煤礦建筑物下開采方案分析

摘要：煤炭是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，提高煤炭資源回采率，對維持我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。建筑物下的煤礦開采是煤礦生產(chǎn)的難題，必須采用正確的開采方法，才可能既提高煤礦的生產(chǎn)效率，又保證地面建筑物的安全。文章分析了煤礦開采對地面建筑物的影響，并在明確建筑物下煤炭開采方案設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上提出了煤礦建筑物下的開采措施。

關(guān)鍵詞：煤礦開采；建筑物下；開采方案

中圖分類號(hào)：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）21-0149-03

如何對建筑物下的煤炭資源進(jìn)行合理開采，是我國的煤炭科技人員一直努力探索的工作。如果建筑物下的煤炭資源不能有效開采，不僅會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)，還會(huì)縮短煤礦服務(wù)年限、造成生產(chǎn)的接替緊張等問題。為了最大限度地減少建筑物下開采對于地表建筑物的損壞，并保證煤炭資源回采率，首先必須了解煤礦的采動(dòng)對于地面建筑物所產(chǎn)生的影響類

型，然后才能制定出具有針對性的措施。

1 煤礦的采動(dòng)對地面建筑物可能產(chǎn)生的

影響

地下煤礦開采對地表的影響主要包括三種類型：水平方向的變形和移動(dòng)，如地表的水平拉伸、移動(dòng)和壓縮變形；垂直方向的變形和移動(dòng)，如地表傾斜、下沉、曲率、扭曲；地表平面的剪切應(yīng)變。不同類型的變形和移動(dòng)對建筑物產(chǎn)生不同的影響。隨著地表發(fā)生移動(dòng)與變形，建筑物和地基之間初始的平衡狀態(tài)遭到破壞，并建立了新的力系平衡，建筑物產(chǎn)生了附加的應(yīng)力，導(dǎo)致其發(fā)生變形，甚至遭到破壞。

1.1 地表水平變形的影響

水平變形對建筑物有很大的破壞作用，它是對地表的壓縮和拉伸變形，建筑物受到拉伸的破壞性影響尤其大。建筑物對于拉伸的抵抗能力遠(yuǎn)不如對壓縮的抵抗能力，小的地表拉伸就會(huì)導(dǎo)致建筑物的開裂性裂縫，導(dǎo)致建筑物的結(jié)點(diǎn)被拉開等。而當(dāng)?shù)乇懋a(chǎn)生比較大的壓縮變形時(shí)，建筑物會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的破壞，可能發(fā)生如地板鼓起并產(chǎn)生擠壓和剪切裂縫，地基、墻壁壓碎等危害。

1.2 地表曲率的影響

當(dāng)?shù)乇戆l(fā)生曲率變形，平面的地表將會(huì)變成曲面形狀，破壞了建筑物荷載和土壤反力之間初始的平衡狀態(tài)。正、負(fù)曲率作用下，通常會(huì)發(fā)生兩類情況：房屋部分切入地基和房屋全部切入地基。在正、負(fù)曲率的影響下，建筑物的地基反力得到重新分布，建筑物的墻壁受到豎直面內(nèi)剪切應(yīng)力和附加彎矩的作用，當(dāng)作用超出了建筑物的基礎(chǔ)及上部建筑強(qiáng)度的極限時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致建筑物裂縫。

1.3 地表傾斜的影響

地表發(fā)生傾斜將會(huì)引起建筑物發(fā)生歪斜，在建筑物的自重形成的偏心荷載的作用下，附加傾覆力矩會(huì)使基底承壓力被重新分布，承重結(jié)構(gòu)的內(nèi)部產(chǎn)生的附加應(yīng)力對于高度大、占地面積較小的建筑物會(huì)產(chǎn)生很大影響。

1.4 地表下沉的影響

通常情況下，建筑物所在的地表發(fā)生均勻沉降時(shí)，在建筑物和構(gòu)筑物當(dāng)中不會(huì)有附加應(yīng)力產(chǎn)生，建筑物自身就不會(huì)發(fā)生損害。可是當(dāng)?shù)叵滤缓軠\而地表的下沉量又較大時(shí)，如果潛水位因此而上升，使建筑物潮濕過度或者長期積水，并使得建筑物的環(huán)境發(fā)生改變，就會(huì)使建筑物的強(qiáng)度受到影響，甚至危害到建筑物的使用。

綜上所述，建筑物遭到破壞主要是受水平和曲率變形的影響。采動(dòng)地區(qū)的地面建筑物在它們的影響下會(huì)使磚墻上發(fā)生傾斜、出現(xiàn)裂縫，甚至發(fā)生倒塌。所以，在建筑物下進(jìn)行煤礦開采，必須采取相對應(yīng)的合理措施，保證建筑物安全。

2 煤礦建筑物下的開采方案

2.1 建筑物下開采方案的設(shè)計(jì)原則

建筑物下的煤礦開采方案的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循的基本原則包括：

（1）在保證礦區(qū)地面建筑物的安全的基礎(chǔ)上，最大限度地對煤炭資源進(jìn)行回收，提高煤炭資源的回收率。

（2）適應(yīng)現(xiàn)實(shí)條件，提高煤炭的開采機(jī)械化程度，提高工效并降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）具有現(xiàn)實(shí)可操作性。

