三下采煤技術的探討與研究

常 杰

（山西晉城煤業集團 寺河礦，山西 晉城 048205）

三下采煤技術的探討與研究

常 杰

（山西晉城煤業集團 寺河礦，山西 晉城 048205）

分別從地面巖移觀測站的設計與分析、保護煤柱的留設方法、建筑物下壓煤的開采技術及建筑物的地上保護措施等方面進行論述，力求能夠對煤礦“三下”壓煤開采的生產與設計提供借鑒，提高對“三下”采煤技術的認識，推動我國“三下”采煤技術、提高煤炭產量及保護地面重要基礎設施具有極其重要的意義。

三下采煤；保護煤柱；建筑物；開采技術

1 三下采煤的現狀

三下采煤是建筑物下、鐵路下和水體下采煤方法的統稱。據目前不完全統計，我國國有骨干大中型礦井“三下”壓煤量達到140億t以上，然而，到目前為止，我國僅從“三下”采出的煤炭約有10億t，只占整個“三個”壓煤量的7%左右。另外隨著對煤炭資源高強度、大面積的開采，所造成的地表沉陷不僅引起的礦區生態環境、地面建筑物、鐵路、公路、水體、橋涵、管道、耕地、高壓輸電線等的破壞，而且給煤炭企業帶來巨大的經濟賠償負擔，同時也影響到礦區乃至社會工農業生產和可持續發展。

因此，如何逐步開采“三下”壓煤，或如何規劃礦井的采掘接替順序，把對地表的影響控制在最低限度；或者如何搭配開采“三下”壓煤，有計劃地控制逐年的采動損害賠償；或者以經濟效益為第一要素采用一些特殊的開采方法,在不影響地表建（構）筑物的前提下部分開采出一些“三下”壓煤量。這些都是目前煤炭企業已經面臨而必須研究解決的問題。

三下采煤技術主要有開采沉陷和覆巖破壞理論、計算分析、特殊開采技術、地面建(構)筑物保護煤柱和水體保護煤柱設計等。三下采煤技術構成框圖，見圖1。

2 地表移動觀測站設計

2.1 建立觀測站的主要工作

圖1 “三下”采煤技術構成框圖

編制《工作面地表移動觀測站設計方案》，根據觀測站設計方案，進行日常觀測工作現場指導；對工作面觀測站實測數據進行分析處理；根據相關數據，研究、找出移動規律、確定移動參數；根據相關數據，計算邊界角、移動角、下沉參數、拐點偏移距等地表移動參數；計算并繪制該工作面開采后的下沉曲線、傾斜曲線、曲率曲線等巖層分析圖。

2.2 觀測站的形式及位置

觀測站的布設形式分網狀觀測站和剖面線狀觀測站。根據實際情況選取觀測站的形式。一般選用剖面線狀觀測站，設置2條觀測線，一條半走向觀測線、一條全傾向觀測線。走向觀測線布置在工作面開切眼一側，傾斜線布置在靠近開切眼一側。

2.3 觀測方法

根據測區實際情況選擇合適的測量方法，一般采用導線測量和三角高程測量。

連接測量：分別在傾斜和走向線上建立了控制點，采用GPS進行觀測站控制點連接測量。

高程測量：三角高程測量采用的全站儀以兩個測回測豎直角，往返測量高差基本滿足精度要求。

觀測站全面觀測和日常觀測的觀測次數和精度要求按《煤礦測量規程》中的有關規定執行。

在采動過程中，記錄每次觀測時的相應工作面位置、實際采出厚度、工作面推進速度、地質構造、水文條件等情況。

2.4 地表變形規律研究

為確保觀測成果的正確性，在進行內業整理計算之前，對野外觀測成果進行了檢查后再進行計算。觀測數據經整理改正后，進行變形觀測線上各測點和各測點間的移動和變形計算。包括以下五種變形：各測點的下沉和水平移動，相鄰兩測點間的傾斜和水平變形，相鄰兩線段（或相鄰三點）的曲率變形。最終，根據各測點的下沉值通過概率積分法，計算出邊界角、移動角、下沉系數。

3 保護煤柱的留設

保護煤柱是指專門留在井下不予采出的、旨在保護其上方巖層內部和地表的保護對象不受開采影響的那部分煤柱。留設方法有垂線法、垂直剖面法和數字標高投影法。

3.1 垂線法留設保護煤柱

⑴確定受護邊界。在平面圖上（圖1）按保護對象的保護等級平行于保護對象的輪廓線留設圍護帶。

⑵確定保護煤柱。①表土層受護范圍：在煤層底板等高線圖上，由受護邊界向外量出S＝hctgψ。式中：S為表土層受護范圍；h為表土層厚度，m；ψ為表土層移動角)從而得到基巖面上的受護邊界。

