特殊采煤法5

保护建筑物技术措施河南理工大学安全技术培训学院尹士献保护建筑物技术措施建筑物下采煤的井下开采技术措施地面保护措施井下、地面协同作用保护建筑物建筑物下采煤的井下开采技术措施建筑物下采煤的目的：采出煤炭资源尽可能地减少建筑物受损害的程度。规程规定的建筑物压煤容许开采的条件井下采取开采技术措施地面对建筑物要采取加固维修措施。1）在缓倾斜和倾斜厚煤层浅部,采用倾斜分层2）急倾斜煤层（浅部）采用分层间歇式采煤法严禁无限制地放煤煤层顶板坚硬不易冒落时要人工强制放顶。煤层露头处应保留足够高度的煤柱3）若建筑物位于煤层露头附近或其下方有浅部煤层或煤层上方覆岩为石灰岩地层，需查明建筑物下方是否有老窑、废巷、岩溶、老井以及他们被充填的程度一、防止地表突然下沉和塌陷二、既能减少地表下沉又能减少地表变形的井下开采技术措施cos0mW地表移动和变形的各项指标均与最大下沉值成正比00bWUrWi00rbW0052.120052.1rWK使建筑物重心偏移，增加了附加力，影响稳定性。危害程度与建筑物高度成正比。烟囱、水塔、电杆一般平房影响不大。倾斜平面曲面，在正负曲率作用下，应力重新分布平面状态：建筑物的作用力和地基的反作用力平衡曲率正曲率建筑物顶部开裂负曲率建筑物底部开裂使建筑物受拉或受压拉伸变形危害最大[拉][压]几倍—几十倍拉伸变形大于1mm/m，砖石结构出现细小的竖向裂隙。水平变形拉伸变形压缩变形压缩变形较大时，墙壁压碎，地板鼓起，围墙褶曲1、充填法处理采空区充填法处理采空区水砂充填风力充填矸石自溜充填水砂充填法,地表最大下沉值仅为采厚的815%，专门的充填设备和设施，充填材料，吨煤成本中增加充填费用水砂充填采煤法814p2-291110912151318763516141721—行人斜井；2—砂仓；3—注砂室；4—斜井；5—地面清水池；6—注砂管；7—流水上山；8—流水道；9—沉淀池；10—排泥罐；11—水仓；12—水泵；13—排泥矿车；14—吸水井；15—排水管；16—运砂矿车；17—供水管；18—已充填的采空区2条带开采技术条带开采技术原理条带开采设计方法条带开采沉陷预计条带开采工程实例条带开采技术原理煤层划分为若干条带，各条带相间开采，采出条带采出后，由保留条带支撑上覆岩层重量。条带采煤法能够有效地减少地表变形，减少地表下沉量可达8090%主要缺点是采出率低，采出率30～60%，巷道掘进多，工作面效率低ba条带划分的类型以条带面推进方向走向条带搬家少稳定性差倾斜条带搬家多稳定性好ba条带采煤法的适用条件地面为密集建筑群、结构复杂的或纪念性的建筑物；难搬迁的村庄；铁路桥梁、隧道或铁路干线下；水体下的煤层及受岩溶承压水威胁的上方煤层；条带采煤法开采的理想地质条件：煤层埋深小于400500m，单一薄及中厚煤层，厚度比较稳定，顶底板岩层和煤层较硬。条带开采注意的问题上行开采顺序有利于保留条带基本不再受重复采动影响。当煤层间距较小时上下煤层或上下分层的煤柱要对齐。保留条带中尽量不开掘巷道或少开掘巷道不得随意扩大采出条带宽度和缩小保留条带宽度。回采巷道采用锚杆支护能起到加固保留条带的作用。主控参数：采出条带宽度b保留条带宽度a采出率C设计方法：经验方法基于关键层的方法条带开采设计方法采出率C%100babCC一般为4060%ba地表要避免出现波浪形下沉盆地采宽等于或大于三分之一埋深时，地表就要出现波浪形的下沉盆地。采出条带宽度bbHab应等于或小于（1/101/4）H我国已有的采出条带宽度多在1050m采出条带宽度b取决于保留条带的宽度和采出率bababCC=Constant，ba当采出率恒定时，采出煤柱宽度增加时，保留条带宽度也增加，煤柱稳定性也增加。