淺談建筑物下壓煤的開采工藝

柴然 李鵬 高宇

(遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000)

我國煤礦建筑物下壓煤問題十分突出，尤其是村莊下的壓煤。現在大多數煤礦集團以村莊搬遷、采空壓煤的手段為主，這樣導致建筑物被破壞、農村耕地大面積荒蕪，并且造成地面下沉，嚴重影響當地的生態環境，因此對建筑物下采煤工藝進行介紹與分析。

一 地表移動與變形對建筑物的影響

井田開采形成采空區，引起地表產生移動和變形，破壞了建筑物與地基之間的原始平衡狀態。伴隨著力系的重新建立，使建筑物受力不再均衡，在建筑物結構中附加新的應力，從而導致建筑物變形，當這些變形超過了建筑物所能承受的最大抗形變能力時，建筑物就被破壞，產生裂縫，甚至倒塌。

1.開采沉陷對建筑物的損害

(1)下沉：煤礦在開采時不僅僅只形成采空區，還會使地下水大量流失，使地面的承壓能力下降，再在重力的作用下造成地面下沉。若地表均勻下沉時，建筑物的結構不會產生新的應力，對本身不會帶來破壞，但當地表下沉量過大，改變了建筑物所處的環境，降低了地基的強度，致使建筑物破壞或廢棄。

(2)地表傾斜：原巖在形成的過程中影響的因素很多，建筑物所處的原巖的性質和所受的應力狀態不同，煤田在開采的過程中，地表的變形程度不同，比如先開采的地方地面先下沉、原巖應力變化快的地方下沉量大，從而導致建筑物重心偏離，引起建筑物歪斜，在建筑物內部產生附加力矩，使基礎承載壓力重新分布。傾斜對底面積小而高度大的建筑物損害明顯。

(3)曲率：曲率變形將原來建筑物的基礎由平面變為曲面，使建筑物部分或全部切入地基。在正、負曲率的作用下，建筑物產生倒八字合正八字形的裂縫，裂縫的最大寬度在其下端。

(4)水平變形：水平變形對建筑物的破壞作用很大。由于建筑物抵抗拉伸能力遠小于抵抗壓縮的能力，較小的地表拉伸變形就能使建筑物產生開裂性裂縫，磚砌體的結合縫易被拉開。壓縮較大時，可使建筑物墻壁和地基壓碎，底板鼓起，產生剪切和擠壓裂縫，可使門窗口擠成菱形，磚砌體產生水平裂縫，圍墻產生褶曲或屋頂鼓起。

2.移動盆地內不同位置移動與變形對建筑物的影響

在移動盆地內不同位置的建筑物受到的影響差別也很大。位于移動盆地開采邊界的部分，因受到來自四周壓應力的作用，導致建筑物發生嚴重的壓縮變形;位于開采邊界拐角內外的建筑物是地表變形最敏感的地方，這些地方受到的力矩變化迅速、變形較大，建筑物的破壞也較大;位于移動盆地，建筑物受到應力作用比較穩定，受影響程度最小;在拉伸變形區和壓縮變形區過度的位置，建筑物傾斜變形最大，因此開采應注意建筑物所處的位置、方向，應盡量使建筑物位于移動盆地的中央，避開開采邊界。

二 建筑物壓煤的開采工藝

針對上述建筑物下采煤對地面建筑物的損壞和力學原因，要采取合適的開采技術措施，從而有效地減少或控制采動引起的地表移動與變形，達到保護建筑物的目的。到目前為止，我國最常用的充填開采和條帶開采的方法。

1.充填開采法

充填采礦法屬人工支護采礦法。隨著回采工作面的推進，向采空區送入充填材料，以進行地壓管理、控制圍巖崩落和地表移動，并在形成的充填體上或在其保護下進行回采。該法可以有效減少地表下沉和變形，減小巷道和工作面支護壓力，緩減開采產生的礦壓顯現，提高煤礦采出率，保護地面建筑物和生態環境。按照充填材料的不同，充填采礦法分矸石充填、水砂充填和膏體充填，按運輸充填材料的動力不同，分為水力充填、風力充填、機械充填和自溜充填。

(1)矸石充填：將掘進巖巷時出的矸石通過礦車運至井下矸石倉，矸石經膠帶輸送機運到破碎機進行破碎，將破碎后的矸石進入攪拌機加水攪拌，通過輸送泵將攪好的水和矸石送到回采工作面進行充填，注意矸石破碎時要經過除鐵機械，防止破碎機破損。

(2)水砂充填：以水力作為動力通過管道把充填材料砂漿送入采空區。在貯砂室，砂與水混合成砂漿，經充填管路送至工作面采空區，并在采空區進行脫水，砂子形成真正充填體，廢水經采區排水管道流進采區沉淀池，將沉淀后的水流入水倉，用水泵將水排至地面貯水池，以供循環利用。水砂充填法充填致密，能有效地緩和地表下沉和變形，但其工藝系統復雜，設備及設施投資大，充填材料昂貴，大大提高了噸煤成本。

(3)膏體充填法：膏體是由煤矸石、粉煤灰、水砂、水泥等組成。充填時，膏體通過泵壓或重力經管道輸送到液壓支架后的采空區。膏體充填技術的核心是膏體充填材料，注漿材料要有良好的脫水性和流動性。

2.條帶開采法

條帶采煤法是將開采的煤層劃分為若干條帶，然后相間開采，有保留條帶支撐頂板及上覆巖層，以達到減少地表沉陷的目的。但該采煤法采出率低，掘進率高，開采工藝復雜，效率低，成本高。

該方法主要適用于地面建筑物十分密集、結構復雜的建筑物，礦區上方有橋梁、鐵路干線經過、文物保護單位重要建筑，難以搬遷的村莊，湖泊、河流、水庫等永久水體，由于技術和經濟上的原因不適于采取建筑物加固或充填開采措施，煤層埋藏深度小于400～500m，煤層層數少，厚度比較穩定，斷層少的開采區。

條帶采煤法的主要參數是采出條帶的寬度、保留條帶寬度和采出率。為防止地表出現波浪形下沉盆地，采出條帶寬度不宜大于埋深的三分之一。保留條帶應有足夠的寬度和強度，可按 a≥6.56*10-3Hh+b/3-b2/3.6H 計算，其中 a為保留帶寬度、H為采深、h為采高、b為采出條帶寬度。

使用條帶采煤法開采前要對地面的建筑物進行統計和研究，比如建筑物的結構類型、建造年限、是否存在名勝古跡等等，并且要對巖石進行鉆孔取樣，確定巖體的性質與結構組成、受力狀況以及巖層的厚度等，要詳細統計地質與水文資料進行分析，再采用相關理論對煤柱的穩定性以及地表建筑的位移和變形進行預測，確定合理的力學參數度對地進行數值模擬計算，確定具體的條帶寬度和保留條帶寬度。再通過計算機模擬系統演示開采時地表移動變形對礦區上方建筑物的影響，最后確定出最切實可行的方案實施開采。