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(shù)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?，F(xiàn)在大多數(shù)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(nóng)村耕地大面積荒蕪，并且造成地面下沉，嚴重影響當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)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(qū)，引起地表產(chǎn)生移動和變形，破壞了建筑物與地基之間的原始平衡狀態(tài)。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(jié)構(gòu)中附加新的應(yīng)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(chǎn)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(qū)，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(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生新的應(yīng)力，對本身不會帶來破壞，但當?shù)乇硐鲁亮窟^大，改變了建筑物所處的環(huán)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(zhì)和所受的應(yīng)力狀態(tài)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(yīng)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(nèi)部產(chǎn)生附加力矩，使基礎(chǔ)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(chǔ)由平面變?yōu)榍?，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(chǎn)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(chǎn)生開裂性裂縫，磚砌體的結(jié)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(chǎn)生剪切和擠壓裂縫，可使門窗口擠成菱形，磚砌體產(chǎn)生水平裂縫，圍墻產(chǎn)生褶曲或屋頂鼓起。

2.移動盆地內(nèi)不同位置移動與變形對建筑物的影響

在移動盆地內(nèi)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(yīng)力的作用，導致建筑物發(fā)生嚴重的壓縮變形;位于開采邊界拐角內(nèi)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(yīng)力作用比較穩(wěn)定，受影響程度最小;在拉伸變形區(qū)和壓縮變形區(qū)過度的位置，建筑物傾斜變形最大，因此開采應(yīng)注意建筑物所處的位置、方向，應(yīng)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(shù)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(qū)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(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn)，提高煤礦采出率，保護地面建筑物和生態(tài)環(huán)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(jīng)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(jīng)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(qū)。在貯砂室，砂與水混合成砂漿，經(jīng)充填管路送至工作面采空區(qū)，并在采空區(qū)進行脫水，砂子形成真正充填體，廢水經(jīng)采區(qū)排水管道流進采區(qū)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(huán)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(tǒng)復雜，設(shè)備及設(shè)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(jīng)管道輸送到液壓支架后的采空區(qū)。膏體充填技術(shù)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(jié)構(gòu)復雜的建筑物，礦區(qū)上方有橋梁、鐵路干線經(jīng)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(shù)和經(jīng)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(shù)少，厚度比較穩(wěn)定，斷層少的開采區(qū)。

條帶采煤法的主要參數(shù)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(xiàn)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(yīng)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(tǒng)計和研究，比如建筑物的結(jié)構(gòu)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(zhì)與結(jié)構(gòu)組成、受力狀況以及巖層的厚度等，要詳細統(tǒng)計地質(zhì)與水文資料進行分析，再采用相關(guān)理論對煤柱的穩(wěn)定性以及地表建筑的位移和變形進行預(yù)測，確定合理的力學參數(shù)度對地進行數(shù)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(tǒng)演示開采時地表移動變形對礦區(qū)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。