建筑物下开采.ppt
建筑物下开采,在建筑物下及村庄下采煤，建筑物所受的破坏不仅受开采引起的地表移动和变形的影响，而且与建筑物本身的形状、尺寸及结构类型有关。因此，在建筑物及村庄下采煤，除需设法减少地表移动和变形对建筑物的影响外，还要注意建筑物本身的设计和加固措施。,一、地表移动和变形对建筑物的影响,（一）、下沉,处于地表均匀下沉的建筑物，在工作面推进过程中，要先后受到暂时的拉伸变形和压缩变形的影响。只要建筑物能承受在回采过程中的地表变形的作用，则处于地表均匀下沉区德建筑物受到的危害不打。若地表均匀下沉值较大，将会造成坑洼积水，特别是当下沉后的地表标高低于地下潜水位时，建筑物长期泡在水中，不仅影响建筑物的正常使用，而且影响建筑物本身的强度。,（二）、倾斜,地表倾斜会使建筑物产生倾斜、重心偏移。当倾斜较大时，建筑物重心的投影会转移到基础底面以外，可能造成建筑物倒塌。,（三）、水平变形,水平变形对建筑物影响较大。水平变形通过建筑物基础的地面和侧面，使基础受到土壤的摩擦力、粘着力和被动土压力的作用，在建筑物上产生附加的水平拉伸或者压缩应力。建筑物越长，其受到的附加水平应力越大。,（四）、曲率,地表曲率有正（凸）曲率和（凹）曲率两种。在正曲率的影响下，建筑物基础的两端处于“悬空”状态，建筑物成为中部有支点的双悬臂梁【见右图上】。在负曲率的影响下，建筑物基础成为两端的简之梁【见右图下。当曲率引起的附加应力超过其结构的承载能力时，建筑物会受到破坏，正曲率产生倒八字形断裂，负曲率产生正八字形断裂。曲率一般对底面积小的建筑物影响很小，对长度达的建筑物影响较大。,二、地表移动和变形与建筑物的变形和破坏的关系,（一）地表移动和变形与建筑物的变形的关系,建筑物的变形是由于地表变形的传递给基础引起的。在采动过程中地表产生的下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形都会影响到建筑物。,（二）地表移动和变形与建筑物破坏的关系,地表移动和变形与建筑物破坏的关系取决于地表变形值大小和建筑物本身抵抗变形能力。评定建筑物破坏程度和危险程度状况应以使用安全和结构破坏为依据。对于同一栋建筑物，由于用途不同，衡量其危险程度的标准则不同。用倾斜、曲率和水平变形值来确定长度（或变形缝区段）小于20米的砖石结构建筑物的破坏等级（保护等级）。,三、建筑物下和村庄下采煤的开采措施,（一）减小地表最大 下沉值,地表变形的大小与地表最大下沉值有关，减少地表最大下沉值是减小变形的主要措施。减小地表最大下沉值的主要方法有：（1）：充填开采 采用水砂充填或风力充填采煤法，其下沉系数比长壁跨落法要大大的减少。（2）：部分开采 部分开采主要有条带式采煤法和房式采煤法。这两种采煤法的地表下沉系数较长壁跨落采煤法的地表下沉系数小得多。该方法靠留设尺寸足够的煤柱，以支撑上覆岩层的载荷，控制岩层与地表移动。部分开采的主要缺点是增加煤炭损失,开采厚煤层时煤炭损失更多。（3）分层开采 对于缓缓斜及倾斜厚煤层，采用倾斜分层采煤法，分层分采方案，可以减少地表一次下沉对地表建筑物的影响。分层开采要控制每一分层的开采厚度，使其在开采时所造成的地表变形不超过允许地表变形值。,（二）消除或减少开采影响的叠加,（1）完全开采 在采空区内，残留煤柱对地表产生不利影响。煤柱上方的地表变形，是煤柱两侧采空区引起的地表变形叠加。如下图，观度为AB的煤柱，在其他上方地表水平变形，可以看成是A点左侧采空区引起的地表水平变形 与B点右侧采空区引起的地表变形 的叠加。（2）顺序开采 对于煤层群或厚煤层倾斜分层采煤法，要求按一层一层或一分层一分层的顺序进行开采，待第一分层开采对地表的影响（或大部分）消失后再开采第二层煤层或第二分层。（3）合理地布置各煤层或各分层的开采边界 地下开采对地表的有害影响，主要在开采边界附近的地表，对于煤层群或厚煤层分层开采时，合理地确定各煤层或各分层开采边界的位置，可以减少开采边界上方地表变形的叠加。