建筑物下采煤技术现状及发展

开采技术 建筑物下采煤技术现状及发展 张煜铖, 侯世占 (辽宁工程技术大学 资源与环境工程学院, 辽宁 阜新 123000) 摘 要:我国建筑物下采煤的研究从 20 世纪 60 年代开始, 先后在本溪、鹤壁、抚顺、枣庄、峰峰、蛟河等矿区进行试 验,取得了成功的经验和宝贵的监测资料。在综合分析大量文献的基础上, 全面 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了充填开采、条带开采、三步 法、协调开采、离层注浆等主要建筑物下采煤方法和井上建筑物的保护措施, 并阐述了建筑物下采煤的发展趋势。 关键词:建筑物下采煤; 充填开采; 条带开采 中图分类号:TD823 文献标识码: A 文章编号: 1008- 8725( 2007) 12- 0049- 03 Present Situation and Development Trend of Mining Technology Under Buildings ZHANG Yu- cheng, HOU Shi- zhan ( College of Resource and Environment Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China) Abstract: Experimental studies on coal mining under buildings in China started since 60. s of last century suc- cessively in Benxi,Hebi, Fushun, Zaozhuang, Fengfeng, Jiaohe and so on, and successful experience and pre- cious monitoring material had been obtained. Based on full literature search and comprehensive analysis, the paper presents an overall summary of the main mining methods which include cut and f ill mining, strip mining, 3- step mining, coordinated mining, filling the collapsed cavities in over lying strata etc, and elaborates the future research direction of mining under buildings. Key words: mining under buildings; cut and fill mining; strip mining 0 概述 据国有重点煤矿的不完全统计资料, 目前我国/ 三下0压 煤约13719亿 t, 其中建筑物下压煤为 8716 亿 t, 而建筑物下 压煤中的 60%为村庄压煤[ 1]。随着社会经济发展, 村镇规模 不断扩大, 目前村庄下实际压煤远远大于这一统计数字。部 分矿区建筑物下压煤量十分巨大, 已经严重制约着矿区的发 展, 如徐州矿业集团 1999 年建筑物下压煤约 419 亿 t,占总可 采储量的 50%以上[ 2]。此外,随着社会经济的发展, 建筑物下 采煤问题会日趋严重。如何经济、安全地进行建筑下开采, 成 为许多矿区面临的主要问题,严重制约着矿区的可持续发展。 因此, 进行建筑物下采煤研究具有十分重要的意义。 1 建筑物下采煤方法 111 充填开采 充填开采是采用外来材料充填矿物资源采出后形成的 采空区,包括水砂充填、矸石充填等。从采矿实践中发现, 地 表下沉与开采厚度有十分密切的关系, 开采厚度越大, 地表 的最大下沉值也越大。采用全部冒落法管理顶板时, 地表的 下沉可达采高的 60% ~ 80% ; 而用水砂充填法管理顶板时, 最大下沉值为采高的 8% ~ 20%。充填采煤法的地表沉陷控 制效果取决于采空区的充填程度,地表下沉系数一般为 0102 (密实水砂充填)到 016(矸石风力充填) [ 3] [8]。 实践表明,充填开采可以大大地减小地表沉降, 减轻开 采对地面建筑物的损害程度。但由于该方法需要有专门充 填设备与工艺系统及足够的充填材料, 从而使井下开采工序 复杂强度增大,生产成本约增加 20% ~ 30%。 11 2 条带开采 条带开采是目前国内建筑物下采煤地表沉陷控制的主 要技术途径,应用最为广泛。条带开采的原理是把要开采的 煤层划分成比较正规的条带进行开采, 采一条, 留一条,利用 保留的条带煤柱支撑上覆岩层, 从而减少覆岩沉陷, 控制地 表的移动和变形,达到地面保护目的[ 5]。 