毕业设计（论文）专题部分建筑物下采煤技术研究现

1、专题部分建筑物下采煤技术研究现状摘 要：通过三种计算地表移动和变形的科学方法，研究分析采空区地表沉陷机理；并在此基础上，针对目前我国建筑物下采煤面临的实际困难，提出了具体的解决方案。重点分析了采煤技术的改进和建筑物的防止变形及建筑物的纠偏，条带采煤法和膏体充填采煤法是目前应用最为广泛和最有发展前景的物下采煤法；同时对相关政策及其实际解决也提出了解决方案。关键词：条带开采；似膏体充填；建筑物保护；建筑物纠偏1 建筑下采煤目前存在的问题村庄、建筑物下开采煤炭资源是当前很多煤炭企业都面临的问题。据1994 年初的统计, 全国“三下”压煤量已达122 亿t , 其中村庄、建筑物下压煤7813 亿t ,

2、 铁路下压煤1419 亿t 。一些煤炭企业“三下”压煤量占可采储量的50 %60 % , 且随着生产的推进和地面建筑物的增加, 这一比例还在不断增加。这个问题涉及到工农业双方的利益,是一个敏感的问题。目前我国因地下采煤引起的地表沉陷已达200km2/ a 。当采空区上方为建筑群时, 过去一般需搬迁, 或地下留设保安煤柱, 民用房屋下压煤制约着煤矿正常生产, 成为煤矿当前迫切需要解决的难题, 对矿区可持续发展构成严峻挑战。国内外很多专家学者对开采沉陷这一领域进行过深入研究, 目前这一学科仍在不断发展中。研究者探索以物理机制为基础的理论; 发展岩体移动和地表移动相结合, 位移和应力分析相结合的方法

3、，努力提高预测精度; 对复杂地质和开采条件下岩层移动计算提高适应能力。更为重要的是, 人们越来越重视地表沉陷的控制, 发展了多种技术体系, 以地面较少的代价换取地下煤炭资源。1.1 技术上的问题 适用于“三下”采煤的开采方法有: 房柱式、条带式、充填法管理顶板和分层间歇开采方法等。减轻地表下沉的充填方法有:水砂充填法、矸石自溜充填法和离层带注浆等。这些方法都需要考虑可操作性和经济代价。如水砂充填法, 据以往统计, 吨煤成本比垮落法管理顶板高20 %左右; 煤矸石充填井巷法吨煤费用约34 元,且只能充填1/ 4 左右(没有更多的材料) , 如果加电厂粉煤灰, 也仅能充填采空区的1/ 2 左右,

4、离层带注浆吨煤成本约215 元。 从目前我国煤炭企业的现状看, 控制地表下沉的技术所付出的经济代价偏高, 企业难以承受。廉价且实用的充填法材料的缺乏以及充填技术的不完善, 阻碍了大规模充填开采。 1.2 赔偿、征地、搬迁中存在的问题 村庄及建筑物下采煤将破坏地面上的建筑物及生产用地,也会造成地面农作物减产甚至绝产。为了赔偿开采造成的地面损失, 企业需向当地农民支付农作物减产赔偿金。如农作物绝产, 企业还需支付绝产征地费用。当需要搬迁村庄、工厂、学校时, 需企业支付搬迁费用, 并由企业负责选址。为此煤炭企业需支付高昂费用。一些地方政府和当地农民从自身利益出发, 故意在即将开采的井田上方, 大量抢

5、建乡镇企业及各种简易建筑物, 向煤炭企业索取高额的搬迁、征地费用。煤炭企业迫于生产的压力, 只好就范。农作物减产赔偿和绝产征地价格过高, 煤炭企业承担不起。在某些地区, 绝产征地后, 土地的使用权仍然属于当地农民, 企业只有治理土地和复垦土地的义务, 而没有使用土地的权利, 如果在同一地区厚煤层实行分层开采, 则企业需重复治理、重复付费。这样挫伤了企业治理土地、复垦土地的积极性。2 地表沉陷的机理及预计方法以长壁采煤工作面为代表的大面积均匀开采, 覆岩移动变形与破坏具有较好的规律性。当地下煤层被采出后, 采空区直接顶板岩层在自重力及其上覆岩层的作用下, 产生向下的移动和弯曲。当其内部拉应力超过

6、岩层的抗拉强度极限时, 直接顶首先断裂、破坏, 并冒落下来。而老顶岩层则以某种梁弯曲的形式沿层理面法线方向移动、弯曲, 进而产生裂隙、离层。随着工作面的向前推进, 受采动影响的岩层范围不断扩大。当开采范围足够大时, 岩层移动发展到地表, 在地表形成一个下沉盆地。计算地表移动和变形的方法有很多种,这里简单介绍经验方法、影响函数法和数学力学法等3 种。2.1 经验方法这种方法基于实测资料, 通过对大量实测资料的数据处理, 确定预计各种移动和变形值的函数形式(解析公式、曲线或表格)和计算预计经验公式。目前, 应用较广且具有代表性的经验计算和预计方法主要有剖面函数法和典型曲线法。2.1.1剖面函数法根

7、据地表下沉盆地剖面形状来选择描述下沉盆地剖面的相应函数, 作为计算地表移动和变形的公式。剖面函数形式以曲线拟合或最优化方法确定, 并常表示为与地质采矿条件数据有关的经验公式, 以预计时采用。剖面函数的形式很多, 前苏联、波兰等国都有各自适用的剖面函数计算方法。我国许多矿区使用过多种剖面函数法, 应用最多或有代表性的主要是负指数函数法。负指数函数法是用负指数来表示下沉剖面函数的方法, 它适用于近似矩形工作面开采时的地表移动和变形的预计。其经验公式为:式中 wx地表移动盆地主断面上任意点的下沉值，mm；w0地表最大下沉值，mm；l下沉盆地的半长，m；x地表下沉盆地主断面上任意点到最大下沉点的距离，