（4）正确的安排工作面推进方向 对于双翼采区，如上（下）山布置采区中央，上（下）山煤柱会使其上方地表变形加剧。为此，可采用跨上（下）山的推进方式，使工作面连续推进，取消山（下）山煤柱，避免地表变形的叠加，双面采区，有时可以考虑采用反向对称开采，在建筑物中央的下方布置开切眼，向采空区两翼同时开采，随工作面向两翼推进，建筑物处在盆地位置的中央位置。,三、协调开采,协调开采就是当整个煤层或厚煤层数个分层同时开采时，控制各煤层或各分层工作面之间的错距，使地表拉伸变形与压缩变形互相抵消，以达到减小地表水平变形的目的。,（四）消除开采边界的影响,当采用长壁采煤法时，要确定工作面长度与工作面推进长度，尽量使建筑物位于开采后的地表均匀下沉区，这时工作面长度（或工作面推进长度）D应按下式进行计算。式中 H-开采深度 a-充分采动角 b-校正值，一般取十分之一的开采深度 若采用以个工作面单独开采不能达到目的时，可采用台阶状工作面，向同一方向推进，使建筑物位于地表下沉区.,（五）合理地确定工作面与建筑物的相对位置,（1）平行长轴开采 在开采过程中，工作面上方地表拉伸应力产生的断裂，往往平行开采边界。建筑物抵抗变形的能力取决于建筑物的平面形状，矩形建筑物在长轴方向抵抗变形的能力弱于短轴方向。当地面有建筑物群时，工作面应平行于大多数建筑物的长轴布置，以使大多数建筑物具有较长的抗变形能力。（2）合理地确定停采线与建筑物的相对位置 在某些情况下，由于停采线与建筑物相对位置不合理，可能因地表变形的叠加使建筑物遭到破坏。,（六）合理地确定工作面推进速度,（1）连续匀速开采 连续匀速开采就是一个工作面接着一个工作面连续开采，中间不得有停顿或间隔过长。地表移动稳定后的变形较工作面推进过程中的变形（称动态变形）要大，工作面推进速度越大，动态变形值越小。因此，若工作面长期停留在建筑物下方，建筑物将受到较大的动态变形作用。（2）确定合理的工作面推进速度 在开采过程中，工作面经过的地表各点，都要经受从拉伸、压缩到稳定的过程。工作面推进速度越快，地表动态变形越小，对建筑物有利，但加快工作面推进速度会使地表下沉和变形速度增加，对建筑物又不利。因此，确定合理的工作面推进速度，应综合考虑以上两个因素。,四、建筑物下和村庄下采煤的地面保护措施,对建筑物地面保护的原则是：在地表变形作用下，允许建筑物出现破裂或轻微的破坏，但要采取加固措施，增加建筑物的抗变形能力，以便能够保证其正常使用。目前根据我国的实践经验，对地面建筑物的保护措施，主要有以下几种方法。,（一）变形缝,设置变形缝的是将建筑物自屋顶至基础切割成彼此不相连的独立单元体，使地表变形分散到各单元体上，各单元体上受到的变形比整体上受到的变形要小，从而减轻变形的有害影响。,（二）钢筋混凝土圈梁或钢拉杆加固,钢筋混凝土圈梁或钢拉杆加固的作用是加固房屋和切割后的单元体，以便提高建筑物的整体性和刚度，增强建筑物的抗破坏能力。钢筋混凝土圈梁一般设置在基础平面、地下室楼板、上部楼板及檐口水平外墙的四周。钢拉杆一般只适用于建筑物的上部加固。,（三）液压千斤顶调整,采用液压千斤顶调整可以完全消除地表曲率的影响，也可以防止地表倾斜的影响。当采用液压千斤顶调整建筑物时，必须在内、外墙底部预先设置钢板或钢筋混凝土板，以便安放千斤顶，使房屋在千斤顶的作用下整体升降。,（四）变形沟补偿,变形沟补偿是在建筑物外围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沟能减少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。,五、建筑物下采煤的技术体系,建 筑 物 下采煤从技术体系上可分为四大类:1以 支 撑 煤 柱 为核心的开采技术体系;2以 充 填 体为核心的岩层控制技术体系;3以 协 调 开采为核心的变形控制技术体系;4以 建 筑 防护为核心的技术体系。,（一）以支撑煤柱为核心的开采技朮体系,这一 技 术 的主要原则是选取合理的煤柱留设方式，在容许地表变形范围内采出最大煤量。