CCbaCaCb1111babbaCbabC采出条带宽度b取决于保留条带的宽度和采出率保留条带宽度a（1)稳定性要求宽高比要求25hahaah充填条带垮落条带煤柱稳定性评价方法可归纳为两类：一是极限强度理论；另一是渐进破坏理论。极限强度理论的煤柱稳定判别条件为：选择“辅助面积法”求取煤柱载荷；按比涅乌斯基公式求取煤柱强度。0.2~5.1ppPF条带煤柱强度稳定性评价方法（2）条带煤柱强度确定方法由实验室较小尺寸试样获得的煤块单轴抗压强度，通过下式来计算立方体煤柱的原位强度：9.0Dcm式中σm——立方体煤柱的原位强度，MPa;σc——实验室试样的平均单轴抗压强度，MPa；D——实验室圆柱体试样的直径或立方体试样的边长，m。考虑煤柱形状的影响，各国学者提出多个煤柱强度的估算公式，目前应用较多且实用性更强的为比涅乌斯基（Bieniawski）公式，其具体计算公式为：npmphW)/36.064.0(式中σp——煤柱实际强度，MPa；σm——立方体煤柱强度，MPa；Wp——条带煤柱宽度，m;n——当Wp/h＞5时，n=1.4;当Wp/h＜5时，n=1。渐进破坏理论认为：煤体变形破坏是一个复杂而渐近的过程。对应煤体变形破坏过程的三个阶段，可将煤柱变形破坏分成三个区，即松弛区、塑性区及弹性区。松弛区塑性区松弛区塑性区弹性区x00x渐进破坏理论的煤柱稳定判别条件为：选择威尔逊公式计算煤柱屈服区宽度。%6520ppWxW威尔逊（Willson）煤柱屈服区宽度简化公式，即：x0=0.00492hH式中x0——煤柱屈服区宽度，m；h——煤层采高，m；H——煤层采深，m。条带开采沉陷预计方法概率积分法数值模拟法实测纠偏法通过地面钻孔向开采后正在离层的岩层缝隙中进行高压注浆，使岩体进一步碎裂可减少下沉80年代抚顺局老虎台矿减少下沉56.965.2%增加成本3、采空区离层带中高压注浆离层带高压注浆效果注浆效果抚顺老虎台大屯徐庄兖州东滩浆液占采煤量(%)4.8760.0219.26粉煤灰占采煤量%1.550.951.91减少下沉(%)56.965.23554注浆效果开滦唐山新汶华丰南桐东林浆液占采煤量(%)24.59—14粉煤灰占采煤量%1.46—1.32减少下沉(%)8.43.691三、减少地表变形的井下开采技术措施能减少地表变形但不能明显减少地表下沉1、限厚开采（微分层开采）建筑物允许的水平变形为[]开采后地表最大的水平拉伸变形为maxmax[]一次采出厚度由最大允许水平变形值max来决定限厚开采1cos,,52.100maxmWtgHrrbWcos52.1][tgbHm][cos52.1cos52.1maxHtgmbtgHmb限厚开采举例取[]=1.5mm/mH=500m=10b=0.3=0.8tg=2则m1043mm。cos52.1][tgbHm实际中开采上有困难2、消除或减少开采引起的地表变形不利叠加，利用地表变形有利叠加近距离煤层群厚煤层分层拉伸变形与拉伸变形叠加拉伸变形与压缩变形叠加停采线开采边界（1）上下分层或上下煤层间歇开采在先采的煤层或分层引起的地表移动稳定后再继续开采相邻的分层或煤层限制了同时开采的采厚消除上下煤层或分层开采影响相互叠加问题：工作面接替不利于巷道维护时间长集中生产（2）尽量实行无煤柱开采，避免在建筑物下残留尺寸不当的煤柱阶段、水平、大巷、上下山和区段煤柱，以及断层煤柱。