8、m；a,n待定系数，可根据矿区的实测资料求得。有了下沉曲线函数式, 根据下沉与其它移动和变形的关系式, 可得出相应移动和变形的计算公式。2.1.2典型曲线法典型曲线法是用无因次的典型曲线表示移动盆地主断面上的移动和变形曲线的一种方法, 它适用于矩形或近似矩形采区的地表移动和变形预计。典型曲线可以用诺谟图或分布系数表示。我国常用的、具有代表性的典型曲线法主要有: 峰峰矿区和平顶山矿区的典型曲线。国外, 如前苏联、英国也有典型曲线法的应用。2.2 影响函数法影响函数描述微小单元开采面积对地表影响的特性和程度。通过影响函数对开采面积的积分计算地表的移动和变形。影响函数法主要有: 巴尔斯法、别耶尔法、

9、扎恩法和埃尔哈尔特- 佐埃尔法等, 我国应用比较成熟的影响函数法是概率积分法。概率积分法可适用于工作面任意形状、任意充分开采程度、地表任意点的移动和变形。其下沉公式可表示为:其中 ； 式中：m 煤层采厚，m；下沉系数；煤层倾角；l沿煤层走向开采宽度，m；l沿煤层倾向开采宽度，m；r煤层走向方向主要影响半径；2.3 连续介质力学方法以连续介质力学方法为基础的岩层移动与地表沉陷模型能够较好地反映这一力学发展过程的本质。迄今应用的理论主要包括弹性理论、塑性理论、粘弹塑性理论、断裂理论等。研究认为, 模型应在反映主要力学特征的基础上尽量简化。对于岩层移动模型,其主要力学特征应当是层状特性, 可简化为正

10、交各向异性或横观各向同性模型。模型参数是重点要解决的难点。基于这一观点, 建立了五参数的三维模型。求解模型参数要充分利用现有实测资料。全国已有200 多个观测站资料, 在求取概率积分法参数的基础上, 应逐步取得力学参数的估计值或建立力学参数和已有参数的经验关系。作者建立的一个初步关系式如下： 式中 e1,e2岩石弹性模量; g岩石剪切模量；b水平移动参数；，岩石泊松比。3 解决村庄、建筑物下采煤的技术政策既不用迁村又能解放村庄下的煤炭资源是一种比较理想的状态,所以,探索村下采煤的新途径一直被国内外专家所关注,他们都在研究以物理机制为基础的理论,寻找更为科学合理的方式,力争最大限度地控制地表移动

11、,以地面较少的代价换取地下宝贵的煤炭资源。煤炭系统应注重技术进步, 加大对村庄、建筑物下采煤的技术研究, 结合企业实际采用适合企业的开采方法和充填技术。有以下几方面的工作可做: 3.1 条带开采法3.1.1条带开采的应用现状 条带开采法是一种特殊的开采方法,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, 达到地面保护目的的部分开采方法。从条带的布置形式及开采方法上包括: 水砂充填条带、矸石充填条带、冒落条带、分层冒落条带、近距煤层群条带、变采留比条带、不规则条带及古小窑老空区下条带等。尽管条带开采采出

12、率低、资源损失严重, 但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, 近几年各矿区都应用条带开采进行了建筑物下采煤实践。条带开采源于房柱式开采, 条带开采的关键是确定合适的采留比。实践表明,条带开采采出率一般为40 %60 % ,下沉系数不超过013。日本、波兰、英国都有成功的先例。我国自抚顺胜利矿1967 年利用充填条带法进行市区下采煤以来, 先后在抚顺、阜新、蛟河、峰峰、鹤壁、平顶山、徐州等矿区进行了多个条带开采的试验与实践, 创造了巨大的社会和经济效益, 取得了一些有益成果。据文献报导, 10 多年来有20 多个工作面(或采区)

13、采用条带法进行了回采。 3.1.2条带开采的研究现状 条带开采的研究涉及岩石力学(包括岩石及煤的强度, 煤柱应力的变化及煤柱的稳定等) 和开采沉陷学(包括条带开采的沉陷机理、地表移动与变形的计算、开采方案的设计等) 两大领域。对条带开采的研究主要分3 个方面: 现场试验与观测、模型试验和数值计算分析研究(包括力学的理论计算) , 模型试验以相似材料试验为主, 条带开采的大部分研究成果基于模型试验结果和数值分析结果。 尽管对条带开采的研究较多, 但大部分研究是针对条带煤柱的稳定性和条带开采尺寸的确定。评价煤柱稳定性主要考虑: 作用于煤柱的荷载; 煤柱内部的应力分布; 煤柱的强度以及煤柱与顶底板的

14、相互作用。在条带开采设计中仍采用传统的极限强度理论分析方法, 首先计算煤柱的载荷, 其次分析煤柱的承载能力, 最后设计煤柱的宽度。煤柱荷载指煤柱实际承受的载荷, 主要与地层厚度和开采尺寸有关。提出的计算方法有: 有效面理论、压力拱理论和a1h1wilson 两区约束理论。实际计算中普遍采用的是两区约束理论, 该理论认为在采空区一侧距煤壁013 h 处, 采空区矸石承受h 的荷载, 且在该处与煤壁之间应力按线性分布计算。 p = ( a + b)h - b2/ 112 式中, p 为条带煤柱的荷载, a , b 分别为留设与开采煤柱的宽度, 为覆岩的平均密度, h 为开采深度, 当b >