②基巖受護范圍：再從基巖面上的受護邊界作各邊界的垂線，這些垂線長按下式計算：

式中：θ為受護邊界與煤層走向所夾的銳角；δ、β、γ為分別為走向方向、上山方向和下山方向的基巖移動角。

然后根據計算結果，分別在各垂線上量取q i、l i值，得 A、A′、B、B′、C、C′、D、D′各點，連接 A′B、AC、C′D、D′B′各線并延長，則相交于 1、2、3、4四點，形成四邊形，即為所求的保護煤柱邊界，見圖2。

圖2 垂線法計算煤柱示意圖

3.2 垂直剖面法

垂直剖面法是利用選取的角值，采用垂直剖面作圖來圈定保護煤柱的方法，適用于各類建筑物保護煤柱的設計。

4 建筑物下壓煤開采技術

建筑物下開采技術主要是利用開采影響的移動規律和不同開采方式的地表下沉特點，通過采煤方法的設計，控制地表沉降或地表變形達到保護地面建筑安全的目的技術方法。

這些方法大體上可分為兩大類:一類為控制地表沉降達到減少地表變形要求的方法：如條帶開采、充填開采和限厚開采等；另一類為控制相對位置地表影響變形達到減少對受護對象影響變形的方法，如協調開采、全柱開采等。

5 建筑物的地上保護措施

村莊、城鎮建筑物的地上保護措施一般分為采前加固，采后維修和抗變形建筑結構措施。加固措施主要針對采前已經存在的建筑物，抗變形建筑物結構主要針對在采動區新建的建筑物。

5.1 建筑物加固措施

（1）變形縫：設置變形縫是一項有效而經濟的建筑物保護錯施，在我國建筑物下壓煤中較廣泛采用。

（2）鋼拉桿加固：鋼拉桿通常設在樓板和檐口水平，用以承受地表正曲率變形所產生的拉應力.用鋼拉桿加固有施工簡便及鋼材易于回收等優點。

（3）鋼筋混凝土圈梁加固：為了增強建筑物基礎抵抗地表水平和垂直變形能力,采用鋼筋混凝土圈梁加固基礎.對于重要的或較高的建筑物,還應在樓板或檐口水平設置墻壁圈梁。

（4）挖補償溝：建筑物位于地表壓縮變形區時,在建筑物基礎周圍挖一定深度的槽溝,用以吸收地表壓縮變形,減小變形傳遞給建筑物基礎側壓力,達到保護建筑物的目的。

6 結論

建筑物下采煤技術在我國應用比較廣泛，技術也比較成熟，各地可以根據自身的實際情況，合理選擇開采方法和開采設備以安全高效地開采建筑物下壓煤;水體下壓煤問題應該在遵循安全開采原則的前提下，充分考慮地質條件、環境因素等，確定最合適的開采方法;鐵路下采煤有其與水體下、建筑物下采煤不同的特點:建筑物下、水體下采煤，事前、事中、事后都要分別采取有效的技術措施保證煤炭的有序開采，鐵路下采煤必須在開采過程中采取技術措施，地表移動和變形對路基線路都有其影響。

[1]劉貴.古城煤礦深部厚煤層條帶開采煤柱穩定性及對村莊的影響研究[D].北京：煤炭科學研究總院，2007.

[2]劉文棟.建筑物下、鐵路下和水體下采煤[M].濟南：山東科學技術出版社，1986.

Discussion of M ining Technology under Buildings,Railways and W ater

CHANG Jie

(Sihe Mine,Jincheng Coal Group,Jincheng Shanxi048205)

From design and analysis of ground surface shifting observing station,retainingmethod of protecting pillars,mining technology under buildings,and building protection above ground,the paper tried to provide information for the production and design of mining under buildings,railways,and water to improve the understanding of the mining,promote the technology,increase coal yield,and protect the important facilities above the ground.

mining under buildings,railways and water;protecting pillar;buildings;mining technology

TD823.83

A

1672-5050（2011）10-0051-03

2011-06-30

常 杰（1973—），男，山西晉城人，大學本科，工程師，從事礦井地測、生產技術及管理工作。

劉新光