建筑物下水体下铁路下承压水体下采煤新技术.ppt

建筑物下、水体下、建筑物下、水体下、铁路下、路下、承承压水体上水体上采煤新技采煤新技术文学宽文学宽 研究员研究员煤炭科学研究总院煤炭科学研究总院“三下一上三下一上”采煤的意义采煤的意义 我国煤炭资源蕴藏丰富、分布我国煤炭资源蕴藏丰富、分布广泛、加之人口众多、煤矿生产均广泛、加之人口众多、煤矿生产均不同程度涉及建不同程度涉及建(构构)筑物下、水体筑物下、水体下、铁路下、承压水体上下、铁路下、承压水体上(简称简称“三下一上三下一上”)采煤问题。采煤问题。据不完全统计，仅统配煤矿生产矿井的据不完全统计，仅统配煤矿生产矿井的“三下一上三下一上”压煤量就高达数百亿吨，特压煤量就高达数百亿吨，特别是华东地区经济发达，人口密集，矿井别是华东地区经济发达，人口密集，矿井的的“三下一上三下一上”压煤量占到可采储量的压煤量占到可采储量的50%左右，有的新建矿井的压煤量高达矿井可左右，有的新建矿井的压煤量高达矿井可采储量的采储量的80%。一些开发较早的矿井随着可采资源的一些开发较早的矿井随着可采资源的枯竭，其生产均涉及枯竭，其生产均涉及“三下一上三下一上”采煤问采煤问题。题。“三下一上”采煤技术采煤技术 开采沉陷和覆岩破坏理论、计算分析、特殊开采技术、开采沉陷和覆岩破坏理论、计算分析、特殊开采技术、开采沉陷和覆岩破坏理论、计算分析、特殊开采技术、开采沉陷和覆岩破坏理论、计算分析、特殊开采技术、地面建地面建地面建地面建(构构构构)筑物保护煤柱和水体保护煤柱设计等。筑物保护煤柱和水体保护煤柱设计等。筑物保护煤柱和水体保护煤柱设计等。筑物保护煤柱和水体保护煤柱设计等。地表移动规律及建筑物下地表移动规律及建筑物下采煤技术采煤技术1.地表移动及其特征地表移动及其特征 煤层开采后，覆岩产生移动、变形与破坏。随着煤层开采后，覆岩产生移动、变形与破坏。随着采空面积的增大，岩层移动的范围也会相应增大，采空面积的增大，岩层移动的范围也会相应增大，当采空区面积达到一定范国后，岩层移动范围发展当采空区面积达到一定范国后，岩层移动范围发展到地表，使地表产生移动与变形，这一过程与现象到地表，使地表产生移动与变形，这一过程与现象称为地表移动。称为地表移动。地表移动稳定后，在采空区上方形成的沉陷区地表移动稳定后，在采空区上方形成的沉陷区域称为地表下沉盆地。域称为地表下沉盆地。一般以一般以10mm10mm的下沉等值线作为下沉盆地边界。的下沉等值线作为下沉盆地边界。1.1.地表移动盆地特征地表移动盆地特征 一般呈椭圆形；一般呈椭圆形；一般呈椭圆形；一般呈椭圆形；急斜煤层开采时急斜煤层开采时急斜煤层开采时急斜煤层开采时,一般呈兜形或瓢形；一般呈兜形或瓢形；一般呈兜形或瓢形；一般呈兜形或瓢形；浅埋深开采时浅埋深开采时浅埋深开采时浅埋深开采时,地表可能会出现台价下沉盆地；地表可能会出现台价下沉盆地；地表可能会出现台价下沉盆地；地表可能会出现台价下沉盆地；硬岩层浅部开采时硬岩层浅部开采时硬岩层浅部开采时硬岩层浅部开采时,地表下沉盆地有时为切冒形；地表下沉盆地有时为切冒形；地表下沉盆地有时为切冒形；地表下沉盆地有时为切冒形；图图图图1-31-3所示为典型的倾斜煤层，矩形工作所示为典型的倾斜煤层，矩形工作所示为典型的倾斜煤层，矩形工作所示为典型的倾斜煤层，矩形工作 面开采面开采面开采面开采后的下沉盆地：后的下沉盆地：后的下沉盆地：后的下沉盆地：呈椭圆形，在煤层走向方向上与开采中心对称。呈椭圆形，在煤层走向方向上与开采中心对称。呈椭圆形，在煤层走向方向上与开采中心对称。呈椭圆形，在煤层走向方向上与开采中心对称。1.2.移动盆地形成过程移动盆地形成过程 依据开采深度、岩性和开采区域面积，地表移依据开采深度、岩性和开采区域面积，地表移动盆地的形成过程经历非充分采动，充分采动，最动盆地的形成过程经历非充分采动，充分采动，最后达到超充分采动。后达到超充分采动。1.3.地表点移动特征地表点移动特征 在地表下沉盆地内，每点的移动方向均指向采在地表下沉盆地内，每点的移动方向均指向采空区中心，且可分解为垂直移动空区中心，且可分解为垂直移动(下沉下沉)和水平移动和水平移动两个分量。各点的移动过程与移动量的大小与开采两个分量。各点的移动过程与移动量的大小与开采的相对位置有关的相对位置有关 。2.开采沉陷规律及计算方法 2.1.开采沉陷的一般规律 地表移动依据其形式可分为连续变形和非连续变形两种。对于连续变形，根据煤层开采的地表移动及形成的下沉盆地可用两种方式进行描述，即角值方式和数值方式。