15、016 h 时, 取b = 016 h。 煤柱强度是煤柱所能承受的最大荷载, 它是煤柱稳定性分析的基础。煤柱的强度与诸多因素有关, 包括煤自身的强度、煤柱的尺寸、煤柱的内部构造、煤柱的表面、煤柱与顶、底板界面的磨擦和粘结力、围压及采场动态因素, 较具代表性的有obert , salamon 和wilson 等3 个煤柱强度计算公式,都是根据实验室试验、现场调查和现场煤柱观测总结得出的。我国在条带设计中普遍采用的是wilson强度计算公式, 他认为煤柱两侧有0100492mh 宽的屈服区( m 为煤层的开采厚度) , 屈服区内为核区, 核区的承载能力为4h。 p极= 4h( a - 010049

16、2mh) 近几年随着条带开采实际应用的增加, 我国对条带开采也进行了多项研究, 包括相似材料的模拟试验, 数值计算分析与现场的实际观测, 在这些研究的基础上提出了自己的观点。如波浪下沉传播高度与条带开采宽度a 和留设煤柱宽度b 有关; 煤柱两侧应力集中程度随煤层倾角增大而发生变化, 其塑性区也随倾角增大而增加; 侧限压力对煤柱有较大的作用, 较软弱和裂隙发育的煤柱, 部分充填可大幅度提高煤柱的稳定性或煤炭采出率; 多煤层条带开采时, 层间距较大时相互影响轻微, 层间距较小时两层煤相互影响较大; 地表移动变形不一定随采出率增加而增大, 而与采宽有关等。但条带开采地表与岩层移动的机理目前仍处于推测

17、、探索阶段, 提出的假说有: (1) 煤柱的压缩、压入假说条带开采后的地表下沉由煤柱的压缩、煤柱压入顶板和煤柱压入底板3 部分组成。 (2) 岩梁及其托板假说条带开采时, 在裂隙带上方存在着1 层或几层厚度较大、强度较高的坚硬岩层, 它对上部岩层和地表的移动起控制作用,地表的下沉由煤柱的压缩、煤柱压入底板、岩柱压缩、承重岩层压缩及托板挠度5 部分组成。 (3) 波浪消失说条带开采后, 采出条带顶板岩层类似于两端固定的约束岩梁, 靠近煤层的上覆岩层将出现波浪下沉, 达到某一高度后, 波浪消失, 在此高度之上为均匀下沉。在条带开采的实际预计计算中, 大部分仍采用概率积分法, 只是在计算参数上依据采

18、出率按经验数据进行一定的修正。数值计算法虽应用广泛, 但在条带设计中, 仍只是一种定性的分析方法, 这主要是因为计算参数的不确定性及岩性参数与岩体参数的差异造成的。在实际条带应用中, 由于要保证地面的安全, 往往具有一定的安全系数, 因此尚未见有极限条带开采宽度的试验报导。 3.1.3条带开采的观测现状 众所周知, 地表移动的观测数据是研究开采沉陷的基础。我国自50 年代以来, 建立的地表移动观测站(不完全统计) 已达200 多个, 为开展地表移动的计算研究工作提供了丰富的实际观测数据。条带开采的观测不仅涉及地表的移动观测, 还涉及煤柱的应力与变形观测, 上覆岩层的移动、变形、破坏观测, 随着

19、数值计算方法的大量应用, 岩体性质参数的实地测定也成为进行条带开采研究的重要数据, 目前我国也已积累了一些实际观测成果。 峰峰矿务局一矿在工人村下进行条带开采期间, 进行了较为全面的地表移动观测站观测, 得出在该地质条件下, 留设煤柱不大于h/ 3 , 开采条带小于h/ 315 的情况下, 地表不会出现波浪下沉;条带开采的地表移动期较短, 开采工作结束12个月后地表最大下沉为地表稳定后最大下沉的95 %; 并取得了实测的条带开采地表移动计算参数。 蒲白矿务局马村矿在白水河下条带开采期间设置了地表网状观测站, 对地表下沉的整个盆地进行了观测并在煤柱内进行了应力观测, 取得了在该地质条件下条采一侧

20、煤体应力超前距最大为6316m ,形成煤柱后应力超前距最大为10910m , 条采一侧煤体应力滞后距最大为7410m , 形成煤柱后应力滞后距最大3115m 的条带开采过程中煤柱应力变化的实测数据。 峰峰矿务局二矿在工业广场区域进行条带开采期间, 不仅设置了地表移动观测站, 还进行了煤柱压力的观测和利用上层工作面的回风巷打钻进行了顶板沉降的观测, 取得了开始阶段附加应力占15 % , 两侧开采期间占64 % , 滞后稳定阶段占20 %的应力观测结果, 并实测出该条件下的煤柱塑性区为2m , 采空区上方为拉伸变形, 煤柱上方为压缩变形; 取得了条带开采重复采动的地表移动实测数据, 得出条带开采的

21、地表下沉同样与开采面积有关的结论。 峰峰矿务局三矿在条带开采中从地面打钻进行了岩体内部移动的观测, 确定了采动裂隙的垂直分布规律, 得出了在局部薄层、软层容易产生离层的结论; 徐州沛城煤矿、鹤壁矿务局九矿等也进行了条带开采地表移动或煤柱应力的观测, 取得了一些观测数据。尽管在条带开采观测上已做了大量的工作, 但由于地质条件的差异, 其观测数据远不能满足现在研究的需求。 3.1.4条带开采的发展趋势 条带开采作为一种特殊的采煤方法有其自身的优势和缺点, 最大的优点是不改变采煤工艺的前提下, 较大幅度地减少地表沉降, 在无法采取其它措施的条件下采出部分建筑物下压煤, 而其最大缺点是条带开采采出率低

