建筑物下采煤技術淺析

李玉忠,徐建文,程 悅

(1.開灤東歡坨礦業分公司,河北 唐山 063022;2.中國礦業大學,江蘇 徐州 221116)

建筑物下采煤已成為我國煤礦在當前老礦井挖潛、新礦井建設中出現的具有普遍性的問題之一。采用合理的開采方法,達到資源利用與建筑物保護相協調、經濟效益與社會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題,無論從理論上、技術上、還是經濟上都具有重要的意義。

1 采動區建筑物變形與地表變形的關系

在采動過程中,地表建筑物的損害是地表的變形傳遞給基礎,從而引起地面建筑物產生相應的變形。若建筑物的變形值超過其允許的變形值,建筑物將受到破壞。采動區建筑物變形與地表變形的關系和采動區建筑物損壞評定的標準是建筑物下采礦的基礎。

2 建筑物下采煤的保護措施

2.1 地下開采技術措施

通過合適的開采方法或措施,可以有效地減小或控制采動引起的地表移動變形,達到保護建筑物的目的。在生產實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改變采場頂板管理的方法,控制頂板的下沉量而達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煤層采出后,采出空間用矸石、河砂等材料進行充填,以減小采出空間,從而減少覆巖及地表移動變形的一種開采方法。常用的充填方法有：水砂充填、風力充填、矸石人工充填。不同的充填方法、充填的密實度不同,地表下沉系數不同。當采用全部跨落法時,地表的最大下沉可達采厚的 60%～90%,一般為 80%左右;采用水砂充時,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的另一項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,并留設保護煤柱用于支撐頂板,以達到減小地表移動和變形的目的。缺點是采出率低 (一般采出率為 50%～60%),掘進率高,開采工藝復雜,效率較低。我國現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就是從地面借助高壓注漿泵對煤層開采后覆巖層裂過程中形成的離層空間,通過鉆孔向離層空間中注入充填材料,占據空間、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,注漿的膠結作用,注漿的膨脹作用,擠壓密實作用。

2.1.2 減少地表變形的開采技術措施

1)協調開采方法。協調開采是根據開采引起地表移動變形的分布規律,從而通過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變形。從而減小動態移動變形的影響,也減小工作面邊界部位的變形量。

3)多工作面協調開采。采用一個大的工作面或幾個工作面同時開采,使建筑物位于移動盆地的平底部位,使建筑物只受動態變形的影響,從而保護建筑物。考慮到開采過程中地表移動變形的動態影響,可以將開采工作面按一定方式布置,減小開采引起的動態變形影響。

4)對稱開采方法。所謂對稱開采方法即在建筑物下開采時,如果建筑物抵抗壓縮變形的能力較大,而對傾斜和拉伸變形又十分敏感,可以采用對稱背向開采的方法。例如,在受保護建筑物正下方布置兩個背向開采的工作面。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域內部,不承受拉伸變形,也不產生傾斜。這種方法一般只用在回采重要的單個建筑物煤柱時才采用。2.2 地面建筑物保護措施

保護建筑物的結構措施大致可分為兩類：一是提高建筑物的剛度和整體性,增強建筑物抵抗變形的能力。如,設置鋼拉桿、鋼筋混凝土圈梁、基礎聯系梁等;二是提高建筑物適應地表變形的能力,減小地表變形引起的建筑物附加內力。如,設置變形縫、地表緩沖溝、滑動層等。

1)設置變形縫。設置變形縫就是把建筑物從屋頂到基礎分成若干長度較小、剛度較大、自成變形體系的獨立單元,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,減少附加內力。

2)設置鋼拉桿。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、抗剪和抗拉的強度,可在一定程度上防止或減少裂縫等破壞現象的出現。

4)構造柱。在地表曲率變形較大時,為提高墻壁的抗剪強度,增加建筑物的整體剛度,限制裂縫的延長,可在墻內設置鋼筋混凝土構造柱。

5)設置千斤頂調整基礎。當受采動影響的地表發生不均勻沉降和傾斜變形較大時,為使建筑物免受超過其承載能力的附加作用力的影響和建筑物調平,可采用千斤頂及時調平基礎,消除不均勻降沉引起的建筑物附加內力。

6)堵砌門窗洞。建筑物在受到地表壓縮和負曲率變形作用時,使墻身產生壓縮變形,墻身變形導致門窗洞口應力集中,從而導致其損壞。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。這種方法簡便易行,一般多用于加固倉庫等建筑物。

3 結 語

伴隨著煤礦“三下一上”開采技術的研究與發展,建筑物下采煤的理論和方法也取得了顯著的成效,并得到了應用。但受技術條件的限制和科學發展的需要,建筑物下采煤技術仍需進一步研究與完善。

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