2.1.1.地表移动的角值表述 地表下沉盆地范围最大下沉位置等均可用实际观测取得地表下沉盆地范围最大下沉位置等均可用实际观测取得的下列角值进行确定。的下列角值进行确定。(1)1)边界角边界角 在充分采动的条件下，下沉盆地主断面上实测在充分采动的条件下，下沉盆地主断面上实测下沉为下沉为10mm10mm的点的点(边界点边界点)和采空区边界的连线与和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。水平线在煤柱一侧的夹角。当有松散层时，应先以松散层移动角当有松散层时，应先以松散层移动角 将边界点将边界点投影到基岩面，也可综合确定为综合边界角。投影到基岩面，也可综合确定为综合边界角。分为走向边界角分为走向边界角 ，下山边界角，下山边界角 ，上山，上山边界角边界角 及急斜煤层底板边界角。及急斜煤层底板边界角。(2)移动角移动角 在充分采动条件下，下沉盆主断面上实测达到在充分采动条件下，下沉盆主断面上实测达到 级变形级变形(倾斜倾斜i i=3.0mm3.0mm/m/m、水平变形、水平变形=2.0mm/m=2.0mm/m、曲、曲率率k k=0.210=0.210-3-3 m m-1-1 )。最外边的点和采空区边界的连线与水平线在煤柱最外边的点和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。当有松散层时，应先以松散层移动角一侧的夹角。当有松散层时，应先以松散层移动角 将最外边点投影到基岩面，也可综合确定为综合移将最外边点投影到基岩面，也可综合确定为综合移动角。动角。移动角分为走向移动角移动角分为走向移动角 ，下山移动角，下山移动角 ，上山移动角，上山移动角 及急斜煤层的底板移动角及急斜煤层的底板移动角 。(3)裂缝角裂缝角 在充分采动条件下，下沉盆地主断面上实测裂在充分采动条件下，下沉盆地主断面上实测裂缝最外面的点和采空区边界的连线与水平线在煤柱缝最外面的点和采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。一侧的夹角。裂缝角分为走向裂缝角裂缝角分为走向裂缝角 ，下山裂缝角，下山裂缝角 ，上山裂缝角上山裂缝角 及急煤层的底板裂缝角及急煤层的底板裂缝角 。2.1.2 地表移动的数值表述地表移动的数值表述 地表沉降除用角值表示其相对区域外，还可用数值来表述地表各点的移动量值，包括下沉、水平移动、倾斜、水平变形、曲率、扭曲、剪切、下沉速度、开采影响时间、超前影响距和移动起始距等。（1）下沉（W），指地表移动的垂直分量。（2）水平移动（U），指地表移动的水平分量。（3）倾斜（i），指地表单位长度内下沉的变化量，具有方向性。（4）水平变形（），指地表单位长度内水平移动的变化量，拉伸为正，压缩为负。（5）曲率（k），指地表单位长度内倾斜变化量，凸为正，凹为负。地表移动的量值与角量之间存在着对应关系，主要有边界角与下沉之间的关系、移动角与变形（倾斜、水平变形和曲率）的关系及超前影响角的关系。2.2 开采沉陷计算方法开采沉陷计算方法 通过几十年的研究，我国沉陷学者巳总结出适用于我国地质条件的开采沉陷计算与预计方法，主要有经验计算方法与理论分析方法两大类。经验计算方法中的概率积分法是以分布函数为影响函数，用积分式表示地表下沉盆地剖面的方法，应用较为普遍。概率积分法认为任意开采条件下都可以把整个开采分解为许多或无限多个微小单元的开采。整个开采对地表的影响等于所有单元开采的影响总和，因而可从单元开采入手，研究下沉盆地的方程式。其计算公式和计算如下：半无限开采走向主断面上地表移动和变形值：2.3.计算参数取值计算参数取值 地表移动的计算现在一般采用计算程序计算，如果用手算分析，则必须考虑工作面的充分度。计算参数取值见下表。3.开采沉陷对建筑物的损害开采沉陷对建筑物的损害 地下开采对地表房屋的损害主要是由采动地表在垂直方向的移动变形(下沉、倾斜、曲率、扭曲)和水平方向的移动变形(水平移动、拉伸与压缩变形)引起。3.1.开采沉陷建筑物的损害类型开采沉陷建筑物的损害类型 3.1.1.下沉对建筑物的损害 一般情况下，当房屋所处的地表出现均匀下沉时，房屋的结构不会产生附加应力，因而对其本身也不会带来损害。但当地表下沉量大，地下水位有很高时，造成房屋周围长期积水或受潮，改变了房屋所处的环境，会降低地基的强度。