柴然 李鵬 高宇

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，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(tuán)以村莊搬遷、采空壓煤的手段為主，這樣導(dǎo)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(yán)重影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，因此對(duì)建筑物下采煤工藝進(jìn)行介紹與分析。

一 地表移動(dòng)與變形對(duì)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(dòng)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(dǎo)致建筑物變形，當(dāng)這些變形超過了建筑物所能承受的最大抗形變能力時(shí)，建筑物就被破壞，產(chǎn)生裂縫，甚至倒塌。

1.開采沉陷對(duì)建筑物的損害

(1)下沉：煤礦在開采時(shí)不僅僅只形成采空區(qū)，還會(huì)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?xí)r，建筑物的結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生新的應(yīng)力，對(duì)本身不會(huì)帶來破壞，但當(dāng)?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(qiáng)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(dǎo)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(duì)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、?fù)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(duì)建筑物的破壞作用很大。由于建筑物抵抗拉伸能力遠(yuǎn)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(shí)，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(dòng)盆地內(nèi)不同位置移動(dòng)與變形對(duì)建筑物的影響

在移動(dòng)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(dòng)盆地開采邊界的部分，因受到來自四周壓應(yīng)力的作用，導(dǎo)致建筑物發(fā)生嚴(yán)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(dòng)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(dòng)盆地的中央，避開開采邊界。

二 建筑物壓煤的開采工藝

針對(duì)上述建筑物下采煤對(duì)地面建筑物的損壞和力學(xué)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(dòng)引起的地表移動(dòng)與變形，達(dá)到保護(hù)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(hù)采礦法。隨著回采工作面的推進(jìn)，向采空區(qū)送入充填材料，以進(jìn)行地壓管理、控制圍巖崩落和地表移動(dòng)，并在形成的充填體上或在其保護(hù)下進(jìn)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(hù)壓力，緩減開采產(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn)，提高煤礦采出率，保護(hù)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(yùn)輸充填材料的動(dòng)力不同，分為水力充填、風(fēng)力充填、機(jī)械充填和自溜充填。

(1)矸石充填：將掘進(jìn)巖巷時(shí)出的矸石通過礦車運(yùn)至井下矸石倉，矸石經(jīng)膠帶輸送機(jī)運(yùn)到破碎機(jī)進(jìn)行破碎，將破碎后的矸石進(jìn)入攪拌機(jī)加水?dāng)嚢瑁ㄟ^輸送泵將攪好的水和矸石送到回采工作面進(jìn)行充填，注意矸石破碎時(shí)要經(jīng)過除鐵機(jī)械，防止破碎機(jī)破損。

(2)水砂充填：以水力作為動(dòng)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(shí)，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(dòng)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(dá)到減少地表沉陷的目的。但該采煤法采出率低，掘進(jìn)率高，開采工藝復(fù)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(fù)雜的建筑物，礦區(qū)上方有橋梁、鐵路干線經(jīng)過、文物保護(hù)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(jì)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(qiáng)度，可按 a≥6.56*10-3Hh+b/3-b2/3.6H 計(jì)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(duì)地面的建筑物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(duì)巖石進(jìn)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(xì)統(tǒng)計(jì)地質(zhì)與水文資料進(jìn)行分析，再采用相關(guān)理論對(duì)煤柱的穩(wěn)定性以及地表建筑的位移和變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定合理的力學(xué)參數(shù)度對(duì)地進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，確定具體的條帶寬度和保留條帶寬度。再通過計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)演示開采時(shí)地表移動(dòng)變形對(duì)礦區(qū)上方建筑物的影響，最后確定出最切實(shí)可行的方案實(shí)施開采。