（1）条带法开采 条带 开采 是将一个 区域划分成一个个长条形，采一条，留一条，保留条带用于永久支撑上覆岩体。条带冒落开采时，只要设计合理，开采后上覆岩层破坏的范围很有限，一般情况下各开采条带产生的裂隙带之间不互相连接。因此对地表的影响是轻微且均匀的。按 条 带 长轴沿煤层的走向或倾向布置，条带开采可分为走向条带和倾斜条带;按顶板管理方法，可分为冒落条带和充填条带;一般地说，冒落法走向条带开采应用较普遍。,（2）房柱式开采 与 条带 法 开采相比，房柱式开采留设的是短煤柱，形状从正方形至1:2 的长方形。从岩层控制的角度看，留设煤柱的作用与条带法相同，即永久支撑上部岩体。房柱式开采具有建井工期短、设备投资少、采煤效率高等优点，在采出率适当时，可以有效地控制岩体移动，减小地表下沉。房柱式开采的主要生产装备包括连续采煤机、锚杆机、梭车。当前发展的房柱式开采，新技术包括遥控采煤和连续运输系统的应用。煤柱 尺 寸 设计是房柱式采煤的一个关键问题。图1是按辅助面积计算煤柱尺寸的示意图。从实际资料看，美国最常用的煤柱宽度为10-15m，长度为18m。在不回收煤柱情况下，采出率为40%-60%。,（3）煤柱加固法 为了 提 高 煤柱的支撑能力，可以采用对煤柱进行加固的方法。用尺寸较小的刚性煤柱起到与大煤柱相同的岩层控制效果，从而提高采出率。强化煤柱支撑能力有两种机制，一是改变煤柱的受力状态，由单向受力提高到双向或三向受力状态;二是提高煤柱自身的强度和刚度。研 究表明，带围压的煤样的抗压强度远大于煤的单向抗压强度。因此，改变煤柱的受力状态能提高煤柱的承压能力。如在条带开采时，沿保留煤柱的煤壁充填一个高强度保护带，既起到支撑作用，同时也限制了煤体横向变形的进一步发展，如图2所示。采用 主 动 支护方式提高煤柱的强度，锚杆加固是经济有效的一种方式。锚杆的作用是在煤体内部形成一个加固带，从而提高自身支撑能力。目前普遍采用的机械式锚杆和树脂锚杆都可用来加固煤体，相比而言树脂锚杆成本要高些，但加固效果更好。为了提高加固效率，钢带、金属网和桁架作为辅助加固方式可以配合使用。如图3所示。煤体 化 学 加固是提高煤柱支撑能力的另一个途径。利用机械压注等方法，将化学浆液注人已经产生裂隙的煤体中，改变煤体的物理力学性质，提高其强度和整体性。化学加固的材料有水泥一水玻璃类、不饱合聚酷类、脉醛树脂类、聚氨醋类等，目前应用最好的是聚氨醋树脂材料。从加固工艺方面看，木锚杆用于加固煤壁操作简便，效果较好。,（二）以充填体为核心的岩层控制技术体系,地下 采 矿后以充填体控制覆岩移动的实践已有很长的历史。其基本原理是在深人研究覆岩运动规律的基础上，充分利用可能的充填空间，在经济、有效的条件下，使充填体和岩层形成一个稳定机构，从而实现有效的岩层控制。根据充填体所处的位置，可分为采空区充填和岩层内充填两大类。（1）采空区充填法 用充 填 法 管理顶板，从直观上理解，是用充填材料置换煤炭。只要充填及时、密实、工艺得当，可以大幅度减小上覆岩层的破坏程度，不出现冒落带，从而显著减小地表下沉值。表1给出了各种充填方法地表下沉值的范围=。1、在 各 类井下充填方法中，以水砂充填效果最好，但在不具备条件时，可用简易充填法，如研石带状充填，歼石自溜充填等都可因地制宜地采用。,2、采 用 冒落区注浆方法。这种方法是将膏状浆液充填到工作面后方冒落但尚未压实的矸石中，与矸石骨架胶结共同支撑上覆岩层载荷。充填材料采用粉煤灰、洗煤厂浮选尾矿、经过破碎过筛的研石以及锻烧厂废料等工业废物配以某些添加剂调配而成的高浓浆液，工作面充填系统安装在综采输送机上，随工作面推进而推进，这种方法的特点是用水量小且迅速被冒落矸石吸收，克服了水砂充填的滤排水难题，并且充填与采矿平行作业，对工作面劳动生产率影响较小。这种方法已在德国研制成功，我国已开始试验。3、利 用 条带充填体采出全部煤炭同时保护地面建筑物的技术研究取得一些进步。其思路是首先布置条带，采出率50%;然后充填采出条带;再开采原保留的煤柱。