浅谈建筑物下压煤的开采工艺

柴然 李鹏 高宇

(辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000)

我国煤矿建筑物下压煤问题十分突出，尤其是村庄下的压煤。现在大多数煤矿集团以村庄搬迁、采空压煤的手段为主，这样导致建筑物被破坏、农村耕地大面积荒芜，并且造成地面下沉，严重影响当地的生态环境，因此对建筑物下采煤工艺进行介绍与分析。

一 地表移动与变形对建筑物的影响

井田开采形成采空区，引起地表产生移动和变形，破坏了建筑物与地基之间的原始平衡状态。伴随着力系的重新建立，使建筑物受力不再均衡，在建筑物结构中附加新的应力，从而导致建筑物变形，当这些变形超过了建筑物所能承受的最大抗形变能力时，建筑物就被破坏，产生裂缝，甚至倒塌。

1.开采沉陷对建筑物的损害

(1)下沉：煤矿在开采时不仅仅只形成采空区，还会使地下水大量流失，使地面的承压能力下降，再在重力的作用下造成地面下沉。若地表均匀下沉时，建筑物的结构不会产生新的应力，对本身不会带来破坏，但当地表下沉量过大，改变了建筑物所处的环境，降低了地基的强度，致使建筑物破坏或废弃。

(2)地表倾斜：原岩在形成的过程中影响的因素很多，建筑物所处的原岩的性质和所受的应力状态不同，煤田在开采的过程中，地表的变形程度不同，比如先开采的地方地面先下沉、原岩应力变化快的地方下沉量大，从而导致建筑物重心偏离，引起建筑物歪斜，在建筑物内部产生附加力矩，使基础承载压力重新分布。倾斜对底面积小而高度大的建筑物损害明显。

(3)曲率：曲率变形将原来建筑物的基础由平面变为曲面，使建筑物部分或全部切入地基。在正、负曲率的作用下，建筑物产生倒八字合正八字形的裂缝，裂缝的最大宽度在其下端。

(4)水平变形：水平变形对建筑物的破坏作用很大。由于建筑物抵抗拉伸能力远小于抵抗压缩的能力，较小的地表拉伸变形就能使建筑物产生开裂性裂缝，砖砌体的结合缝易被拉开。压缩较大时，可使建筑物墙壁和地基压碎，底板鼓起，产生剪切和挤压裂缝，可使门窗口挤成菱形，砖砌体产生水平裂缝，围墙产生褶曲或屋顶鼓起。

2.移动盆地内不同位置移动与变形对建筑物的影响

在移动盆地内不同位置的建筑物受到的影响差别也很大。位于移动盆地开采边界的部分，因受到来自四周压应力的作用，导致建筑物发生严重的压缩变形;位于开采边界拐角内外的建筑物是地表变形最敏感的地方，这些地方受到的力矩变化迅速、变形较大，建筑物的破坏也较大;位于移动盆地，建筑物受到应力作用比较稳定，受影响程度最小;在拉伸变形区和压缩变形区过度的位置，建筑物倾斜变形最大，因此开采应注意建筑物所处的位置、方向，应尽量使建筑物位于移动盆地的中央，避开开采边界。

二 建筑物压煤的开采工艺

针对上述建筑物下采煤对地面建筑物的损坏和力学原因，要采取合适的开采技术措施，从而有效地减少或控制采动引起的地表移动与变形，达到保护建筑物的目的。到目前为止，我国最常用的充填开采和条带开采的方法。

1.充填开采法

充填采矿法属人工支护采矿法。随着回采工作面的推进，向采空区送入充填材料，以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动，并在形成的充填体上或在其保护下进行回采。该法可以有效减少地表下沉和变形，减小巷道和工作面支护压力，缓减开采产生的矿压显现，提高煤矿采出率，保护地面建筑物和生态环境。按照充填材料的不同，充填采矿法分矸石充填、水砂充填和膏体充填，按运输充填材料的动力不同，分为水力充填、风力充填、机械充填和自溜充填。

(1)矸石充填：将掘进岩巷时出的矸石通过矿车运至井下矸石仓，矸石经胶带输送机运到破碎机进行破碎，将破碎后的矸石进入搅拌机加水搅拌，通过输送泵将搅好的水和矸石送到回采工作面进行充填，注意矸石破碎时要经过除铁机械，防止破碎机破损。

(2)水砂充填：以水力作为动力通过管道把充填材料砂浆送入采空区。在贮砂室，砂与水混合成砂浆，经充填管路送至工作面采空区，并在采空区进行脱水，砂子形成真正充填体，废水经采区排水管道流进采区沉淀池，将沉淀后的水流入水仓，用水泵将水排至地面贮水池，以供循环利用。水砂充填法充填致密，能有效地缓和地表下沉和变形，但其工艺系统复杂，设备及设施投资大，充填材料昂贵，大大提高了吨煤成本。

(3)膏体充填法：膏体是由煤矸石、粉煤灰、水砂、水泥等组成。充填时，膏体通过泵压或重力经管道输送到液压支架后的采空区。膏体充填技术的核心是膏体充填材料，注浆材料要有良好的脱水性和流动性。

2.条带开采法

条带采煤法是将开采的煤层划分为若干条带，然后相间开采，有保留条带支撑顶板及上覆岩层，以达到减少地表沉陷的目的。但该采煤法采出率低，掘进率高，开采工艺复杂，效率低，成本高。

该方法主要适用于地面建筑物十分密集、结构复杂的建筑物，矿区上方有桥梁、铁路干线经过、文物保护单位重要建筑，难以搬迁的村庄，湖泊、河流、水库等永久水体，由于技术和经济上的原因不适于采取建筑物加固或充填开采措施，煤层埋藏深度小于400～500m，煤层层数少，厚度比较稳定，断层少的开采区。

条带采煤法的主要参数是采出条带的宽度、保留条带宽度和采出率。为防止地表出现波浪形下沉盆地，采出条带宽度不宜大于埋深的三分之一。保留条带应有足够的宽度和强度，可按 a≥6.56*10-3Hh+b/3-b2/3.6H 计算，其中 a为保留带宽度、H为采深、h为采高、b为采出条带宽度。

使用条带采煤法开采前要对地面的建筑物进行统计和研究，比如建筑物的结构类型、建造年限、是否存在名胜古迹等等，并且要对岩石进行钻孔取样，确定岩体的性质与结构组成、受力状况以及岩层的厚度等，要详细统计地质与水文资料进行分析，再采用相关理论对煤柱的稳定性以及地表建筑的位移和变形进行预测，确定合理的力学参数度对地进行数值模拟计算，确定具体的条带宽度和保留条带宽度。再通过计算机模拟系统演示开采时地表移动变形对矿区上方建筑物的影响，最后确定出最切实可行的方案实施开采。