22、、资源损失严重, 且生产效益较低。因此, 在保护地面建筑物的目的下, 如何提高条带开采的采出率、提高条带开采的生产效益是条带开采中必须解决的关键问题, 近几年在这方面已进行了一些有益的尝试。 枣庄矿务局田陈煤矿在村庄下压煤开采中, 充分利用其煤层的开采深度, 进行了宽条带(采出宽度135m) 开采, 共开采3 个工作面, 地表最大下沉为298mm , 这一开采条带既利用了窄工作面下沉系数减小的优势, 又实现了不降低生产效率的条带开采, 保证了地面建筑不产生破坏。峰峰矿务局九龙煤矿在村庄搬迁过程中, 利用宽条带进行了2 个工作面的开采(工作面宽度分别为120m , 160m) ,实测地表最大下沉

23、为185mm 和469mm (两工作面迭加) , 地表水平变形最大为110mm/ m , 平均月产达415 万t 。通过工作面开采顺序的改变, 保证了采区的按计划开采, 也保证了地面的安全使用, 为搬迁争取了时间。平顶山矿务局十矿在化工厂下开采期间, 利用宽条带实现了煤柱的全柱式开采, 使整个开采过程中地面房屋的最大变形影响降低了50 %。另一方面, 利用条带开采的设计在理论上也进行了提高条带开采采出率的研究。变采留比条带在不增加地表变形的条件下, 充分利用地表下沉盆地的空间, 可提高条带开采采出率10 %20 % (取决于条带开采的面积) 。由于顶板的破坏高度与条带开采的宽度密切相关, 窄条

24、带开采是实现水体下和承压水上采煤较为有效的技术途径, 且利用连续采煤机采煤是实现窄条带高效开采的技术途径。由于煤柱存在塑性区, 窄煤柱稳定性差, 难以保证煤柱的长期稳定, 利用巷道加固技术对窄煤柱进行锚杆与锚索加固, 从而提高煤柱的自身强度, 实现窄条带开采, 这一技术可解决部分承压水上的开采问题, 但对煤柱加固技术的研究尚处于理论研究阶段, 主要是因为缺少实际开采的风险性试验。利用煤柱加固技术也是提高条带法开采采出率的有效途径。3.2 房柱式开采房柱式开采是在煤层内开掘一系列宽为57m的煤房,煤房间用联络巷相连形成近似于长方形的煤柱。煤柱可根据条件留下不采或在煤房采完后,将煤柱按一定要求采出

25、,剩余的煤柱用于支撑顶板。这种采煤方法与条带开采相比,其机械化程度和生产效率比较高。3.3 采空区充填法采空区充填法是在煤炭开采过程中,向工作面后方采空区内充填矸石、水砂或粉煤灰等充填材料以支撑上覆岩层的顶板管理办法。采用此方法管理顶板既可以减少覆岩破坏程度又可以显著减少地表移动变形值。自50 年代以来, 我国开始从事“三下一上”采煤的研究工作, 总结和完善了一套适合一些矿区的建筑物下压煤、尤其是村庄下压煤的开采方法, 如: 条带法、协调法、限厚法、风力矸石充填、水砂充填法、条带充填法、房式采煤法等。但是, 随着市场经济的发展、资源回收和环境保护的需要以及煤矿机械化水平的提高, 这些方法的弊端

26、和局限性越来越突出。探索一种技术上可行、经济上合理而且环境效益和社会效益明显的“建下”采煤新技术, 似膏体充填“建下”开采技术正是具有这样前景的煤层开采新方法。 3.3.1 似膏体充填“建下”煤层开采的思路当前金属矿山的细砂胶结充填技术主要有2类: 膏体充填和水力胶结充填。膏体充填的特点是充填体强度高、井下不需脱水, 但制备及输送十分困难、设备投资大; 而水力胶结充填虽然制备及输送方便, 但存在充填强度低、尾砂须分级、井下脱水量大及井下环境污染等问题。由于技术或经济上的原因, 这两种胶结充填方法是煤矿充填开采所难以实施的。“似膏体充填”模式: 采用全砂土固结材料作为胶凝材料, 矿山、电厂等工业

27、废弃物(如尾砂、煤矸石、粉煤灰等) 或河砂等作骨料, 骨料中配以合适的细粒级成份, 制成重量浓度为74 %76 % , 外观近似膏体一样的浆体, 称之为“似膏体”, 由此而提出“似膏体充填”模式。其充填体强度接近于膏体充填的强度, 远高于水力胶结充填的强度; 流动能力相当或略小于水力胶结充填, 远高于膏体充填; 井下不需脱水或少量脱水, 兼有水力胶结充填和膏体充填两者的技术优点。似膏体充填“建下”煤层开采, 就是要采用似膏体充填新技术对采煤工作面实施随采随充填, 最大程度地控制上覆岩层的变形与沉陷, 从而达到开采“建下”煤层的目的。3.3.2 似膏体充填材料的组成与力学特性1）充填材料的组成似

28、膏体充填材料的组成: 胶凝材料采用全砂土固结材料, 骨料选用某煤矿的破碎煤矸石和附近电厂的粉煤灰, 与水配制成重量浓度74 %76 %的充填料浆。1 m3 充填料浆中各组份的用量见表1。表1 1m3充填料浆中各组分的用量料浆浓度/%全砂土固结材料含量/%煤矸石与粉煤灰量之比/%料浆密度/g·cm-31m3充填料浆中各组分的用量/t全砂土固结材料煤矸石粉煤灰水7532411690.10510.18110.14050.14052）充填材料的力学特性为了研究充填材料的力学特性, 对充填料浆浓度为75 %、全砂土固结材料含量为3 %的似膏体充填体进行了三轴应力- 应变试验。试验采用了2= 3