这祥最后将由充填条带支撑上覆岩体。4、在 部 分开采条件下从地面打钻一直到井下老采空区，向老空区注充填材料，从而确保煤柱的长期稳定性。这种方法有时称为点支撑法，如图4所示。,5、为 了减缓开采边界的变形集中，在开采边界充填一个带，可以减小最大变形。采 空 区 充填法的优点是能有效地减小地表下沉，其缺点是一要有充填系统，二要有充填材料，三是工艺复杂，有时还干扰采煤，四是使吨煤成本提高。因此，选用充填法时应进行综合经济技术对比。（2）离层带注桨充填法 煤 层 上 覆岩层力学性质差异大，当下软上硬时，煤层采后覆岩在垂直方向上的移动呈现时间和空间上的不连续性，即产生离层。利用这一规律进行大范围岩层控制成为近年来一个重要的发展方向。,离层注浆充填有以下几个作用:(1)直接充填离层空间，从而减少复岩的位移量。以空隙扩散的理论，充填体将占据空间隙。（2）支撑上复岩体，形成稳定机构。当充填柱具有足够强度时，即成为上覆岩层的支撑体。(3)浆液中的水引起岩石膨胀，减少了有效空间。当坚硬岩层下部为膨胀岩时，遇水则引起岩石体积增大。(4)挤压下位岩层，使之密实。地面高压注浆能够对离层下覆岩层施加压力，使下部的离层和孔隙压密。以大 范 围 岩层控制为目的岩层内部注浆方案，需要对以下问题进行研究:(1)分 析 地质采矿条件，特别是覆岩结构特征，以判断离层产生的可能性;(2)进 行 注浆设计，包括钻孔的位置和深度，充填设备的选型，充填材料的选择，注浆充填体的强度，充填时间等;(3)充 填 体的长期稳定分析;(4)地 面 下沉观测和注浆效果分析。,（3）以建筑防保护为核心的技术体系 地下 采 煤 导致地表产生移动和变形，可以分解为下沉和水平移动，倾斜、曲率和水平变形，地表平面内的剪应变。对地面建筑而言、不同性质的变形对房屋的影响各不相同。均匀的地表下沉和水平移动，不会对房屋构成附加应力，但其余各项变形都会对房屋造成危害。地面建筑防护措施是指对建筑物地基、基础、上部结构，提出强化措施，对建筑物形状、尺寸进行优化设计，从而提高房屋的抗变形能力。主要技术措施有以下几点：1、柔性保护措施。这 一措 施 的实质是引导变形集中。具体作法是人为地在建筑物上部结构或地基基础上形成弱面，用以吸收部分(甚至全部)采动引起的地表变形，或阻断地表变形的传递和扩展，或使房屋具有足够的柔性以适应地表变形，从而减小房屋结构中的附加应力和可能的变形。常用的柔性措施包括地表变形补偿沟、基础滑动层、结构变形缝、人工砂土地基垫层以及墙体中的变形吸收带等。,2、刚性保护措施 使房 屋 具 有足够的强度和刚度，以抵抗地基采动变形影响的措施称为刚性保护措施。常用的刚性保护措施包括设置抗变形基础板、基础围梁与联系梁、层间围梁和构造柱，以及现浇整体板、柱下条形基础等变形控制措施。对农村房屋，若允许房屋在经历采动后出现轻微变形但小修即可的条件下，以局部采取刚性保护措施较为合理。3、采前加固采后维修的方案 对低 潜 水 位矿区农村，根据对房屋的全面调查，可对房屋采用部分加固、危房拆除的方法，再辅以协调开采措施，实施村庄下不搬迁开采，采后再对有损害的房屋进行维修。4、建造抗变形结构房屋 就地 重 建 抗变形结构房。然后开采其下压煤解决了几个方面的难题。首先解决了村址难选的问题;其次通过新建房屋，采取有力的刚性措施，使房屋的抗变形能力成倍增加;第三，节省了征地搬迁费用，总体经济效益是合理的。抗变 形 结 构房屋的设计是在对采动地表变形预计的基础上进行的。设计以抵抗地表水平变形和曲率为主要参数，考虑刚性和柔性保护措施相结合。在柔性措施方面，变形缝和基础滑动层是常采用的措施。对刚性措施，主要采用了刚性构件，如基础圈梁、层间圈梁和构造柱。经过十几年的研究，设计研究和实用技术已逐步成熟。这一技术成为解决村下压煤的一条有效技术途径。对高 潜 水 位矿区，需根据预计下沉量，对村庄地基预垫抬高，并进行地基处理，使地下采煤后地面不至积水。按预计地表变形值设计抗变形结构房屋，然后实施村下采煤。,