我国自抚顺胜利煤矿 1967 年利用充填条带法进行市区 下采煤以来,已先后在抚顺、阜新、蛟河、峰峰、鹤壁、平顶山、 徐州等多个矿区进行了条带开采的试验与实践, 创造了巨大 的社会和经济效益,取得了许多有益成果。由于我国矿区村 庄密集,搬迁费用巨大, 为解放村庄下压煤,条带开采作为一 种减少地表沉降的特殊采煤法, 近几年来在建筑物下、铁路 下压煤开采中得到了广泛应用。现场监测研究表明, 应用条 带开采技术可有效控制地表沉陷,其下沉系数为全部垮落法 开采下沉系数的 418% ~ 2618% , 下沉系数在 01024~ 01206 之间变化,地面建筑物损害一般可控制在 I 级以下; 开采条 带宽度变化在 10~ 160 m 之间,宽深比为 01043~ 01347,一般 为 1P3~ 1P10; 面积回采率为 30% ~ 7816%。条带开采控制地 表沉陷最大的缺点是煤炭永久损失率较高。虽然有学者提 出并开始了用锚杆或锚索加固煤柱以缩小煤柱尺寸的试验, 但已成功的条带开采实例表明,工作面的面积采出率大多为 30% ~ 50%。这是制约条带开采大规模用于地表沉陷控制 的主要瓶颈[6]。 11 3 /采 ) 注 ) 采0三步法 / 采 ) 注 ) 采0三步法开采,即/ 小条带开采 ) 注浆充填 收稿日期: 2007- 08- 30;修订日期: 2007- 09- 30 作者简介:张煜铖( 1983) , 男,辽宁鞍山人,硕士研究生, 从事矿山压力方面的研究, E- mail: xtaydggg@ sohu1com。 第 26卷第 12期 2007年 12月 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol126, No112 Dec, 2007 采空区 ) 剩余条带开采0 , 吸收了条带开采和充填开采 岩层移动和地表沉陷控制技术的优点, 充分利用覆岩结构对 岩层移动的控制, 布置条带式工作面跳跃式开采, 注浆充填 和加固采空区破裂岩体恢复承载能力, 应用载荷置换原理, 实现对上覆岩层的控制。其基本内涵是将开采区布置成类 似于条带式的宽、窄条带相间的工作面。窄条带工作面宽度 控制在上覆基岩厚度的 1P4~ 1P6,并控制面积采出率不超过 35% ;宽条带工作面宽度控制在基岩厚度的 1P3~ 1P5。 第 1步, 开采窄条带工作面,留煤柱控制覆岩移动 ,采后 覆岩破坏形成自然平衡拱式平衡体系, 地表沉陷与变形微乎 其微。 第 2步, 注浆充填与固结窄条带采空区破裂岩体。注浆 材料可选用廉价的粉煤灰 ) 高水材料或砂高水材料复合浆 液,将采空区及其上覆破裂岩体固结为一个整体形成复合固 结体,恢复承载能力。 第 3步, 间隔开采剩余宽条带煤柱。为了更有效地控制 地表沉陷, 开采剩余宽条带煤柱时, 采 2 条宽条带煤柱留 1 条宽条带煤柱,并在已充填窄条带的两侧各留 5 m 左右的小 煤柱,形成以注浆固结窄条带包裹宽煤柱的复合固结岩体条 带支撑、小煤柱包裹的复合固结岩体条带支撑、老顶砌体梁 和上部完整岩层为主要结构的覆岩移动与稳定体系, 地表将 形成类似于条带开采的大面积平缓下沉状态,达到降低地表 沉陷量、减小地表变形值的目的[ 4]。 尽管此方法预计最终工作面面积采出率可达到 80% ~ 90% ,但这种方法仍停留在理论阶段, 还有待于实践的完善。 114 覆岩离层注浆 辽宁工程技术大学采矿损害与控制工程研究中心与抚 顺矿业集团合作进行/抚顺倾斜特厚煤层上覆岩层高压注浆 减缓地表沉降保护建筑物试验0研究, 实验地点为老虎台矿 512 采区, 此后又在老虎台矿 511, 510 采区上方进行了扩大 试验研究。实行离层充填技术后,地表最大下沉量得到有效 控制,三个采区下沉量均减少 60%以上, 下沉系数由 01 85 以 上减至 01 3以下。同时地表下沉速度急剧减小,地表下沉平 缓。实践结果表明,地面建筑物得到了有效的保护[ 7]。 覆岩离层带高压注浆减缓地表沉降技术,就是通过地面 钻孔向采空区上方覆岩中的离层带高压注入液体充填材料, 以控制覆岩下沉为途径,最终实现控制地表沉降的目的。 2 建筑物保护措施 为了减少或消除建筑物下采煤对地表建筑物的影响和 破坏,除了可以采取采矿措施来减缓地表下沉从而达到保护 建筑物的目的外,还可以对建筑物采取一定措施。 211 变形缝 在建筑物上设置变形缝是一项有效而经济的保护措施, 在我国建筑物下采煤中已被广泛采用。 设置变形缝是将建筑物自屋顶至基础分成若干个彼此 互不关联的、长度较小、刚度较好、自成变形体系的独立单 体,这样可以减小建筑物地基反力分布的不均匀性, 提高建 筑物适应地表变形的能力,减少作用于建筑物的附加应力。 