不均匀下沉造成房屋损害的最普遍形式就是产生不同程度的房屋斑裂，一般不均匀下沉的上方墙体就会产生倾斜裂缝，严重时就会影响房屋的使用甚至会使房屋遭到破坏而废弃。3.1.2.倾斜对建筑物的损害 地表倾斜后将会引起房屋的倾斜，从而会导致房屋的重心的偏离，产生附加倾覆力矩，承载结构内部将产生附加应力，基础承载压力会重新分布。地表倾斜尤其对高层建筑物的损害明显，甚至会引起楼房底层发生下水道倒流等现象，影响生活和房屋的使用。3.1.3.地表曲率对建筑物的影响 地表曲率变形将原来房屋的平面基础变成为曲面地表曲率变形将原来房屋的平面基础变成为曲面形状。这样，建筑物的荷载与基础土壤反力间的初始形状。这样，建筑物的荷载与基础土壤反力间的初始平衡状态就遭到了破坏。在正负曲率作用下，房屋都平衡状态就遭到了破坏。在正负曲率作用下，房屋都会受到损害。会受到损害。在正曲率变形的作用下，房屋产生倒八字形裂缝，在正曲率变形的作用下，房屋产生倒八字形裂缝，裂缝最大宽度在其上端；在负曲率变形的作用下，房裂缝最大宽度在其上端；在负曲率变形的作用下，房屋产生正八字的裂缝，裂缝的最大宽度在其下端。在屋产生正八字的裂缝，裂缝的最大宽度在其下端。在采深较小的、建筑物尺寸较大的条件下，地表曲率变采深较小的、建筑物尺寸较大的条件下，地表曲率变形对建筑物的损害较严重。形对建筑物的损害较严重。3.1.4.地表水平变形对建筑物的损害 地表水平变形对房屋的破坏作用很大，尤其是拉伸变形。由于房屋的抵抗拉伸能力远小于抵抗压缩的能力，所以较小的地表拉伸变形就能使房屋产生开裂性裂缝，砖砌体的结合缝，房屋的结构点（如房梁）易被拉开。我国众多矿区的开采实践表明，当地表水平拉伸变形大于1.5mm/m时，在一般砖石承重的建筑物墙体上就会出现细小的竖向裂缝。当压缩变形较大时，可使房屋墙壁、地基压碎，地板鼓起产生剪切和挤压裂缝，可使门窗洞口压成菱形，纵墙或围墙产生褶曲或屋顶鼓起。3.2.开采建筑物损害程度分级开采建筑物损害程度分级 我国矿区涉及采动影响损害的房屋主要是矿区工业和民用建筑物及农村村庄房屋，多为砖混结构楼房和砖混、砖木结构、土筑平房等。由于建筑物结构和抵抗变形能力不同，因此在划分破坏等级标注时要分别对待。我国在建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中将长度或变形缝区段内长度小于20m的砖混结构房屋破坏分为四个等级（表3-1）.其他结构类的建筑物可参照表 3-1 执行，表3-2 给出了土筑建筑平房破坏等级与地表变形的对应关系。损损坏坏等等级级建筑物建筑物损损坏程度坏程度地表地表变变形形值值损损坏坏分分类类处处理理方式方式水平水平变变形形 (mm/m)(mm/m)曲率曲率k k(10(10-3-3/m)/m)倾倾斜斜i i(mmmm/mm)自然自然间砖墙间砖墙上出上出现宽现宽度度1 12mm2mm的裂的裂缝缝2.02.00.20.23.03.0极极轻轻微微损损坏坏不修不修自然自然间砖墙间砖墙上出上出现宽现宽度小于度小于4mm4mm的裂的裂缝缝；多条裂；多条裂缝总宽缝总宽度小于度小于10mm10mm轻轻微微损损坏坏简单简单维维修修自然自然间砖墙间砖墙上出上出现宽现宽度小于度小于15mm15mm的的裂裂缝缝；多条裂；多条裂缝总宽缝总宽度小于度小于30mm30mm，钢钢筋混凝土梁、柱上筋混凝土梁、柱上裂裂缝长缝长度小于度小于1/31/3截面高度；梁截面高度；梁端抽出小于端抽出小于20mm20mm；砖砖柱上出柱上出现现水平裂水平裂缝缝，缝长缝长大于大于1/21/2截面截面边长边长；门门窗略有歪斜窗略有歪斜4.04.00.40.46.06.0轻轻度度损损坏坏小修小修自然自然间砖墙间砖墙上出上出现宽现宽度小于度小于30mm30mm的的裂裂缝缝；多条裂；多条裂缝总宽缝总宽度小于度小于50mm50mm，钢钢筋混凝土梁、柱上筋混凝土梁、柱上裂裂缝长缝长度小于度小于1/21/2截面高度；梁截面高度；梁端抽出小于端抽出小于50mm50mm；砖砖柱上出柱上出现现小于小于5mm5mm的水平的水平错动错动；门门窗窗严严重重变变形形6.06.00.60.610.010.0中度中度损损坏坏中修中修自然自然间砖墙间砖墙上出上出现宽现宽度大于度大于30mm30mm的的裂裂缝缝；多条裂；多条裂缝总宽缝总宽度大于度大于50mm50mm；梁端抽出小于；梁端抽出小于60mm60mm；砖砖柱出柱出现现小于小于25mm25mm的水平的水平错错动动6.06.00.60.610.010.0严严重重损损坏坏大修大修自然自然间砖墙间砖墙上出上出现严现严重交叉裂重交叉裂缝缝、上、上下下贯贯通裂通裂缝缝，以及，以及严严重外鼓、重外鼓、歪斜；歪斜；钢钢筋混凝土梁、柱裂筋混凝土梁、柱裂缝缝沿截面沿截面贯贯通；梁端抽出大于通；梁端抽出大于60mm60mm；砖砖柱出柱出现现大于大于25mm25mm的的水平水平错动错动；有倒塌危；有倒塌危险险极度极度严严重重损损坏坏拆建拆建 表表3-1 砖混结构建筑物损坏等级砖混结构建筑物损坏等级 表表3-2 建筑物破坏等级与地表变形关系建筑物破坏等级与地表变形关系 3.3建筑物保护煤柱留设方法建筑物保护煤柱留设方法 3.3.1.