29、 的假三轴应力试验, 结果见表2 和图1 所示。表2 三轴应力试验结果料浆浓度/%胶结剂配比/%试件尺寸/cm侧向力3/mpa轴向力1/mpa抗剪强度弹性模量e/mpa直径高度内摩擦角内聚力c/mpa75351010100.789210423130.1853481280.15031641100415911506126图1 三轴实验1关系曲线从图1 和表2 可以看出, 在有侧压的条件下,材料的轴向抗压能力得到大幅提高; 似膏体充填材料破坏后, 虽然变形较大, 但承载能力并没有立即下降, 仍具有较高的残余强度; 且侧压越大, 其残余强度越高。这种力学特性对井下支护、维护采场稳定都具有重要意义。3.

30、3.3 地表移动与变形预计采用flac3d三维数值模拟计算程序, 对某矿- 710 m、- 850 m、- 1 000 m 三个水平充填开采引起的地表移动与变形进行了分析预计。1）原始条件开采区内含5 煤、7 煤、9 煤、11 煤、12 煤5个主可采煤层, 总厚1016 m , 倾角平均21°。该区第四系松软冲积层1514 m , 5 煤以上基岩厚度487m。基岩岩性主要由砂岩、泥质粉砂岩、泥岩组成。煤、岩和充填材料的力学参数见表3。表3 煤、岩和充填体的力学参数岩性e/mpa/mpa/ g·cm-31/mpa占上覆基岩比例/%细砂岩410000.12128.1925216

31、6101114中砂岩407000.12227.1827.122161712719粉砂岩241000.11832.1130.172164619746粘土岩113000.1193412215641021煤119000.1362571150.13表土层83300.13150.1021180.102充填材料3481280.12223.130.18511820.1352）数值计算模型a. 模拟范围模拟范围主要从以下几个方面考虑: 接近充分开采的开采范围及其影响范围、模型划分的单元数、模拟程序的运算能力等。具体的模拟范围见表4 和图2 。表4 模拟范围类别方向走向倾向垂直模拟范围32002500+4116

32、（地表）-1300（地下）充填开采模拟区1600-570-1000区段图2 模拟区沿煤层倾向垂直剖面示意图b. 充填开采模拟方式充填开采模拟方式和顺序:(1) 开采水平: 按- 710 m 水平- 850 m 水平- 1 000 m 水平的顺序开采;(2) 煤层开采: 在每个水平上, 按5 号煤7号煤9 号煤11 号煤12 号煤的开采顺序;(3) 工作面开采: 在每个水平的每个煤层上,沿倾斜方向划分34 个工作面, 按从上向下的顺序开采工作面。(4) 工作面随采随充: 对工作面采后空区, 立即用充填材料进行充填。c. 地表移动及变形模拟结果数值模拟计算得的地表移动及变形最大值见表5 , 均满足

33、该矿提出的“建下”开采地表移动与变形指标: 最大倾斜值i < 115 mm/ m ; 最大曲率值k < 011 ×10 - 3/ m ; 最大水平变形值< 1 mm/ m。表5 地表移动及变形最大值地表移动及变形参数沿主断面地表走向倾向最大下沉值w/mm320320320最大倾斜值i/mm·m-10.1310.1480.148最大曲率值k×10-3/m-10.100290.100940.10094最大水平变形值/mm·m-10.1150.1280.128d. 充填成本分析首先计算井下每形成1 m3 充填体的运行成本。有关材料和消耗的单价

34、为: 全砂土固结材料200 元/ t , 煤矸石12 元/ t (主要是破碎成本) , 粉煤灰8元/ t (主要是运输成本) , 工业电价015 元/ 度, 矿山年充填空间40 万m3 。考虑到充填料浆形成充填体可能有少量脱水,井下形成1 m3 充填体各组分的用量为: 全砂土固结材料01056 t 、煤矸石01901 t 、粉煤灰0145 t 、水01469 t 。充填成本计算如下:(1) 充填材料费: 胶凝剂为01056 ×200 =1112 元/ m3 。 煤矸石为01901 ×12 = 10181元/ m3 。粉煤灰为0145 ×8 = 316 元/ m3

35、。(2) 动力费: 排水。似膏体充填要产生少量的脱水, 形成1 m3 充填体的脱水量约为0105011 t 。排水1 t 需615 kw·h 电, 则排水费011 ×615 ×015 = 01325 元/ m3 。 电耗。形成1 m3 充填体消耗的电量为411 kw·h , 则电费为411 ×015= 211 元/ m3 。(3) 人工及管理费: 人工费。充填作业人员按每班23 人计, 每班充填8 h , 充填体积800m3 , 工人平均工资按50 元/ d , 则形成1 m3 充填体的平均人工费用为(23 ×50) / 800 =

36、1156 元/ m3 。管理费。按人工费用的1 倍计算, 则管理费为1156 元/ m3 。(4) 固定资产折旧: 设备平均折旧年限取10年, 残值为4 %。似膏体充填的固定资产投资71718 万元, 则折旧为7 178 000 ×(1 - 4 %) ÷(10 ×400 000) = 1172 元/ m3 。(5) 其它: 包括充填工作面封堵材料等, 按以上费用的5 %考虑, 即32188 ×5 % = 1164 元/ m3。以上合计, 充填1m3 采空区的成本为34152元/ m3 。该矿的煤比重为115t/ m3 , 则计算出的吨煤充填成本为2310

