建筑物下方煤礦條帶式開采研究

摘要：我國(guó)煤礦資源豐富、分布廣泛，由于地質(zhì)條件和開采區(qū)的建筑物分布以及煤層埋藏深淺等因素的影響，不同的開采條件所采用的開采方式也各不相同。文章針對(duì)開采區(qū)上方有建筑物分布的采掘區(qū)，研究采用條帶開采的方法可行性，在保證煤礦開采作業(yè)安全性和產(chǎn)量的同時(shí)，有效保證礦井地面建筑物的安全，保證整個(gè)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：建筑物；條帶式；煤礦開采；地表移動(dòng)；地表變形

中圖分類號(hào)：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）28-0126-02

1 概述

我國(guó)煤礦資源豐富、分布廣泛，由于地質(zhì)條件和開采區(qū)的建筑物分布以及煤層埋藏深淺等因素的影響，不同的開采條件所采用的開采方式也各不相同。本文主要針對(duì)開采區(qū)上方有建筑物分布的采掘區(qū)，研究采用條帶開采的方法可行性，在保證煤礦開采作業(yè)安全性和產(chǎn)量的同時(shí)，有效保證礦井地面建筑物的安全，保證整個(gè)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

2 煤礦條帶式開采的相關(guān)理論

2.1 煤礦條帶式開采的基本概念

條帶式煤礦開采方法是煤礦部分開采法的一種，主要原則是將開采區(qū)域內(nèi)的礦層從橫向上人為的劃分為較為規(guī)則的條帶形狀，逐條帶地對(duì)煤層進(jìn)行開采，采一條，留一條，使留下的條帶煤柱足以支

撐上覆巖層的重量，而地表只產(chǎn)生較小的移動(dòng)和變形。條帶式開采方法是“三下一上”礦床主要防水開采方法之一，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠有效地控制煤層上方覆巖層和地表沉陷，保護(hù)地表建（構(gòu)）筑物和生態(tài)環(huán)境，是煤礦綠色開采技術(shù)之一，其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)工作面頻繁的移動(dòng)調(diào)整變化、大型機(jī)械化作業(yè)

難度加大，開采效率受到一定程度的影響。

2.2 條帶式開采的主要適用條件

條帶式是開采中常規(guī)的開采方式，與長(zhǎng)壁式開采、綜采法等相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是開采煤柱穩(wěn)定、開采區(qū)圍巖受力均勻、變形小、巖層上方的建筑物沉陷小。該方法主要適用于礦區(qū)上方建筑物密集且建筑物分布結(jié)構(gòu)復(fù)雜，礦區(qū)分布著橋梁、鐵路干線、文物保護(hù)單位重要建筑，難以搬遷的村莊，湖泊、河流、水庫(kù)等永久水體，煤層埋藏深度在400～500m以內(nèi)，單一煤層，厚度比較穩(wěn)定的開采區(qū)。

2.3 煤礦條帶式開采的分類

目前，按照條帶開采的走向設(shè)計(jì)和布置方式，可分為走向條帶、傾斜條帶、偽斜條帶三類。走向條帶的條帶設(shè)計(jì)方案沿著煤層的走向方式布置，該方案主要使用于煤層水平或緩傾斜分布的礦區(qū)，主要優(yōu)勢(shì)是可減少工作面的移動(dòng)次數(shù)，保證了開采的效率，不適用傾斜度大的煤層；傾斜條帶開采的條帶長(zhǎng)軸方向沿煤層傾斜方向布置，該方案主要適用于煤層傾斜分布的礦區(qū)，采用該方式開采可有效保證煤柱的穩(wěn)定性，應(yīng)用最為廣泛，主要缺點(diǎn)是效率低，工作面經(jīng)常搬遷移動(dòng)；偽斜條帶主要適用于傾角大于35°的煤層，條帶設(shè)計(jì)與煤層的分布走向斜交。

3 建筑物下方煤礦條帶式開采設(shè)計(jì)研究

3.1 條帶式開采需遵循的基本原則

煤礦開采的首要也是最重要的前提是保證開采工作的安全以及開采區(qū)的建筑物、人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。加強(qiáng)開采區(qū)域的環(huán)境保護(hù)和地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制，在此前提條件下，采用合理的開采方式和手段，最大限度地提高煤炭資源回收率。但安全和回收率是一對(duì)矛盾的綜合體，開采條帶設(shè)計(jì)寬，資源回收率高，則留設(shè)煤柱相應(yīng)變小，不利于礦區(qū)穩(wěn)定和上方建筑物的安全；條帶過窄可保證安全，但出煤率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，所以必須綜合考慮多種因素，詳細(xì)設(shè)計(jì)條帶的寬度和開采的進(jìn)度，條帶式開采需要遵循一定的原則：首先，煤柱穩(wěn)定性原則，一切設(shè)計(jì)和開采工作的前提是煤柱的穩(wěn)定安全；其次地表允許變形原則，條帶開采以穩(wěn)定安全為前提，但并非不允許變形，只需保證地面沉降和建筑物變形在允許范圍內(nèi)即可；再次是回采率原則，在保證安全穩(wěn)定和變形在運(yùn)行范圍內(nèi)的情況下，最大限度地設(shè)計(jì)條帶的寬度，保證回采率；最后是縮短變形時(shí)間原則，一般而言，條帶開采設(shè)計(jì)地面和建筑物變形時(shí)間一般為長(zhǎng)壁式開采變形持續(xù)時(shí)間的一半。