煤柱留设原理 建（构）筑物下煤柱留设是依据地表移动的一般规律，以移动角或边界角来圈定对受护体的产生破坏影响的范围，影响范围内的区域均作为煤柱进行留设，使煤矿开采不对建筑物产生破坏影响。采用移动角还是边界角取决于受护体的重要程度，哪一种建（构）筑物需要受到保护及保护等级等在三下采煤规程中有明确的规定。移动角和边界角的取值是实际观测分析所得，新矿区的值可用类比法确定。为保证受护体的安全，在煤柱留设中，应首先依据受护体的重要程度确定维护带宽度，在此基础上进行煤柱留设的设计。3.3.2.煤柱留设的方法 煤柱留设的方法主要有垂直剖面法、垂线法、数煤柱留设的方法主要有垂直剖面法、垂线法、数字标高投影法和计算法。字标高投影法和计算法。1.垂直剖面法 垂直剖面法是利用选取的角值，采用垂直剖面垂直剖面法是利用选取的角值，采用垂直剖面作图来圈定保护煤柱的方法，适用于各类建筑物保作图来圈定保护煤柱的方法，适用于各类建筑物保护煤柱的设计。其主要步骤如下：护煤柱的设计。其主要步骤如下：（1 1）根据受护角点作平行于煤层的走向和倾向）根据受护角点作平行于煤层的走向和倾向的直线，得到平行四边形，外侧加维护带宽度得到的直线，得到平行四边形，外侧加维护带宽度得到受护边界。受护边界。（2 2）过中心点作走向和倾向剖面，标出地表线、）过中心点作走向和倾向剖面，标出地表线、松散层、煤层和受护边界，求出保护煤柱边界。松散层、煤层和受护边界，求出保护煤柱边界。（3 3）在剖面上作图得到煤层保护煤柱上、下边界）在剖面上作图得到煤层保护煤柱上、下边界（或左、右边界）点，并将其转绘到平面图上。（或左、右边界）点，并将其转绘到平面图上。（4 4）连接角点成一梯形，即所求保护煤柱平面图。）连接角点成一梯形，即所求保护煤柱平面图。当边界线与煤层走向斜交时，松散层内采用当边界线与煤层走向斜交时，松散层内采用 角，角，基岩内则分别采用斜交剖面移动角基岩内则分别采用斜交剖面移动角、（或边界角）。（或边界角）。2、垂线法 垂线法是利用选定的角值，采用垂线计算作图来圈定垂线法是利用选定的角值，采用垂线计算作图来圈定保护煤柱范围的方法。此方法适用于延伸型和边界形状保护煤柱范围的方法。此方法适用于延伸型和边界形状复杂的建（构）筑物保护煤柱设计。其主要步骤如下：复杂的建（构）筑物保护煤柱设计。其主要步骤如下：（1 1）根据受护角点圈定范围，外侧加维护带宽度得到受）根据受护角点圈定范围，外侧加维护带宽度得到受护边界。护边界。（2 2）按表土层移动角计算宽度）按表土层移动角计算宽度s s=h hcotcot，受护边界外侧加受护边界外侧加计算宽度划出基岩面受护边界。计算宽度划出基岩面受护边界。（3 3）画各线段垂线，按公式计算各垂线长度。）画各线段垂线，按公式计算各垂线长度。（4 4）在各垂线上按比例截取计算长度，连接角点所成的）在各垂线上按比例截取计算长度，连接角点所成的轮廓即为所求保护煤柱平面图。轮廓即为所求保护煤柱平面图。3、数字标高投影法 数字标高投影法是利用选取的角值，采用数字标高计算作图来圈定保护煤柱范围的方法。此方法适用于延伸型建（构）筑物和基岩标高变化较大的保护煤柱设计。其主要步骤如下：（1）根据受护角点圈定范围，外侧加维护带宽度得到受护边界。（2）按表土层移动角、基岩移动角（边界角），通过d=Dcot 其中d为相邻两等高线的水平距离，D为等高线距），计算相邻两等高线之间的水平距离。（3）在同一等高线上截取交点。（4）连接角各交点所成的轮廓即为所求保护煤柱平面图。4、计算法 计算法步骤如下：（1）根据受护角点圈定范围，外侧加维护带宽度得到受护边界。（2）依据采深和工作面的设计布置方式确定开采边界（一般可以1/2采深作为设计边界和保护边界的距离）。（3）依据设计边界和本区域的地表移动计算参数，计算开采后的地表移动与变形值。（4）依据计算变形值与受护边界的相对位置，调整工作面开采边界。