37、1 元/ t 。该矿原采煤成本为140 元/ t , 加上充填成本23101 元/ t 煤, 则总的采煤成本为163101 元/ t 。煤炭售价为190 元/ t , 则可创利26199 元/ t 。可见，似膏体充填采煤法在经济效益上是具有巨大的优势的，同时，由于充填了采空区，膏体承压，对采空区上面的岩层重新施加了支撑力，使得岩层的下降变形得到了有效控制，也有效的减轻甚至了避免了地面建筑物的沉陷、变形，大大提高了煤炭资源的采出率，是一种具有广阔发展前景的建筑物下采煤方法。3.3.4 采用岩层内部注浆方法充填离层带离层带注浆是近年来发展起来的一种岩层控制方法主要是从地面通过钻孔向岩层内部注粉煤灰

38、等, 有效地控制了地表下沉, 减沉效果达60 %以上。煤炭科学研究总院将这一技术应用于控制露天边坡的滑移取得了较好效果, 新汶矿务局华丰煤矿从地面向岩层内注浆, 减沉达36 % 。近年来, 徐州、兖州和大屯等矿区相继采用这一技术, 不同程度地减缓了地表下沉。4 加强对抗变形建筑物的研究4.1 采动区建筑物移动变形机理地下开采引起地表移动变形, 从而使建筑物地基产生移动变形, 由于建筑物的刚度大于地基的刚度,使建筑物移动变形与地表移动变形不协调, 这种不协调表现在两方面: (1) 地基移动变形大于基础的移动变形, 使地基卸载, 出现卸载区, 卸载区主要出现在建筑物靠近地表下沉值大的一侧. 由于建

39、筑物一侧卸载, 应力向另一侧转移, 使下沉小的建筑物一侧应力增大, 出现加载区. 在卸载区, 由于作用在地基上的应力减小, 使地基部分回弹, 从而导致卸载区建筑物下沉小于地基下沉, 相反, 在加载区, 由于作用在地基上的应力增大, 使地基产生压缩变形, 从而导致加载区建筑物下沉大于地基下沉. 随着地下的开采,这种加、卸载过程不断重复变换, 使建筑物地基、基础、上部结构处于不断的相互作用之中, 当建筑物上产生的移动变形大于极限变形时, 建筑物损害; (2) 地表水平变形产生的作用在基础上的水平应力是一定的, 不会超过基础与地基间的摩擦力, 当大于两者间摩擦力后, 基础与地基间滑动, 应力不再向上

40、传递.4.2 建筑物移动变形及地基反力分布规律根据对大量现场实测资料的分析, 采动区建筑物移动变形破坏与地表移动变形大小、建筑物的刚度、地基土的性质、建筑物所处的地表移动区的位置等有关, 其移动变形特征如下.(1) 采动区建筑物移动变形大小与建筑物的刚度、所受的变形量大小、地基性质等有关. 一般而言,建筑物刚度越大, 地基越软弱, 建筑物调整变形的能力越强, 建筑物变形与地表变形的差异越大.(2) 建筑物下沉与地表下沉的动态关系: 靠近采空区侧建筑物下沉小于或接近地表下沉, 远离采空区侧建筑物下沉大于地表下沉; 在工作面推进过程中, 煤柱上方建筑物下沉与地表下沉差异最大点位于建筑物中心略偏向远

41、离采空区一侧, 当工作面推进结束时, 位于远离采空区一侧; 建筑物下沉与地表下沉的差值是有限的, 即基础切入地基的量是有限的. 切入量的大小与建筑物的刚度、重量、地基土性质、地表变形大小等有关. 建筑物刚度越强, 重量越大, 地基土越软弱, 地表曲率越大, 基础切入地基的量越大, 反之亦然. 因此, 增大建筑物的刚度和重量可以增大基础切入地基的量值, 减小建筑物的不均匀沉降量, 减轻采动带来的危害. 类似的, 在软弱地基条件下, 基础易切入地基, 可减小建筑物的不均匀沉降量, 从而减轻采动带来的危害. 这是岩石地基建筑物的抗采动变形能力低于土地基建筑物的抗采动变形能力的原因.(3) 根据资江、

42、鹤壁、阳泉、邢台、徐州等矿区的资料, 建筑物的倾斜为地表倾斜的01591107 倍.在受采动影响的初期, 靠近采空区侧地表倾斜大于建筑物倾斜, 而远离采空区侧则是建筑物倾斜大于地表倾斜, 这是基础切入地基的结果. 当工作面推进结束后, 则主要是地表倾斜大于建筑物倾斜. 建筑物的刚度和重量增加, 基础切入地基量的增大, 使建筑物倾斜和地表倾斜差增加, 这种差值增大, 有利于减小建筑物的不均匀变形, 减轻采动对建筑物的损害.(4) 建筑物的刚度、所受的变形类型、大小等对建筑物的水平变形影响较大. 当建筑物设有滑动层时, 建筑物水平变形大小与地表水平变形大小无关; 在其它条件相同时, 加固建筑物水平

43、变形小于未加固建筑物水平变形; 当建筑物位于拉伸变形区时, 建筑物上产生的水平变形大于位于压缩区产生的水平变形; 当建筑物位于拐点附近时, 建筑物上产生的水平变形大于位于其它区域产生的水平变形.(5) 根据国内采动区建筑物观测资料分析得到, 建筑物曲率为地表曲率的2113 %7814 %. 处于正曲率区的建筑物, 传递到建筑物上的曲率更大, 而处于负曲率区的建筑物, 传递到建筑物上的曲率更小.建筑物刚度越大, 地表传递到建筑物上的曲率越小.(6) 采动区建筑物卸载区的大小与建筑物的刚度、地表变形大小、地基土性质等相关, 研究表明: 受正曲率作用时, 卸载区位于靠近采空区一侧的建筑物下方, 受负