LrLr,工程意义上的地表变形不叠加+-+-L＞4rrababL=2r时，地表变形叠加，但峰值比原来的最大值略大a+b略大于max+-+-L=2rrababL=2r+-+-L=0.8r0.4rabab0.4rL=0.8r时,地表变形峰值叠加a+b=2max因此建筑物不宜布置在这类煤柱上L=0.8r2maxε=εε=2εε1maxε(c)4r11ε2rε2ε=εε(a)+120.8r2εεmaxε21ε1=ε2max+21max采空区内残留的煤柱对地表水平变形的影响煤柱宽度煤柱宽度小于1015mm压酥（不会对地表产生不利影响）煤柱宽度大于1520mm,对地表产生不利影响,建筑物应避开（3）布置较长的工作面，使建筑物仅受动态变形超充分采动盆地中央W=W0、i=0，K=0、=0，U=0+-+-r使建筑物位于盆地中央利用上下煤层或上下分层同时开采所产生的地表拉伸变形与压缩变形相互抵消,减少开采对地表的影响上下煤层或上下分层协调开采同一煤层相邻工作面协调开采（4）工作面协调开采Harmonicmining上下工作面协调开采+-0.4r1m112+m20.4r2H1H2l)(4.0)(4.02121tgHtgHrrl两层煤错开的距离l结果：少受一次拉伸变形当上煤层较薄下煤层较厚时，使最大拉伸变形减少。+-0.4r1m112+m20.4r2H1H2l上下工作面协调开采tgHrrl8.0)4.04.0(+-0.4r12+0.4rHl建筑物仅承受初采工作面最大拉变形和最终工作面的压缩变形问题：采掘接替和巷道布置有特定的要求，我国未广泛应用。上下工作面协调开采同煤层相邻工作面协调开采锯齿形工作面台阶形工作面原理：先采的部分为非充分采动，变形量小；让后采的工作面的拉伸变形与先采工作面的压缩变形抵消一部分。++-+--台阶形工作面+-+-同煤层相邻工作面协调开采问题：管理困难(5)合理布置各煤层或上下分层的开采边界避免建筑物位于开采影响边界避免建筑物承受拉伸变形尤其是避免最大拉伸变形，即避开0.4r处。+-0.4rδδ2m1m00δ(a)m1m00δ(b)2212++--1合理布置各煤层或上下分层的开采边界3、停采线位置对建筑物的影响(c)0.8r(a)0.8r(b)区空采未采区筑未(d)d建区采空物区采（a）建筑物受双倍拉伸变形；（b）建筑物受双倍压缩变形；（c）建筑物受最大倾斜作用；（d）建筑物受最大剪切变形矩形建筑物长轴方向抗变形能力较小短轴方向抗变形能力较大位于区段内时，工作面应平行于建筑物长轴布置推进方向为充分采动，变形值最大，建筑物短轴方向抗变形能力较大。合理确定建筑物与开采区域的相对位置建筑物位于区段外时，工作面应垂直建筑物长轴方向布置0.4r侧边拉伸变形最大，让抗变形能力较大的短轴方向垂直于区段的长轴方向。合理确定建筑物与开采区域的相对位置避免工作面与建筑物长轴斜交，承受长期拉变形工作面应以主要或大多数建筑物的长轴方向为准来布置推进方向4、对称背向开采保护孤立的建筑物建筑物抗压缩变形能力大，[压]＞[拉]开切眼位位于建筑物正下方，使建筑物不承受拉伸变形，而承受叠加后较大的压缩变形。U=0，W=W0为避免建筑物承受较大的压缩变形，在建筑物下方r/2处开切眼，建筑物承受少量拉伸变形和少量压缩变形++++r/2开采边界处理原则上建筑物应避开开采边界当不可避免地位于开采边界位置处时，边界要处理上下煤层和上下分层合理边界位置+-0.4r1m112+m20.4r2+-边界充填矸石充填水砂粉煤灰+-+-锯齿状边界非充分采动的压缩变形和充分采动的拉伸变形相互抵消一部分问题：设备、采煤方法，采出率三、建筑物和土地的保护措施（一）变形缝1、变形缝的作用2、设置变形缝的位置3、变形缝宽度的确定（二）钢拉杆1、钢拉杆的作用2、钢拉杆的设置（三）钢筋混凝土圈梁1、钢筋混凝土圈梁的作用2、钢筋混凝土圈梁的设置（四）变形补偿沟