（5）重复以上（3）、（4）工作，直到达到设计要求。设计时应考虑四周的开采情况。4.建筑物下压煤开采技术4.1.建筑物下压煤开采的意义 据统计,我国”三下”压煤量为133.5亿t以上,其中建筑物下压煤量为78.2亿t以上,约占61%。建筑物下又以村庄压量最大.随着工农业生产的发展,建筑物下压煤有增大的趋势,很多矿区建筑物下压煤占到可采储量的40%以上,严重制约着矿区的生产和可持续发展.如:截止到1999年底兖矿集团村下压煤量78858.9万t,占可采储量的49.61%。因此，解决建筑物下压煤开采问题，不论从理论上、技术上、还是社会经济上，对发展煤炭科技和煤矿生产都有极大的现实意义。4.2.我国建筑物下压煤开采概况 我国建筑物下压煤开采技术研究分为5部分：4.2.1.采后维修和采前加固 1958年在峰峰和村纱厂、开滦唐家庄矿工人村下采煤，采后建筑物损害，维修后正常使用。1962年彩屯矿在矿区医院住院部下采煤。该部为3层楼房，长114m，宽12m，高11m，设置6道变形缝，缝宽120mm，采后经3次维修，至今仍在使用。20世纪60年代峰峰五矿办公楼、宿舍、鹤壁六矿小学、公安局等。对建筑物采取加固措施后开采，以及枣庄矿务局对建筑物采取重点加固、一般维修方法开采市镇建筑群下压煤，都获得了成功。4.2.2.井下开采措施井下开采措施 19731977年，蛟河矿奶子山镇建筑群下压煤应用条带开采获得成功。19821984年，峰峰矿务局二矿在辛寺庄村下采用7个工作面协调开采获得成功，开采后98%的农村建筑物损害在1级以下。1994年兖州吴官庄村下采用双对拉450m长工作里面协调开采获得成功，开采了两层薄煤层，使495户农村建筑物大部分损害在1级以下。19911994年焦作王封矿采用冒落条带法，成功的开采了井筒及工广煤柱，使得在开采影响范围内的厂房、电影院、教学楼、铁路、水塔等建筑没有发生损坏显现。19952000年新汶鄂庄、淄博岱庄煤矿先后在城镇下和村庄下采用大条带协调开采方法，采后建筑物和民房结构完好，1级损害以下，取得很好的的经济效益和社会效益。目前条带法开采在我国得到了广泛的应用，其采出率一般40%60%,地表下沉系数仅为煤层采厚的13%15%，效果显著。4.2.3.抗变形建筑物 19781982年湖南资江煤矿开展抗变形建筑物的研究，在资江煤矿的开采影响区上兴建了长44.7m、宽20.6425.24m、高9.209.75m，总面积为1356m2 的俱乐部，采用基础钢筋混凝土圈梁、连系梁、构造柱、滑动层等抗变形措施。使俱乐部经受了地表8.0mm/m的水平变形、1.68mm/m2 的曲率变形和6.1mm/m的倾斜变形，建筑物基本未受损害，始终正常使用。后来又相继在阳泉、邢台、峰峰和新汶等矿务局抗变形建筑物的研究，为采动区预先建抗变形建筑物打下了基础。4.2.4.采空区充填法 我国煤矿在进行“三下”采煤时，曾试验成功水力、风力、自溜及手工充填等开采方法。充填材料因地制宜，有山沙、河沙、废油母岩岩、煤矸石及电厂粉煤灰等。如19641967年，抚顺车辆修理厂工业厂房下，采用密实水砂充填和对厂房基础采用联系梁加固等措施，成功地完成了采出总厚达20m的特厚煤层的实验开采工作。19781979年，新汶张庄矿在村庄下实验成功用高浓度粉煤灰胶结充填；19831984年，平顶山十一矿利用粉煤灰条带采煤法，有效地控制了地表建筑物的移动变形。4.3.建筑物下开采技术建筑物下开采技术 建筑物下开采技术主要是利用开采影响的移动规律和不同开采方式的地表下沉特点，通过采煤方法的设计，控制地表沉降或地表变形达到保护地面建筑安全的目的技术方法。这些方法大体上可分为两大类:一类为控制地表沉降达到减少地表变形要求的方法：如条带开采、充填开采和限厚开采等；另一类为控制相对位置地表影响变形达到减少对受护对象影响变形的方法，如协调开采、全柱开采等。各类开采方法引起的地表下沉系数对比见表10-5所示。4.3.1.条带开采技术条带开采技术 条带开采法是将被开采的煤层划分成比较正规的条带形状，采一条(采宽b)，留一条(留宽a)，留下的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量，使地表产生较小的移动变形。条带开采法首先在波兰、英国、前苏联、美国、南非等国得到了广泛应用，之后澳大利亚、印度、德国也相继采用。自1967年我国开始应用条带开采法进行建筑物下、水体下、铁路下压煤开采，目前己在全国10多个省，100多个工作面进行了开采，取得了大量的实际观测资料。