44、曲率作用时, 卸载区位于建筑物中央下方; 受正曲率作用时, 地基反力最大点位于远离采空区一侧的建筑物l / 3 ( l 为建筑物的长度) 处,受负曲率作用时, 地基反力最大点位于建筑物两侧; 地基反力不与建筑物中心对称, 而是以最大反力点为中心, 成抛物线或指数分布(建筑物刚度小时) 以及双线性分布(建筑物刚度大时) ; 地基卸载区范围及反力大小随地表移动渐趋稳定而减小。4.3 现有的采动区建筑物保护措施合理性分析现有的采动区建筑物保护措施大致可分为3 类: (1) 以提高建筑物抗变形能力为手段的保护措施有,对于新建建筑物, 主要加大顶、底圈梁断面, 增设窗下加强带、联系梁、构造柱、抱门柱等;

45、 对于已有的建筑物, 主要设钢拉杆、增设底圈梁、构造柱、堵砌门窗洞、设变形缝等;(2) 以减小作用在建筑物上变形为目的的保护措施, 这些措施有: 水平滑动层、双板基础、变形补偿沟、楔形基础等; (3) 以人工调整基础移动变形的保护措施, 这些措施主要有抽砂、千斤顶调整建筑物基础变形等. 第1 , 2 类措施是目前采动区建筑物保护设计中常用的方法.4.3.1第1 类保护措施的特点及合理性分析以提高建筑物抗变形能力为手段的第1 类保护措施, 其实质是通过提高建筑物的刚度, 增大建筑物变形与基础变形的差异, 减小建筑物自身变形, 达到保护建筑物的目的. 目前在进行这类保护措施设计时,存在的主要问题是

46、不论建筑物的刚度多大, 只要地表变形增大, 就得增大建筑物的刚度, 以致于当地表变形过大时, 设计的基础圈梁配筋太大, 无法进行施工. 这类设计存在这一问题的关键是在进行建筑物内力计算时存在两方面的问题: (1) 未考虑基础与地基的相互作用. 由于采动过程中, 地基应力重分布, 使建筑物部分地基加载, 基础切入地基, 减小了建筑物内部的变形和地基反力;(2) 建筑物的重量是一定的,作用在地基上的总应力是一定的, 不论地基变形多大, 建筑物的刚度和强度只需满足能够承受建筑物自身重量产生的应力即可, 额外增加建筑物刚度是多余的. 而在以前的设计中, 未考虑建筑物自身重量和承受这一重量所需刚度和强度

47、的有限性, 仅根据地表变形计算地基反力和建筑物内力. 通过地基反力计算式可以看出以前采动区建筑物设计中存在的问题. 以正曲率为例进行研究. 假定在正曲率作用下, 地基反力与建筑物中心对称, 从而可得到地基最大反力计算式为0 = cl 2/ 8 r0 , (1)式中, 0 为临界状态下地基反力最大值; c 为地基系数; l 为建筑物的长度; r0 为地表曲率半径.由式(1) 可见, 地基反力与地表曲率半径成反比, 与建筑物长度的平方和以及地基系数成正比, 地表曲率半径越小, 地基反力越大. 这种计算方法的明显缺陷有两方面: 一是未考虑基础与地基的相互作用, 基础切入地基, 使作用到建筑物上的曲率

48、减小, 即曲率半径r0 增大, 从而地基反力减小; 另一方面, 前面的实测分析已表明, 建筑物的刚度越大, 建筑物与地表曲率的差异越大, 现场实测建筑物曲率为地表曲率的2113 %7814 %. 式(1) 中未考虑建筑物刚度对地基应力分布和大小的影响. 事实上, 现存的采动区建筑物附加内力计算方法是基于建筑物变形与地基变形同步的假定, 即建筑物变形与地基变形不存在差异, 这与实际不相符合. 由于上述两方面的缺陷, 使现有的采动区建筑物设计理论不完善, 导致设计时过高地计算了建筑物所受的内力, 加大了建筑物的配筋.4.3.2第2 类保护措施的特点及合理性分析以减小建筑物所受变形为手段的第2 类保

49、护措施有: 水平滑动层、双板基础、变形补偿沟、楔形基础等.水平滑动层是为了减小地表水平变形作用于建筑物的附加应力, 在基础圈梁和基础之间设置的. 水平滑动层可很好地阻隔地表水平变形向建筑物的传递. 湖南资江煤矿、阳泉三矿和澄河董家河矿的实测表明, 当地表水平变形在- 25191615 mm/ m 变化时, 建筑物水平变形在±013 ±014 mm/ m 变化, 近于一常数. 邢台东庞矿的实测结果: 当地表拉伸变形在712924166 mm/ m 变化时, 建筑物拉伸变形在113216 mm/ m 变化; 当地表压缩变形在- 37196 - 21127 mm/ m 变化时,

50、建筑物压缩变形在- 0163 -0182 mm/ m 变化. 从上面的数据可以看出, 设置滑动层后, 可极大地减小水平变形向上部建筑物的传递.在水平滑动层设置适当的条件下, 不论地表水平变形多大, 建筑物水平变形近于常数, 这是因为靠滑动层摩擦力引起的建筑物水平变形是有限的, 当滑动力大于摩擦力时, 滑动层开始滑动, 水平变形不再向上传递, 从而使建筑物上的水平变形保持一定. 由于水平滑动层摩擦力的大小与滑动层材料、滑动层的形状有关, 当建筑物处于拉伸变形和正曲率区时, 建筑物基础和滑动层上凸, 滑动层摩擦力增大, 传递到建筑物上的水平变形增大; 当建筑物处于压缩变形和负曲率区时, 建筑物基础

