淺談減小地表變形的采煤措施

摘要：減小地表變形的井下采礦措施很多，合理的井下開采措施應綜合考慮地質采礦條件、建筑物的實際情況及社會經濟等多種因素。

關鍵詞：地表變形 開采措施

1、部分開采

主要有條帶開采、房柱式開采、巷道穿采、限厚開采、留不規則煤柱等。我國大中型煤礦主要采用條帶開采方法，目前該技術在我國比較成熟，運用效果也比較好，我國已在煤層傾角平均達320的情況下采用走向條帶開采城市下壓煤取得了成功。房柱式開采在我國應用較少，兗州南屯煤礦已開展此項研究工作；巷道穿采、留不規則煤柱開采方法在我國小煤窯中普遍使用；限厚開采在我國一些礦區（如皖北局）中得到了應用。

波蘭、前蘇聯部分開采主要采用條帶開采，波蘭回采率一般為50~60%，下沉系數為0.05~0.1；英國主要采用條帶開采和房柱式開采；日本也曾用房柱式開采建筑物下壓煤。

部分開采方法可以在保護地面建筑物的前提下采出一部分煤炭資源，具有較好的經濟效益，其最大缺點是回采率低，造成資源浪費。

現在介紹條帶開采。

（1）實質

在開采范圍內，沿一定的方向將煤層劃分為若干個條帶，采出一條，保留一條，相間排列。依靠保留的條帶煤柱支撐上覆巖層的載荷，以控制巖層和地表移動，使地表移動變形減小，達到保護建筑物的目的。一種部分開采的采煤方法。

（2）方法

沿傾向劃分條帶（走向長型），也可沿走向劃分（傾斜長型），可以充填，也可全部垮落。

（3）特點

地表移動變形小、圍巖破壞削弱（垮落帶，斷裂帶均小）、巖層移動時間短、地表移動有可能出現波浪形（當開采深度大時，H>3～4條帶條寬時，地表為平緩無波浪形）、回采率底（一般40%左右）。

（4）參數確定

主要參數有：采出條帶寬度（采寬）和保留條帶寬度（留寬）

①采寬的確定：

確定采寬的基本原則是：開采后地表移動不出現波浪起伏狀，而是單一平緩的下沉盆地。

地表移動是否出現波浪起狀態，與采寬和采深有關。根據國內外開采經驗與有限元計算，當采寬按下式計算時，地表不會出現波浪起伏狀態：

式中：b－采寬，m；

H－采深，m；

②留寬的確定

留寬即條帶煤柱的寬度，留寬應使煤柱本身有足夠的強度與穩定性以便能有效地支撐上覆巖層的載荷，應根據以下因素計算留寬：

a）開采后煤柱的應力狀態和煤柱的形狀

煤柱應力狀態有三向應力與單向應力狀態。采用全部充填法進行采空區處理或采用全部垮落法進行采空區處理且頂板垮落后能填滿采空區時，為三向應力狀態；采用全部垮落法進行采空區處理且頂板垮落后不能填滿采空區時，為單向應力狀態。

條帶煤柱形狀有長煤柱和矩形煤柱。當條帶煤柱為一整體的、不被巷道切割的煤柱，稱長煤柱；若在條帶煤柱中開掘巷道，將煤柱切割成矩形，稱矩形煤柱。

三向應力狀態時長煤柱留寬的計算公式為：

式中 －留寬，m；

M－開采煤層厚度，m；

d－矩形煤柱的長度，m；

s－煤炭損失率，

r－上覆巖層的平均重力密度，；

－煤的允許抗壓強度， 。

b）條帶煤柱是否存在核區

煤柱在受加載過程中，從煤柱應力峰值處到煤柱邊緣這一區段，煤體應力已超過了屈服點，此區域稱為屈服區，其寬度為y；在煤柱兩個應力峰值之間，煤體應力未超過屈服點，煤體的變形為彈性變形，此區稱為煤柱核區，其寬度為 。

試驗證明，屈服區的寬度y與采深H和采厚M有關，其表達式為

根據實測資料，煤柱核區的寬度，為可靠，計算條帶煤柱的寬度應按下式計算：

c）條帶煤柱的寬高比

煤柱的強度和穩定性與煤柱的寬高比即a/M有關。a/M愈大，煤柱的強度愈大，穩定性愈好。根據國內開采的實踐，煤柱的寬高比應根據下式選取：

采用垮落采帶時

d）條帶采煤的采出率

合理的采出率與采寬、留寬、采厚、采深及煤層和頂板巖石的力學性質等因素有關。根據國內外開采實踐，條帶采煤法的采出率P一般為：

因此，留寬a應按上式進行調整。即

2、充填法開采

主要有水砂充填、風力充填、水力充填和矸石自溜充填等。我國以前曾在多個礦區進行過充填法開采研究工作，近年來，由于充填材料缺少和充填費用較高，噸煤成本增加約20％～30％，居高不下，且工藝復雜，已經很少采用。最近有學者提出了固體廢物膏體充填不遷村采煤的新方法。郭廣禮等根據荷載置換原理，提出了“條帶開采－注漿充填固結采空區－剩余條帶開采”的三步法進行開采沉陷控制以保護地面建筑物的新思路。

波蘭充填法開采主要采用密實水砂充填，英國曾采用風力充填開采緩傾斜煤層，但效果不理想，下沉系數為0.5左右。德國在一般建筑物下采用人工充填、在重要建筑物下采用水力充填，充填材料為爐渣或經破碎的矸石。保加利亞和日本曾采用風力充填開采、法國曾采用水砂充填開采解決建筑物下采煤問題。

充填法開采效果與充填方法、材料等有關，一般水砂充填效果最好。如果充填效果好，可以起到保護建筑物的目的，但充填開采使回采工藝復雜化，且增加開采成本。

3、分層開采

針對厚煤層，不采用一次采全高的方法，而用分層開采方法，可以減少地表一次下沉量，尤其對在水體下采煤更有利。

4、消除和減少開采影響的疊加

3.1 完全開采

也叫全柱開采。因為煤柱的留設可導致變形累加增大（圖4-1），所以，利用完全開采，可以減少開采對地面建筑物的影響。

完全（全柱）開采主要有長工作面開采、多工作面聯合開采等。兗州北宿煤礦在吳官莊村正下方采用雙對拉工作面聯合開采，取得了良好的經濟效益和社會效益。

波蘭采用過干凈回采、在采空區中不殘留煤柱的方法以減小采空區上方的地表變形。前蘇聯全柱開采主要考慮深厚比，認為在一定倍數的深厚比情況下，開采引起的地表變形將不會引起建筑物破壞，并將此深度稱為安全開采深度。

完全（全柱）開采通常與協調開采一樣，減小地表變形量有限，需配以建筑物結構保護措施。

3.2 順序開采

通常叫大扒皮式，一層一層采，一分層一分層地采。

參考文獻：

[1]馮濤，袁堅，劉金海，謝東海.建筑物下采煤技術的研究現狀與發展趨勢[J].中國安全科學學報， 2006年 08期??

[2]張煜鋮，侯世占.建筑物下采煤技術現狀及發展[J].煤炭技術， 2007年 12期