对于长度过大的建筑物,可每隔 20 m 左右设置变形缝, 另外在平面形状复杂的建筑物的转折部位、有高度差异处和 建筑结构(包括基础)类型不同处均应设置变形缝。 设置变形缝时, 必须将基础、地面、楼板和屋面全部切 开,形成一条通缝, 以达到在地表变形影响下,变形缝两侧的 单体能够各自独立变化,而互不影响的目的。为保证建筑物 单体的空间刚度, 变形缝处一般应设置承重的双墙, 以使各 单体成为一个闭合的整体。 212 钢拉杆 钢拉杆可承受地表正曲率变形产生的拉应力, 设置钢拉 杆是减少地表正曲率变形对建筑物墙壁影响的有效措施之 一。 采用钢拉杆保护建筑物墙壁, 具有施工简单、工作量小, 以及地表移动稳定后, 可以回收钢材等优点, 因此钢拉杆最 适合于保护位于地表的充分移动盆地平底位置的建筑物墙 壁,这是由于在上述位置的墙壁主要承受地表移动和变形过 程中的地表拉伸 ) ) ) 正曲率变形的影响。 由于钢拉杆不能承受横向力和扭转力的作用,仅能限制横 向力所引起的破坏程度, 而且由于钢拉杆与墙壁的共同作用的 能力较差,所以钢拉杆的加固效果不如钢筋混凝土圈梁。 21 3 钢筋混凝土圈梁 设置钢筋混凝土圈梁是提高建筑物抵抗地表变形能力 的有效措施。其作用在于增强建筑物整体性和刚度, 提高砖 石砌体的抗弯、抗剪和抗拉的强度, 可在一定程度上防止或 减少裂缝等破坏现象出现。 设于墙壁上的钢筋混凝土圈梁, 主要是承受地表曲率变 形引起的附加弯矩和附加剪力。设于基础上的钢筋混凝土 圈梁,主要是承受地表水平变形引起的建筑物基础平面内和 平面外的附加水平力,以及地表曲率变形引起的附加弯矩和 附加剪力。 21 4 变形补偿沟 变形补偿沟是在建筑物外侧从地表挖掘一定深度的沟 槽,其作用是吸收地表压缩变形。在房屋四周挖掘变形补偿 沟能减少地表土壤对房屋基础埋入部分和地下室的压力, 也 可用来减轻水平变形对基础底面的影响。 3 建筑物下采煤的发展趋势 31 1 矸石充填将是充填采煤方法的发展重点 虽然水砂充填可以有效地减少地表下沉量, 从而达到保 护建筑物的目的,但由于水砂充填砂子用量大从而提高了吨 煤成本。从这方面可以看出,水砂充填的使用将逐渐减少。 矸石井下充填是一项矸石处理利用新思路,利用该技术可以 把煤矿生产中所产生的矸石填入井下, 实现矸石不上井、地 面不建矸石山,并利用矸石置换煤炭资源, 以达到综合治理 煤矿矸石的目的。矸石充填法用矸石置换出永久煤柱的煤 炭资源,为建筑物下开采开辟了一个新途径, 它在提高建筑 物下煤炭的采出率的同时, 也减少了矸石的排放量, 从而实 现煤矿的绿色洁净开采。 31 2 需要进一步完善三步法开采的理论与实践 条带法开采是一种成熟的传统方法, 条带开采技术是当 前建筑物下煤柱开采、控制地表移动和变形的最有效的开采 技术之一。我国学者在改进条带开采的方法上进行了有益 的探索,取得了很多成果、经验。吸收条带开采和充填开采 岩层移动和地表沉陷控制技术的优点, 充分利用覆岩结构对 岩层移动的控制作用, 布置条带式工作面跳跃式开采, 注浆 充填和加固采空区破裂岩体恢复承载能力,应用荷载置换原 理,实现对上覆岩层的控制; 进而提出小条带开采 ) 注浆充 填固结采空区 ) 剩余条带开采/三步法开采新方法0, 进行岩 层移动和地表沉陷控制,以解决大面积开采地表沉陷控制和 提高煤炭回采率的矛盾问题。通过对变采留比条带的计算 分析,变采留比条带在产生同样地表最大下沉值的条件下减 少地表最大变形值, 也就是在相同变形值的要求下, 变采留 比条带可提高条带法开采的采出率。 31 3 覆岩离层注浆减沉技术有待于进一步发展 基于岩层控制的关键层理论的提出, 可将保证覆岩主关 键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计的基本原则。为了 保证建筑物下采煤既具有较好的经济效益,同时又确保地面 建筑物不受到损害,关键在于根据具体条件下覆岩结构与关 键层特征来研究确定合理的减沉开采技术及参数。离层注 #50# 煤 炭 技 术 第 26卷 大倾角全煤巷锚网索支护数值模拟研究 谈国文, 赵 辉 (安徽理工大学 资源开发与管理工程系, 安徽 淮南 232001) 摘 要:运用 FLAC数值模拟软件, 结合现场地质概况,对大倾角全煤巷锚网索联合支护技术进行了模拟分析,检验 了支护参数的合理性,得出了围岩变形特征和围岩应力分布特征, 为其他类似条件巷道的锚网索支护参数设计提 供了借鉴。 