由于条带开采引起地表及岩层移动小，所以目前条带开采已成为建筑物下采煤中采用较多的方法之一。条带开采法与一般长壁式采煤方法相比，有回采条带开采法与一般长壁式采煤方法相比，有回采率低、率低、掘进率高、掘进率高、搬家次数多、搬家次数多、工作效率低等缺点。工作效率低等缺点。条带开采的使用条件如下：条带开采的使用条件如下：城镇密集建筑群城镇密集建筑群.结构复杂和纪念性建筑物下采煤；结构复杂和纪念性建筑物下采煤；铁路桥梁、铁路桥梁、隧道或铁路干线下采煤；隧道或铁路干线下采煤；水体下采煤以及水体上采煤；水体下采煤以及水体上采煤；高潜水位矿区；高潜水位矿区；煤层层数少煤层层数少.厚度稳定厚度稳定.断层少；断层少；邻近采区的开采不影响煤柱的稳定性。邻近采区的开采不影响煤柱的稳定性。(1).条带开采的类型条带开采的类型 a.走向和倾向条带 条带长轴沿煤层走向布置为走向条带，沿倾向布置为倾向条带，走向条带搬家次数少，提高工作效率；当煤层倾角大时，倾向条带可以提高条带煤柱稳定性。b.冒落条采和充填条采 采出部分用全部部垮落法管理顶板时称为冒落条采，该法土艺简单、成本低、应用较多。采出部分用充填法管理顶板，由于充填了开采空间，可以提高煤柱的稳定性，减小岩层与地表移动，一般用于重要建筑物和密集建筑群下采煤，如波兰在城市下采煤。但该法工艺复杂、成本高、我国应用较少。c.定采留比和变采留比条采 在一个采区内采留比固定不变的，叫定采留比。适用于地质采矿条件比较简单的区域，在多煤层、厚煤层分层开采时必须采用定采留比，否则保证不了煤柱的稳定性。一个采区内采留比不固定的叫变采留比，适用于地质采矿条件比较复朵的区域。它布置比较灵活，一般适用于单一煤层开采。(2)条带开采岩层与地表移动变形特点条带开采岩层与地表移动变形特点a.覆岩破坏规律 覆岩中覆岩中,一般是直接顶垮落一般是直接顶垮落,老顶不冒落老顶不冒落,形成形成自然平衡拱自然平衡拱,冒落裂缝带的高度减小冒落裂缝带的高度减小,弯曲带的弯曲带的厚度增加厚度增加.b.b.地表移动规律地表移动规律地表下沉小地表下沉小.下沉系数在之间下沉系数在之间;地表移动平缓地表移动平缓.主要影响角正切较小主要影响角正切较小,为为1.0-2.0;1.0-2.0;移动时间短移动时间短.条采地表移动时间为全采的条采地表移动时间为全采的40%40%水平移动量水平移动量.水平移动系数较小水平移动系数较小,在之间在之间.(3)条带开采设计条带开采设计 a.条带开采宽度的确定 依据开采区域的开采深度，确定条带开采的最大宽度。根据国内外条带开采的经验，当采出条带宽度达到采深H的1/3时，地表会出现波浪形下沉盆地，为了保证条带开采后地表出现单一平缓的下沉盆地，采出条带宽度一般为H/4一H/10。b.煤柱强度稳定性分析 采用单向应力法进行分析，其基本原理为：矿柱的单向抗压强度应大于矿柱实际承受的荷载。矿柱承受的荷载可下图确定。图中(a+b)阴影部分为矿柱分载的面积，即采后采出条带上方岩体的自重全部转移到矿柱上，因此有：一般来说，采用充填法管理顶板时，安全系数K=1就可以保证煤柱的稳定性。当采用全部垮落法管理顶板时，由于煤柱的稳定性相对较低，取安全系数。通过以上的选择和计算就可以确定条带的采宽和留宽。(4)影响条带煤柱强度和稳定性因素影响条带煤柱强度和稳定性因素 条带煤柱的宽高比：充填条带应大于等于2，冒落条带为3-5；回采率：国内外成功的条带开采回采率为40%一68%，即条带煤柱面积占32%一60%。回采率过高，将难以保证煤柱的稳定性。开采方法：为保证煤柱稳定性，应遵循以下原则：(5)条带开采地表移动变形预计条带开采地表移动变形预计 条带开采地表移动变形预计方法主要有：a.概率积分法；b b .数值计算法、有限元、边界元等；C C .力学计算方法,如层状介质理论、托板理论、动力学计算等。常用的方法为概率积分法：条带开采的实测资料表明，条采的地表移动规律与全采相似，因此，采用概率积分法预测与预测全采时的模型完全相同。仅改变预测参数，因此重点是参数的迭取，其参数的关系如下：4.3.2.协调开采技术协调开采技术 (1)协调开采减小地表移动的机理 协调开采技术是”三下”采煤技术中控制地表变形的采煤方法，它利用地表移动规律和工作面相对位置及开采方向布置来实现减少开采影响变形。主要方法有：全柱开采布置和背向或对向工作面推进布置、同一煤层的错位布置、不同煤层的错距布置等。利 用开采影响的动态变形相对较小的特点(约为最大变形的65%)，将保护柱置于开采区域中央，采用多工作面同时、匀速推进方式进行整个煤柱的开采。