建筑物下壓煤開采地表變形控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

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摘要：膏體充填采煤是一種把煤矸石、粉煤灰、工業(yè)爐渣、城市固體垃圾等加工成膠結(jié)性或非膠結(jié)性膏狀漿液，然后利用充填泵或自溜通過管道輸送到井下，部分或全部充填采空區(qū)，形成以膏體充填體為主體的覆巖支撐體系，控制地表沉陷在建筑物允許值范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)村莊不搬遷，安全開采建筑物下壓煤，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的開采方法。膏體充填采礦技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，是煤炭工業(yè)貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、實(shí)現(xiàn)綠色采礦的重要舉措，具有“高安全性、高采出率、環(huán)境友好”的基本特征，是一種新的綠色采礦技術(shù)，也是21世紀(jì)采礦技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，因此，文章對建筑物下壓煤開采地表變形控制技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：建筑物下;壓煤開采;地表變形

引言

開采沉陷理論主要研究覆巖移動(dòng)規(guī)律和覆巖破壞機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)行為。采礦工作者和測量工作面分別從不同的角度對巖層移動(dòng)和地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了研究，前者偏重于采動(dòng)巖體行為的力學(xué)機(jī)理分析，是通過對覆巖破壞、變形、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，進(jìn)而分析地表變形破壞情況，而后者偏重于采動(dòng)巖體行為的統(tǒng)計(jì)分析與描述，是通過對地表變形破壞規(guī)律的研究，再分析覆巖的變形、破壞情況，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面均取得了豐碩的成果。

1開采地表沉陷的理論研究現(xiàn)狀

地下有用煤炭被采出后，開采區(qū)域周圍的巖體原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，造成應(yīng)力重新分布，并尋求新的平衡，從而使巖層和地表產(chǎn)生移動(dòng)變形和非連續(xù)性破壞，這種現(xiàn)象稱為“煤礦開采沉陷”，隨著地下開采工作面的推進(jìn)，采場頂板的變形過程與上覆巖層的變形過程是不同的，即采場的頂板巖層變形、層面開裂、彎曲、離層，達(dá)到極限跨距開始斷裂、垮落，形成初次垮落乃至周期性垮落過程。開采沉陷是煤礦開采對環(huán)境影響的一個(gè)重要方面，井工開采與環(huán)境保護(hù)是當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的主題之一，也是廣大科技工作者的課題之一，尋求科學(xué)合理的解決途徑是當(dāng)代科技工作人員不可推卸的責(zé)任。

近年來隨著科學(xué)技術(shù)和研究手段的提高，開采沉陷理論研究得到了進(jìn)一步發(fā)展。特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使數(shù)值模擬和人工智能被成功用到開采沉陷研究中，進(jìn)行連續(xù)或非連續(xù)介質(zhì)的大變形分析，為研究大范圍巖層移動(dòng)規(guī)律提供了條件。如唐春安等研究與開發(fā)的——RFPA，能夠真實(shí)的模擬開采過程中，覆巖變形、離層、斷裂及地表沉陷規(guī)律，為采場覆巖移動(dòng)規(guī)律研究提供了一種新方法;美國明尼蘇達(dá)ITASCA軟件公司開發(fā)的FLAC、FLAC、UDEC、UDEC、PFC等一系列大型商業(yè)化計(jì)算軟件，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于地理勘探、土木建筑、采礦等行業(yè)。1988年謝和平利用非線性大變形有限元程序?qū)ο锏篮筒蓤鲆鸬膸r層移動(dòng)進(jìn)行了定量和定性分析，取得了理想效果，為巖層移動(dòng)定量和定向的預(yù)測提供了一種新方法;1989年何滿潮的非線性光滑有限元法研究了軟巖強(qiáng)度低、變形能量大的力學(xué)機(jī)制，建立了軟巖工程的設(shè)計(jì)方法;麻鳳海應(yīng)用離散元法研究了巖層移動(dòng)的時(shí)空過程，對巖體開采沉陷的狀況進(jìn)行了很好的模擬。高延法采用粘塑性有限元法對巖層移動(dòng)計(jì)算研究，認(rèn)為地表水平移動(dòng)是巖層與松散沖積層傾斜變形引起的，水平移動(dòng)值取決于傾斜和表土層翹曲變形兩種因素?？梢哉f，我國在巖層移動(dòng)和開采沉陷的理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面都取得了巨大的成就。

2開采地表沉陷控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者、專家和工程技術(shù)人員為了減弱開采對地面建筑物、水體、鐵路、橋梁、管路、通訊光纜等設(shè)施的損害，保護(hù)農(nóng)田及生態(tài)環(huán)境，開發(fā)了許多控制覆巖及地表沉陷的技術(shù)措施，發(fā)展到今天成為我國主要控制地表沉陷的“三下”開采技術(shù)，其主要方法和技術(shù)特點(diǎn)如下：

