间的缝隙称为变形缝。变形缝可以减少建筑物地基压力分布的不均匀性,减少附加内力。

2)设置钢拉杆。钢拉杆一般用于建筑物外的檐口或楼板水平上,以闭合的形式将建筑物外墙箍住,从而减小地表正曲率变形对建筑物墙体的影响。

3)钢筋混凝土圈梁。此圈梁的主要作用在于增加建筑物整体性和刚度,从而提高砖石砌体的抗弯、抗剪和抗拉的强度,可在一定程度上防止或减少裂缝等破坏现象的出现。

4)构造柱。在地表曲率变形较大时,为提高墙壁的抗剪强度,增加建筑物的整体刚度,限制裂缝的延长,可在墙内设置钢筋混凝土构造柱。

5)设置千斤顶调整基础。当受采动影响的地表发生不均匀沉降和倾斜变形较大时,为使建筑物免受超过其承载能力的附加作用力的影响和建筑物调平,可采用千斤顶及时调平基础,消除不均匀降沉引起的建筑物附加内力。

6)堵砌门窗洞。建筑物在受到地表压缩和负曲率变形作用时,使墙身产生压缩变形,墙身变形导致门窗洞口应力集中,从而导致其损坏。为减少这种影响,可采用堵砌门窗洞的办法,以提高其抵抗压缩变形的能力。这种方法简便易行,一般多用于加固仓库等建筑物。

3 结 语

伴随着煤矿“三下一上”开采技术的研究与发展,建筑物下采煤的理论和方法也取得了显著的成效,并得到了应用。但受技术条件的限制和科学发展的需要,建筑物下采煤技术仍需进一步研究与完善。

[1] 张煜铖,侯世占.建筑物下采煤技术现状及发展[J].煤炭技术,2007(12)：49-51.

[2] 曹书卿 .建筑物下采煤方法设计[J].煤炭工程,2008(2)：13-14.

[3] 徐永圻.采矿学[M].徐州：中国矿业大学出版社,2003：103-105.