(2)协调开采的方法 a.全柱开采 地表移动变形表明，地表不均匀下沉和地表变形地表移动变形表明，地表不均匀下沉和地表变形主要集中在开采边界附近上方。主要集中在开采边界附近上方。井下每出现一个永井下每出现一个永久性的开采边界，地表就出现一个较大的地表变形久性的开采边界，地表就出现一个较大的地表变形区。区。因此，在建筑物、构筑物，甚至整个城市范围内，因此，在建筑物、构筑物，甚至整个城市范围内，有效地进行大面积全柱开采，并在矿柱内不形成永有效地进行大面积全柱开采，并在矿柱内不形成永久性的开采边界，可最大限度减少地下开采对受护久性的开采边界，可最大限度减少地下开采对受护对象的影响。对象的影响。(a)长工作面开采 单一长工作面：在煤柱范国内只布置一个工作面,一般仅在煤柱面积较小时采用(图中a)；台阶状长工作面：当煤柱较大时(图中b)；分区阶梯状长工作面：煤柱面积很大时，可把煤柱划分为若干个区段，在区段内布置台阶工作面(图中c)。多工作面：多工作面连续、匀速同时开采或者按照顺序一个工作面接一个工作面回采，不过久地仃顿，以兔形成永久性开采边界，使本来只承受动态变形值的地方而变为承受静态变形值(d)。(b)上.下煤层或厚煤层分层错距布置 利用工作面之间开采影响产生的拉伸与压缩变利用工作面之间开采影响产生的拉伸与压缩变形位置不同的特点，控制上、下煤层或各分层工作形位置不同的特点，控制上、下煤层或各分层工作面之间的错距，使得下层面之间的错距，使得下层(或下分层或下分层)工作面开采所工作面开采所产生的拉伸变形位于上层产生的拉伸变形位于上层(或上分层或上分层)工作面的压缩工作面的压缩变形区，致使两层开采所产生的变形相互抵消，达变形区，致使两层开采所产生的变形相互抵消，达到减小变形目的。到减小变形目的。上上.下煤层工作面的错距按下式计算；下煤层工作面的错距按下式计算；(c)平行建筑物长轴开采平行建筑物长轴开采 地下开采后,地表移动变形的主要方向总是指向采空区,即垂直于开采边界。而建筑物的抗变形能力与其平面形状有一定的关系。矩形建筑物长轴方向抗变形的能力较小，短轴方向抗变形的能力较强；而且抗压缩变形的能力比抗拉伸变形和扭曲变形强。因此，在建筑物下可采用平行长轴开采。当建筑物位于开采区内时,工作面推进方向应与建筑物长轴方向垂直(图a)；当建筑物位于开采区外时,工作面推进方向应与建筑物长轴方向平行(图b)；应尽量避免工作面与建筑物斜交(图c)。(d)对称背向开采对称背向开采 背向开采主要针对单一建(构)筑物(如烟囱等),利用均匀沉降不对建筑物造成破坏影响的特点,直接在建筑物正下方布置两个背向开采的工作面.此时 建筑物始终处 于压变形区内,不承 受拉伸变形,也不 产生倾斜.4.3.3.充填法开采技术充填法开采技术 地表的移动变形值与开采空间成正比，因此减地表的移动变形值与开采空间成正比，因此减小煤层的开采厚度就可以有效地减小地表移动变小煤层的开采厚度就可以有效地减小地表移动变形值，从而减轻地下开采对建筑物的损害程度。形值，从而减轻地下开采对建筑物的损害程度。充填法开采就是利用充填材料来充填煤层开采留充填法开采就是利用充填材料来充填煤层开采留下的空间，从而减小地表沉谄和地下开采对建筑下的空间，从而减小地表沉谄和地下开采对建筑物的影响物的影响.充填法开采可分为；充填法管理顶板、冒落充填法开采可分为；充填法管理顶板、冒落空洞充填、空洞充填、离层充填等。离层充填等。(1)充填法开采的优充填法开采的优.缺点缺点优点优点:a)a)适用于各种条件的适用于各种条件的”三下三下”采煤问题采煤问题,且对煤矿且对煤矿通风通风.瓦斯瓦斯.防灭火防灭火.顶板与冲击危害有防治作用顶板与冲击危害有防治作用;b)b)可最大限度回收可最大限度回收”三下三下”压煤资源压煤资源;c)c)地表移动与变形相对较小地表移动与变形相对较小,有利于对建筑物有利于对建筑物.环环境的保护。境的保护。缺点缺点:a)a)改变采煤工艺改变采煤工艺.影响生产进度影响生产进度;b)b)生产成本增加。生产成本增加。(2)充填方法充填方法 a)充填法管理顶板 在采空区顶板未垮落之前,采用水力.水力.机械或自溜充填的方式进行干式充填.水砂充填.胶结充填和膏体充填.1901年在扎赉诺尔矿区.1912年抚顺矿区采用水力充填开采特厚煤层.20世纪50年代,抚顺.阜新.新汶和辽源等矿区应用走向长壁充填采煤法,成功地解决了”三下”采煤问题.(b)冒落区充填法冒落区充填法 与传统的充填法管理顶板不同的是，采空区不需要保留支护，任其自由垮落。