关键词:大倾角煤层; 回采巷道; 锚网索联合支护; 数值模拟 中图分类号:TD353 文献标识码: A 文章编号: 1008- 8725( 2007) 12- 0051- 03 Numerical Simulation Study on Full Seam Roadway of Steeply Dipping Seam Supported with Bolt Mesh Anchor TAN Guo- wen, ZHAO Hui ( Department of Resource Exploration and Management Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China) Abstract: Based on the general geological situation, the combined support technology with bolt- mesh- an- chor in the full seam roadway of steeply dipping seam was analyzed by FLAC numerical simulation software. The rationality of support parametesr was verified, the deformat ion feature of surround rock and stress distribu- tion feature of surround rock are found by analysis of numerical simulation, and it will provide some reference for the design of support parameters with blot- mesh- anchor for other similar roadways. Key words: steeply dipping seam; roadway; combined support with bolt- mesh- anchor; numerical simulation 0 引言 我国对于大倾角煤层回采巷道大多采用传统的基于近 水平或缓倾斜的刚性支护或棚式支护技术。这些支护技术 在施工过程中一方面运输支护材料的劳动强度大、效率低, 另一方面顶部的余煤难以控制,容易掉落造成空顶而导致瓦 斯积聚,且具有自燃隐患, 不利于安全。如果采用破顶施工, 破坏了顶板的稳定性, 且掘进出煤和矸石还要分装分运, 增 加了工作量。此外在支护效果方面, 由于煤层倾角较大, 巷 道围岩在岩层结构特性和力学特性等方面都存在着各向异 性,巷道一般具有/ 顶板下挫、底板微隆0的非对称变化和支 护体不均匀受载等特征, 传统支护较难适应这种变形特征, 因此要求其支护方式有其特殊性。近年来 ,数值模拟方法已 在采矿工程中得到快速发展和应用, 运用数值模拟软件进行 支护参数的设计和检验是一种科学而经济的方法。文中运 用非线性 FLAC2D计算程序, 对大倾角全煤巷锚杆支护参数 进行分析和验证。 1 试验巷道地质概况和锚网索支护参数 1. 1 巷道地质概况 试验巷道为淮南某矿- 678 m 标高的工作面运输巷道, 地面标高+ 16~ + 20 m, 巷道全长 650 m, 煤层倾角 28~ 31b (平均 30b) ,厚 21 4~ 415 m(平均 312 m) , 属于结构复杂的中 厚煤层, 煤层下部发育有 1~ 2 层厚度在 015~ 1 m 左右的夹 矸(见图 1)。 11 2 锚网索支护参数 巷道断面设计为斜梯形,跟顶掘进,两帮垂直巷道底板, 巷道跨度4 m,中高 21 8 m, 巷道顶板和两帮均采用左螺旋螺 纹钢预拉力锚杆、0 2型钢带和金属网联合支护方式, 锚杆规 格为<22@ 2 500(高帮最下 1 根锚杆规格为<20 @ 1 800) , 锚索 规格为<15124@ 6 300,顶板锚杆排距 1 m,两帮锚杆排距 018 m,锚索排距 3 m(见图 2)。 浆减沉应用得还不够广泛, 需要解决的理论、实践方法问题 还很多。尽管如此,仍可断定离层注浆减沉方法会得到逐渐 推广应用,并在应用中完善。如近年来已经将离层注浆与大 条带间歇开采结合应用,可以解决建筑物下适应机械化的诸 如加大开采工作面长度,减少工作面搬家次数等一系列建筑 物下开采难题。 314 采煤方法与建筑物保护措施相结合是建筑物下开采的 又一发展趋势 在建筑物下采煤时 ,如果仅仅采取采矿措施, 则不能完 全避免地表变形对建筑的破坏。要使建筑物能够抵抗地表 变形的影响,还须对建筑物采取一定的措施。变形缝、钢拉 杆、钢筋混凝土圈梁、变形补偿沟等抗楼房变形技术与采煤 方法相结合,可以更好地避免建筑物下煤矿开采对建筑物的 影响,从而改善居民居住条件, 提高居民生活水平。 参考文献: [1] 王金庄,郭增长.我国村庄下采煤的回顾与展望 [ J] .中国煤炭, 2002, ( 5) : 28- 31. 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