2.1留設(shè)保護(hù)煤柱法

該方法多用于保護(hù)工業(yè)廣場、井筒及重要建筑物或用于淺部開采，其針對不同的保護(hù)對象，留設(shè)一定尺寸的保護(hù)煤柱，再對煤柱外的煤炭資源進(jìn)行開采回收。這種方法對保護(hù)地面建筑物與設(shè)施無疑是最有效的，但通常造成煤炭資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。雖然在礦井報(bào)廢時(shí)可設(shè)法回采，但采出率低。同時(shí)，由于煤柱留設(shè)尺寸的特殊性，使得煤柱外采區(qū)與工作面布設(shè)難度增大，制約高效生產(chǎn)。

2.2采空區(qū)充填法

采空區(qū)充填方法早在原蘇聯(lián)及波蘭應(yīng)用較多，我國自上世紀(jì)60年代開始引進(jìn)該技術(shù)，主要有：水砂充填、風(fēng)力充填、矸石自溜充填、矸石帶狀充填、條帶加充填等方法。采用此法不僅可以降低開采對覆巖的破壞程度，而且可使地表沉陷控制在較小范圍內(nèi)。同時(shí)，矸石回填井下采空區(qū)，也做到了廢物的再利用，減少了占地及環(huán)境污染，此法在我國已經(jīng)受到重視和關(guān)注。其特點(diǎn)在于，開采工序增多，影響生產(chǎn)效率，生產(chǎn)成本及礦井建設(shè)投資增大。

充填開采中，水砂充填應(yīng)用最多，減沉效果也最好，地表下沉系數(shù)為q=0.1～0.3，同時(shí)，減沉效果也隨充填材料的不同而變化。風(fēng)力充填時(shí)，材料運(yùn)輸比較簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、充填能力大，但是風(fēng)力充填對充填材料的粒度要求較高，而且需要專門的壓風(fēng)機(jī)，充填機(jī)和充填管路，電耗大、管路磨損快，其充填控制地表下沉系數(shù)為q=0.3～0.4。在我國，由于水砂充填開采系統(tǒng)復(fù)雜、成本高等原因，逐漸減少其應(yīng)用，近十多年來，國內(nèi)幾乎未采用該技術(shù)進(jìn)行煤炭開采。

近年來，王悅漢、楊寶貴等研究了煤礦采空區(qū)膠結(jié)充填控制地表沉陷的相關(guān)理論，劉長友、謝文兵等采用數(shù)值計(jì)算對充填開采時(shí)圍巖的活動(dòng)規(guī)律及其穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，周華強(qiáng)對充填工藝及其地表沉陷進(jìn)行較為深入的研究，提出的膏體充填采煤法在現(xiàn)場得到了應(yīng)用，取得了初步成果。

2.3部分開采法

部分開采法主要包括條帶（協(xié)調(diào)）開采法、房柱式開采法、刀柱開采法及限厚開采法等。該開采法在保證地表不出現(xiàn)波浪式下沉的條件下，選擇適當(dāng)?shù)牟闪舯?，可采?0%～60%的煤炭資源。

（1）條帶開采，條帶開采是把要開采的煤層劃分成比較正規(guī)的條帶進(jìn)行開采，采一條，留一條，利用保留的煤柱支撐上覆巖層，從而減少覆巖沉陷，控制地表移動(dòng)和變形，達(dá)到保護(hù)地面的目的。其優(yōu)點(diǎn)是：不改變采煤工藝，大幅度減少地表沉陷。

條帶開采主要應(yīng)用于以長壁開采為主的中國及歐洲各國。自1967年以來，我國在撫順、阜新、蛟河、淄博、平頂山、峰峰等應(yīng)用條帶開采法回采建筑物下、鐵路下、水體下壓煤，取得了許多有益的經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)成為一種有效的建筑物下采煤方法。

按頂板管理方式，條帶開采可以分為冒落條帶開采和充填條帶開采。冒落條帶法，地表下沉系數(shù)一般為q=0.10～0.20。當(dāng)煤柱寬度偏小時(shí)，地表下沉系數(shù)將增大。冒落條帶開采在撫順、阜新、蛟河、峰峰、鶴壁、平頂山、徐州等許多礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用。

條帶開采后使用水砂材料充填采空區(qū)（即水砂充填條帶法），可以進(jìn)一步提高地表下沉地控制效果。如波蘭采用水砂充填條帶法開采卡托維茲、貝托姆等多座城市下煤炭資源，地表下沉系數(shù)僅為q=0.009～0.036，撫順勝利礦采用該法開采某車輛修理廠、大型石油煉制廠下保護(hù)煤柱，地表下沉系數(shù)僅為q=0.012～0.013，均實(shí)現(xiàn)了安全開采。

（2）房式及房柱式開采，房式及房柱式開采的實(shí)質(zhì)是在煤層中開掘一系列5m～7m寬的煤房，煤房間用聯(lián)絡(luò)巷相連，形成近似于矩形的煤柱，煤柱寬度由數(shù)米至十幾米不等，回采在煤房中進(jìn)行。煤柱不回收的稱為房式開采，煤柱回收的稱為房柱式開采。由于房式開采與房柱式開采巷道布置基本相似，因此美國現(xiàn)在將這兩種方法統(tǒng)稱為房柱式開采法。