当堆积在采空区内的垮落岩块尚未被上覆岩体压实之前，利用专门的管路系统输入可胶结或不胶结材料，将垮落岩块之间的空隙填满。冒落区充填法是德国DMT近年来开发的枝术，其要点是将膏状浆液充填到工作面后方冒落松散的矸石空隙中，与矸石胶结形成的类似于混凝土的支撑体。充填材料由粉煤灰、破碎矸石、煤泥等骨料以及高分子添加剂混合而成，充填系统与工作面输送机相连，随工作面推进而前移。c)覆岩离层带注浆充填覆岩离层带注浆充填 采动覆岩在移动过程中采动覆岩在移动过程中,由于岩性的差异及竖向移动由于岩性的差异及竖向移动不协调不协调,在软硬岩层交界处出现离层在软硬岩层交界处出现离层.通过地面钻孔用高中压注浆泵向离层空隙带中注入通过地面钻孔用高中压注浆泵向离层空隙带中注入粉煤灰等充填材料粉煤灰等充填材料,支撑上覆岩层支撑上覆岩层,抑制地表的下沉量抑制地表的下沉量.下沉速度和范围下沉速度和范围.覆岩离层带注浆减缓地表沉降机理覆岩离层带注浆减缓地表沉降机理:注浆的充填作用注浆的充填作用;注浆的支承作用注浆的支承作用;注浆的胶结作用注浆的胶结作用;注浆的膨胀作用。注浆的膨胀作用。5.建筑物的地上保护措施建筑物的地上保护措施 村庄、城镇建筑物的地上保护措施一般分为采前加固，采后维修和抗变形建筑结构措施。加固措施主要针对采前巳经存在的建筑物，抗变形建筑物结构主要针对在采动区新建的建筑物。5.1.建筑物的加固措施 受采动影响,建筑物的加固措施主要有：变形缝、钢拉杆、钢筋混凝土圈梁、基础联系梁、钢筋混凝土锚固板、堵砌门窗洞等。5.1.1.设置变形缝设置变形缝 设置变形缝是一项有效而又经济的建筑物保护措施，在我设置变形缝是一项有效而又经济的建筑物保护措施，在我国矿区采用广泛。国矿区采用广泛。其方法：将建筑物自屋顶至基础分成若干个彼此互不相连，其方法：将建筑物自屋顶至基础分成若干个彼此互不相连，长度较小、刚度较大、自成体系的独立单元体。长度较小、刚度较大、自成体系的独立单元体。其目的就是减其目的就是减小地基反力分布的不小地基反力分布的不 均匀对建均匀对建 筑物的影响，提高建筑物的影响，提高建 筑物适应筑物适应地表变形能力，避免地表水地表变形能力，避免地表水 平拉伸和压缩迭加平拉伸和压缩迭加 ，减缓曲率变减缓曲率变形的影响程度。形的影响程度。(a).变形缝的设置位置变形缝的设置位置n n长度过大的建筑场物,可每隔20m设置变形缝n n平面形状复杂的建筑物的转折部位;n n建筑物的高度差异或荷载差异处;n n建筑结构(包括基础)类型不同处;n n地基承载强度有明显差异处;n n分期建造的房屋交界处.(b)变形缝宽度的确定变形缝宽度的确定n n 对位于地表拉伸一正曲率变形区的建筑物,变形缝的宽度应按构造设置;n n 对于地表压缩一负曲率变形区的建筑物,变形缝的宽度其墙壁和基础部位是不相同的,基础变形缝的宽度决定于地表压缩变形值和相邻两建筑单体的长度,而墙壁变形缝除了考虑上述两个因素外,还决定于地表负曲率变形值和建筑物单体的高度.(c)变形缝的设置要求变形缝的设置要求 设置变形缝时，必须将基础、地面、墙壁、楼板、屋面全部切开，形成一条通缝，以达到在地表变形影响下，变形缝两侧的单体能够各自独立进行变形移动而互不影响的目的。在变形缝施工时，必须严防砖石、砂浆、瓦片、木块等杂物落入缝内，以防止变形缝发生“挤死”现象，失去变形缝的功能，这点对于压缩变形区的建筑物变形缝尤为重要。5.1.2.钢拉杆加固钢拉杆加固 钢拉杆通常设在楼板和檐口水平钢拉杆通常设在楼板和檐口水平,用以承受地表正曲率变用以承受地表正曲率变形所产生的拉应力形所产生的拉应力.用钢拉杆加固有施工简便及钢材易于回收用钢拉杆加固有施工简便及钢材易于回收等优点等优点 纵墙与横墙的钢拉杆均和设在墙角处的角钢垫板相连接纵墙与横墙的钢拉杆均和设在墙角处的角钢垫板相连接,角钢垫板长度角钢垫板长度 一般为一般为80cm.80cm.钢拉杆较长时钢拉杆较长时,为防止出现驰为防止出现驰 垂垂.每隔每隔3-5m3-5m埋埋 设一个钩钉设一个钩钉.钢筋混凝土圈梁加固钢筋混凝土圈梁加固 为了增强建筑物基础抵抗地表水平和垂直变形能力,采用钢筋混凝土圈梁加固基础.对于重要的或较高的建筑物,还应在楼板或檐口水平设置墙壁圈梁。5.1.4.挖补偿沟挖补偿沟 建筑物位于地表压缩变形区时,在建筑物基础周围挖一定深度的槽沟,用以吸收地表压缩变形,减小变形传递给建筑物基础侧压力,达到保护建筑物的目的。n n补偿沟内充填炉渣等松散材料,上