2.2 建筑物下采煤的具體防護(hù)措施

主要的建筑物下開采防護(hù)措施有兩個(gè)方面：一方面，要盡量減少建筑物變形值，所以應(yīng)該在井下采取有效的采礦措施；另一方面要在建筑物上采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施，增加其承受地表變形的

能力。

通常情況下，這兩方面的措施是聯(lián)合使用的，只有綜合經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等各方面因素，經(jīng)過對比分析后，才能確定所采取措施的著重點(diǎn)。比如，當(dāng)采后的建筑物維修、加固的費(fèi)用較高，或者采動(dòng)后會(huì)發(fā)生地面下沉積水并且排水有困難的時(shí)候，就應(yīng)當(dāng)采取采礦的措施來保護(hù)建筑物。

3 煤礦建筑物下的開采措施

3.1 建筑物下的采礦措施

3.1.1 條帶開采法

條帶開采是將被開采煤層劃分成比較正規(guī)的條帶的形狀，隔一條采一條，使得留下來的條帶煤能夠很好地支撐起上覆巖層的分量，避免地表產(chǎn)生大的移動(dòng)和變形。條帶開采技術(shù)有兩種方式：長壁的條帶開采和短壁間隔條帶開采方法。長壁的條帶開采是指工作面布置為長壁工作面，順著推進(jìn)方向，實(shí)行間隔開采。短壁間隔條帶開采是將工作面布置為短壁條帶進(jìn)行開采，隔一個(gè)工作面開采一個(gè)工作面。短壁的間隔條帶開采在實(shí)施工藝方面比長壁條帶開采容易。

3.1.2 全部垮落開采法

地表移動(dòng)的規(guī)律能夠表明，地表變形與地表不均勻下沉都集中在地表的下沉盆地邊緣區(qū)，而且井下每出現(xiàn)永久性的開采界面，相對應(yīng)的，地表就會(huì)出現(xiàn)數(shù)值比較大的地表變形區(qū)。而全部垮落法是在一定的范圍之內(nèi)，進(jìn)行大面積的全面開采，不在煤柱內(nèi)形成開采邊界，最大程度上減少建筑物受到開采帶來的不利影響。

3.1.3 充填法

充填法是填充開采空間，控制上覆巖層的下沉，減小地表變形的一種方法。填充物可以是碎石、水砂等。在充填法中，條帶充填是常用的一種充填方式。條帶充填體同條帶開采所留設(shè)的煤柱進(jìn)行置換，只要未充填的采空區(qū)寬度比覆巖的主關(guān)鍵層初次破斷跨距小，而且充填的條帶能夠保持長期的穩(wěn)定，就能對地表的塌陷產(chǎn)生明顯的效果，從而減少了充填量，并使填充成本降低，提高了煤炭的采出率，并保證了建筑物的安全。

3.2 地面建筑結(jié)構(gòu)措施

在建筑物下進(jìn)行采煤作業(yè)時(shí)，除了采用適宜的開采措施以減小地表的移動(dòng)和變形外，還應(yīng)當(dāng)預(yù)估地表可能發(fā)生的變形程度以及建筑物可能的破壞等級(jí)，并酌情采用一系列合理措施保護(hù)建筑物，減少甚至避免建筑物受到地下采動(dòng)的危害。

3.2.1 設(shè)置補(bǔ)償溝

在建筑物的周圍1～2m的位置開掘變形補(bǔ)償溝，它能夠吸收地表的壓縮變形。最好將其設(shè)在墻邊和墻突出的部分，而且溝的長軸方向要與水平變形方向垂直，溝深要低于基礎(chǔ)底面15～20cm。在補(bǔ)償溝內(nèi)填充爐渣、鋸末等可以壓縮的松散物，在上部要采取溝幫支承措施，防止進(jìn)水、塌幫。

3.2.2 留變形縫

對于高度不同、長度較大，具有比較復(fù)雜的平面形狀的建筑物，在靠近內(nèi)部的橫穿墻或平面形狀的變化處和高度變化處，從基礎(chǔ)到房頂都砌成相互獨(dú)立的單體，提高房屋的抗水平變形和曲率變形的能力。各獨(dú)立單體之間要留一個(gè)寬度在5cm上下的變形縫，每個(gè)單體的長度都在20cm左右。

4 結(jié)語

煤礦的開采作業(yè)引起地表的移動(dòng)與破壞形式受到很多因素的影響，如采煤方法、采出厚度、開采深度、巖層與煤層產(chǎn)況、頂板管理方法等。在煤礦采空區(qū)的建筑物損害則主要是地表的不均勻沉降與地表的水平變形以及建筑結(jié)構(gòu)抗變形的能力來決定的。采動(dòng)引起的建筑物損壞同地下開采在時(shí)空上存在一致性，位于不同礦區(qū)甚至同一個(gè)塌陷區(qū)內(nèi)不同位置的同類建筑物，其損害程度及形式也存有非常大的差別。防護(hù)和治理建筑物損壞的方法應(yīng)該視具體情況而定。要充分協(xié)調(diào)煤炭回采率與建筑物安全之間的關(guān)系，保證地表的建筑物與生態(tài)環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)煤礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介：吉敦云（1976-），男，山西晉城人，山西科興能源發(fā)展（集團(tuán)）有限公司工程師，研究方向：煤礦安全管理。

（責(zé)任編輯：周 瓊）