在我國，神華集團(tuán)大柳塔礦曾采用房柱式開采，回收不適于布置長壁工作面的邊角煤，雞西礦務(wù)局小恒山礦將該法應(yīng)用于薄煤層開采，而陜西黃陵礦是我國第一個(gè)完全采用連續(xù)采煤機(jī)房柱式開采設(shè)計(jì)的大型礦井。房柱式開采采出率一般為50%～60%，地表下沉系數(shù)q=0.35～0.68，房柱式開采的主要問題是如何保證房柱的長期穩(wěn)定，避免大面積垮落。

2.4采空區(qū)冒矸空隙注漿充填

采空區(qū)冒落矸石空隙注漿充填技術(shù)是在采空區(qū)冒落矸石之間的空隙未被壓實(shí)之前注入漿液予以充填，充填材料膠結(jié)冒落巖塊后，一起支撐上覆巖層，起到控制地表沉陷的作用。上世紀(jì)90年代初，德國礦冶技術(shù)公司（DMT）與魯爾煤炭公司合作，在摩諾泊爾（Monopol）、瓦爾蘇蒙（Walsum）等煤礦，采用該技術(shù)充填冒落的采空區(qū)，控制地表下沉并處理固體廢棄物。因其充填的目的是處理固體廢棄物，是在直接頂冒落后才進(jìn)行充填，所以，充填程度不夠，地表下沉系數(shù)較大，q=0.30～0.40，介于水砂充填與風(fēng)力充填之間。但由于德國煤礦相繼關(guān)閉，該技術(shù)沒能進(jìn)一步深入開展下去。此外，我國王建學(xué)等對該技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)理論研究。

2.5覆巖離層區(qū)注漿

覆巖離層區(qū)注漿技術(shù)最早是由蘇聯(lián)學(xué)者提出的，其實(shí)質(zhì)是煤層開采后，巖層發(fā)生彎曲變形。當(dāng)巖層間的剪應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，將出現(xiàn)層間錯(cuò)動(dòng)。若各巖層的剛度不同時(shí)，其撓度變形不協(xié)調(diào)，巖層出現(xiàn)分離，形成了離層。離層注漿是利用覆巖運(yùn)動(dòng)過程形成的離層空間，通過地面打鉆至可利用的離層空間，由鉆孔向離層空間注漿進(jìn)行充填，從而控制離層空間上方巖體的變形破壞，控制地表沉陷。

隨著現(xiàn)場試驗(yàn)點(diǎn)的不斷增加，覆巖離層區(qū)注漿的相關(guān)理論研究也成為采礦學(xué)術(shù)界的一個(gè)熱點(diǎn)，有關(guān)上覆巖層離層規(guī)律、離層區(qū)注漿減沉機(jī)理等論文和專著紛紛面世。但國內(nèi)采礦學(xué)者對這項(xiàng)新技術(shù)的評價(jià)一直存在分歧，特別是對控制地表沉陷效果上認(rèn)識不一。王金莊等根據(jù)深部鉆孔測點(diǎn)觀測認(rèn)為，離層帶內(nèi)的離層空間最大占開采空間的30%～40%，離層區(qū)注漿減沉效果一般在30%左右，最大達(dá)40%。楊倫深入討論了離層注漿的理論實(shí)質(zhì)后認(rèn)為，離層形成的空間體積較小，即使全部注入充填物，其減沉效果也十分有限，在對極不充分開采條件下的下沉系數(shù)進(jìn)行修正后，經(jīng)重新計(jì)算得出已進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)的實(shí)際減沉效果應(yīng)為15%～20%左右而不會(huì)更高。

3結(jié)論

膏體充填采煤是一種把煤矸石、粉煤灰、工業(yè)爐渣、城市固體垃圾等加工成膠結(jié)性或非膠結(jié)性膏狀漿液，然后利用充填泵或自溜通過管道輸送到井下，部分或全部充填采空區(qū)，形成以膏體充填體為主體的覆巖支撐體系，控制地表沉陷在建筑物允許值范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)村莊不搬遷，安全開采建筑物下壓煤，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的開采方法。作為煤礦綠色開采技術(shù)的重要組成部分，膏體充填技術(shù)能夠把固體廢棄物利用與采動(dòng)破壞、地表沉陷控制有機(jī)結(jié)合起來，做到地表破壞程度低、煤炭資源采出率高、廢棄物資源化利用，并保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。膏體充填采礦技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，是煤炭工業(yè)貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、實(shí)現(xiàn)綠色采礦的重要舉措，具有“高安全性、高采出率、環(huán)境友好”的基本特征，是一種新的綠色采礦技術(shù)，也是21世紀(jì)采礦技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，因此，文章對建筑物下壓煤開采地表變形控制技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

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作者簡介：黃?。?998.05）男，漢族，貴州省威寧縣人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究。

六盤水師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2021cxcy55）。