51、和滑动层下凹, 建筑物基础圈梁和基础的接触面减小, 滑动层摩擦力减小, 传递到建筑物上的水平变形减小. 邢台东庞矿实测结果已经证实了这一结论. 为了减小地表水平变形向建筑物的传递, 除选择适当的滑动材料外, 还应减小建筑物随地表变形的弯曲程度, 从而减小滑动摩擦力. 因此, 在设置滑动层的同时, 应同时考虑建筑物具有足够的抗弯刚度, 减小建筑物和基础的弯曲, 保证滑动层的摩擦力最小. 另外, 随着建筑物高度的增加, 作用在水平滑动层上的应力增大, 滑动摩擦力增大, 传递到建筑物上的水平变形增加, 因此, 滑动层用于低层建筑物比用于高层建筑物的效果好.双板基础是在地表变形很大, 特别是地表扭曲变

52、形和水平剪切变形很大时采用. 由于双板基础造价高, 一般情况下不采用. 特别是设置联系梁能有效地抵抗水平剪切变形作用的条件下, 大多采用联系梁.变形补偿沟可以减小地表水平变形, 但减小量是有限的. 研究表明, 变形补偿沟可减小地表水平变形大约为20 %. 在设置水平滑动层的条件下, 采用变形补偿沟的意义不大, 只要滑动层设置适当, 可使建筑物上的水平变形为一常数, 在这种情况下再设置变形补偿沟的作用不明显, 增大了建筑造价. 对于未设滑动层的建筑物, 采用变形补偿沟减小地表和建筑物变形具有较大的作用.楔形基础的目的是增大基础切入地基的变形量, 减小建筑物不均匀移动和变形, 从而减小建筑物的附加

53、内力. 这是一种积极的减小建筑物变形的方法, 应是重点研究和发展的方法, 但目前对此研究不多.4.4 采动区建筑物保护措施的改进前面的分析已表明, 现存的采动区建筑物保护设计理论存在的主要缺陷: (1) 未考虑地基、基础、上部结构的相互作用, 过高地估计了采动引起的建筑物附加应力. 特别是在地表变形较大时, 这一问题更突出; (2) 地基反力分布不以建筑物中心对称, 在正曲率作用下, 地基反力最大点位于远离采空区一侧的建筑物l / 3 ( l 为建筑物的长度) 处, 受负曲率作用时, 地基反力最大点位于建筑物两侧, 而现有的设计理论假定了地基反力分布与建筑物中心对称, 这一假定与实际不符; (

54、3) 未考虑建筑物刚度对地基反力大小的影响, 不论建筑物刚度多大, 均采用同一计算方法;(4) 未考虑滑动层的效应, 过高地估计了水平变形的影响等. 由于现有采动区建筑物保护设计理论的缺陷, 导致设计的盲目性, 必须加以改进.事实上, 采动区建筑物设计理论改进的关键是如何考虑地基、基础的相互作用对地基反力的影响. 从式(1) 可见, 建筑物长度是不变的, 地基系数随基础的切入有一些变化, 但变化量有限, 对地基反力影响不大, 而曲率半径受地基、基础相互作用的影响很大, 是对地基反力影响最大的因素. 研究表明, 建筑物曲率为地表曲率的2113 %7814 % , 建筑物基础曲率是导致建筑物附加内

55、力的真正曲率, 而不是地表曲率, 因此, 在进行建筑物附加内力计算时, 应采用建筑物基础曲率半径代替地表曲率半径, 将式(1)修改为0 = cl 2/ 8 r1 , (2)式中, r1 为临界基础曲率半径.根据对国内观测资料的统计分析, 得到建筑物曲率与地表曲率的统计关系为未加固建筑物:kg = kd 01034 l / h + 0147 + 0132 ×10- 3/ l 2 (116 l / h 10) ; (3)加固建筑物:kg = 0156 kd + 01032 ×10- 3/ l 2 , (4)式中, kg , kd 分别为建筑物基础和地表曲率; l , h 分别为

56、建筑物的长度和高度.在进行地基反力计算时, 应将式(3) , (4) 代入式(2) 计算最大反力值, 而不应采用地表曲率值.同样的, 由于滑动层的作用, 传递到建筑物上的水平变形远小于地表水平变形, 因此, 在进行水平变形引起的建筑物附加内力计算时, 应以基础上的水平变形进行附加内力计算, 而不应该采用地表水平变形进行附加水平应力计算.5 结论建筑物下采煤是“三下”采煤中的一种，其研究方法和解决途径与水体下采煤、铁路下采煤有着很多的共同点，但又各有异同。因此，对建筑物下采煤的探讨可也其他两种物下采煤相对比，取长补短，切实解决好建筑物下采煤过程中遇到的各种困难，提高煤炭资源的回收率，高效率的利用

57、好宝贵的煤炭资源。翻译部分coal mining and productionindustry description and practicescoal is one of the worlds most plentiful energy resources, and its use is likely to quadruple by 2020. coal occurs in a wide range of forms and qualities; but there are two broad categories: (a) hard coal, which includes coking coal, used to produce steel, and other bituminous and anthracite coals used for steam and power generation, and (b) brown coal (subbituminous and lignite), which is used mostly as onsite fuel. coal has a wide range of moist