3.2 條帶式開采地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)方法

條帶式煤礦開采的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠有效避免地面建（構(gòu)）筑物的過度變形，影響其安全性，因此，在開采前需要采用相關(guān)理論和模擬算法對(duì)條帶式開采引起的地表移動(dòng)和變形進(jìn)行預(yù)計(jì)和分析。目前，常用的預(yù)計(jì)方法是通過實(shí)驗(yàn)獲取全采與條帶開采地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)地表移動(dòng)和變形規(guī)律進(jìn)行模擬。常用的經(jīng)驗(yàn)公式主要包括以剖面函數(shù)法和典型曲線法為代表的經(jīng)驗(yàn)方法（Empirical Method）、波蘭學(xué)者Budryk和Knothe提出的基于正態(tài)分布型的影響函數(shù)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法、數(shù)值模擬方法、三維層狀介質(zhì)理論、概率密度函數(shù)法等。目前，我國(guó)主要采用的地表移動(dòng)和變形預(yù)測(cè)方法是基于正態(tài)分布型的影響函數(shù)，該方法與長(zhǎng)壁開采相同，參數(shù)的選取相對(duì)容易，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，預(yù)計(jì)精度高。

3.3 建筑物下方煤礦條帶式開采設(shè)計(jì)開采流程

針對(duì)分布于建筑物下方的開采區(qū)，采用條帶式開采方法需要遵循一定的開采程序，由于大部分礦區(qū)的建筑密度相對(duì)密集，建筑的結(jié)構(gòu)、年代、質(zhì)量、類型千差萬別，同時(shí)受地質(zhì)條件、巖層厚度、煤層厚度等因素影響，因此在開采前需要針對(duì)性地設(shè)計(jì)開采施工方案，按照一定的流程組織開采作業(yè)，以保證開采后地表建筑物安全可靠，不會(huì)引起變形破壞發(fā)生。

3.3.1 在開采前需要對(duì)開采區(qū)上方的所有建筑物進(jìn)行調(diào)查研究，對(duì)開采區(qū)內(nèi)的建筑物類型、建筑年代、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、建筑質(zhì)量等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采集礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)鉆孔土壤樣本，實(shí)驗(yàn)分析巖層的厚度、受力狀況以及分布情況，詳細(xì)掌握開采區(qū)地質(zhì)條件，同時(shí)，需要分析礦區(qū)地下水的走向、分布深度等信息，為條帶軸向和開采深度提供技術(shù)支持。

3.3.2 分析調(diào)查采集的建筑物分布、地質(zhì)條件和地下水等資料，采用相關(guān)理論對(duì)煤柱的穩(wěn)定性以及地表建筑的位移和變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定合理的力學(xué)參數(shù)針對(duì)不同留寬和采寬度對(duì)地表變形進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，確定具體可行的開采方案。

3.3.3 采用相似性模擬實(shí)驗(yàn)的方法分析煤柱的穩(wěn)定性，模擬覆巖變形、地表移動(dòng)變形對(duì)礦區(qū)上方建筑物的影響，優(yōu)化論證設(shè)計(jì)方案可行性。

3.3.4 通過影響函數(shù)方法計(jì)算分析，論證設(shè)計(jì)方案的安全、合理、可靠性，確保地表移動(dòng)變形對(duì)地表建筑物的影響在可控制范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

我國(guó)是世界上的產(chǎn)煤大國(guó)，年產(chǎn)煤量十幾億噸。煤炭資源的開采導(dǎo)致環(huán)境污染和地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害問題日益突出，影響煤炭資源開采效率和開采量的同時(shí)，嚴(yán)重危及村莊、河流、城市、道路的安全和穩(wěn)定性。因此，煤礦資源的開采安全性關(guān)系到人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全，需要在保證開采區(qū)上方建筑物安全前提下開展煤礦開采作業(yè)。本文在分析條帶式煤礦開采的基本概念、使用條件和主要類型等基本理論的情況下，對(duì)煤礦上方分布建筑物的礦區(qū)開采，針對(duì)性地研究采用條帶式開采的方法的可行性，分析條帶式開采需遵循的基本原則、地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)方法以及建筑物下方煤礦條帶式開采設(shè)計(jì)開采一般流程，其結(jié)果對(duì)指導(dǎo)建筑物下方煤礦條帶式開采作業(yè)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

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作者簡(jiǎn)介： 孫文生（1970-），男，山西臨猗人，山西晉煤集團(tuán)澤州天安高都煤業(yè)有限公司總工程師，采煤工程師，研究方向：采煤技術(shù)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）