建筑物下采煤.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第五章建筑物下采煤,建筑物下采煤,5-1 地表移动和变形对建筑物的影响,5-2 建筑物保护煤柱设计,5-3 建筑物下采煤技术,5-1 地表移动和变形对建筑物的影响,一、地表移动和变形对建筑物的影响,二、建筑物损坏等级与允许变形,一、地表移动和变形对建筑物的影响,下沉,水平移动,倾斜,曲率,水平变形,地表沉陷,均匀下沉对建筑物本身不会产生破坏,影响管线：水管、气管、电话线、电线,水位上升降低了地基的强度，影响建筑物的使用,下沉,水平移动,均匀水平移动对建筑物本身不会产生破坏,但影响管线,实际是非均匀的,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,五项指标对建筑物影响分析,水平变形和曲率,对建筑物影响最大,倾斜,对高度大、底面积小的建筑物影响大,二、建筑物的破坏等级及允许变形,（1）建筑物的破坏等级,根据建筑物破坏程度对建筑物的破坏进行分级,建筑物的破坏程度取决于：,地表变形大小,本身抵抗变形的能力,砖石结构、混凝土结构、钢筋混凝土,层数、高度、宽高比,一定的建筑物其抵抗变形的能力是一定的，允许变形也是一定的。,实际变形超过允许变形时，建筑物一定程度破坏，超过愈多，建筑物破坏愈严重。,砖石结构建筑物破坏等级。,砖混结构建筑物破坏等级（20m),破坏,等级,倾斜mm/m,曲率,10,-3,/m,水平变形mm/m,处理方式,3.0,0.2,2.0,不修,6.0,0.4,4.0,小修,10.0,0.6,6.0,中修,10.0,0.6,6.0,大修,重建,下沉盆地主剖面上移动角外边界,i=3mm/m，K=0.2,10,-3,/m，,=2mm/m,建筑物的保护等级,保护等级,建筑物名称,明令保护的文物，级火车站，发电厂主厂房，重要堤坝，采动后可能重大生产、伤亡事故的构筑物，工业场地等,高炉、22万伏高压线铁塔、矿区总变电所、,级火车站、三层以上住宅，办公楼、医院、剧院、学校、百贷大楼、电视塔，输水管干线等,、,级火车站，砖瓦平房，二层楼房，村庄民房，钢瓦斯管道，高压线铁塔等,农村木结构房屋，简易仓库，临时建筑物,根据重要性、用途、破坏后可能的后果,(2)建筑物的允许变形,保护,等级,倾斜,mm/m,曲率半径,Km,水平变形mm/m,2.5,20,1.5,5.0,12,3.0,10.0,6,6.0,15.0,4,9.0,不同保护等级的建筑物允许的地表变形最大值,建筑物下采煤的4条技术路线：,留设保护煤柱,建筑物搬迁,减小开采引起的变形,提高建筑物抗变形能力,5-2 建筑物保护煤柱设计,工业场地建筑物和构筑物，矿井主要通风机房及其风道等设施。,国务院明令保护的文物、纪念性建筑物。,采用不搬迁或就地重建采煤在技术上不可能或经济上不合理，搬迁又无法实现或在经济上严重不合理的建筑物或构筑物。,采后重要建筑物或构筑物所在的地表可能产生抽冒、切冒、滑坡等形式的塌陷漏斗坑、突然下沉或滑动崩塌，造成对重要建（构）物地基严重破坏的。,一、需要留设保护煤柱的地面建筑物,建（构）物所在的地表下面潜水位较高，采后因地表下沉导致建（构）物及其附近地面积水，又不能自流排泄或采用人工排泄方法经济上不合理的。,重要河（湖、海）堤、库（河）坝、船闸、泄洪闸、泄水隧道和水电站等大型水工建筑工程。,高速公路、机场跑道。,二、保护煤柱留设原理,在保护对象的下方留一部分煤炭不开采，使其周围的煤炭开采对保护对象不产生危险性的移动和变形。,建筑物受保护面积,地面建筑物本身的面积,建筑物周围增加了围护带后扩展的面积,增加围护带的目的：,抵消留设保护煤柱时移动角的误差,抵消井上下位置关系确定不准确误差,建（构）筑物保护等级与围护带宽度,建筑物保护等级,III,围护带宽度(m),20,15,10,5,围护带尺寸取决于建筑物的重要性和破坏后的后果。,工业广场煤柱,风井煤柱,铁路煤柱,村庄煤柱,毕业设计为保护地面建筑物需留设的煤柱,保护煤柱留设参数,1）移动角,岩层（基岩）移动角,、,、,松散层移动角,黄土层,风化堆积物 45,55,砂层,h,h,采深不同，煤柱留设宽度不同，采深愈大，煤柱留设宽度愈大。冲积层愈厚，煤柱留设宽度愈大,三、垂直剖面法设计保护煤柱,作图法,沿煤层走向和倾向做剖面，在剖面上由岩层移动角确定煤柱宽度，并投影到平面图上，得到保护煤柱边界。,所需资料：,移动角,煤层底板等高线,井田地质剖面,井上下对照图,四、垂线法（计算法）设计保护煤柱,计算从保护边界所做的垂线长度,s=hctan,确定松散层保护边界abcd,向外量一定距离为：,垂线计算,过,a,、,b,、,c,、,d,角点，分别作垂直,ab,、,bc,、,cd,和,ad,直线的垂线，,l,a1,和,l,b,，,q,b,和,q,c1,，,q,c2,和,q,d,，,l,a2,和,l,d,涉及单独线条的保护,对于每条线来说，只有伪倾斜上山方向的移动角,或伪倾斜下山方向的移动角,；,埋深变化，垂线长度不同,垂线法设计保护煤柱分析,ctg,2,=ctg,2,cos,2,+ctg,2,sin,2,ctg,2,=ctg,2,cos,2,+ctg,2,sin,2,伪倾斜基岩移动角和真倾斜基岩移动角的关系,、,、,下山、上山和走向移动角,保护面积边界线与煤层走向所夹的锐角，,=0,=为下山移动角；=为上山移动角,=90,，,=,，,=,为走向移动角,角的讨论,5-3 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,地表移动和变形的各项指标均与最大下沉值成正比,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,1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,充填开采的经济核算曲线,某矿区1990-2001年采煤沉陷土地赔偿费,某矿区1990-2001年采煤村庄搬迁费,某矿区采煤沉陷土地赔偿费与充填成本对比,某矿区村庄搬迁费与充填采煤成本对比,降低充填成本的主要途径,降低充填材料的成本,采用部分充填,:,采空区,条带充填,条带冒,落区注浆充填,离层区分,区隔离充填,采空区,条带充填,Primary key stratum,surface,Backfilled body,（b）Shortwall alternately partial filling,The two modes partial filling,（a）Longwall partial filling,条带冒,落区注浆充填,离层区分,区隔离注浆充填,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%,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(%),4.87,60.02,19.26,粉煤灰占,采煤量%,1.55,0.95,1.91,减少下沉(%),56.9,65.2,35,54,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(%),8.4,3.6,91,2、条带采煤法,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，,采出率小于50%，,巷道掘进多，工作面效率低,b,a,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,b,a,大同白洞居民村下,徐州 韩桥、徐州沛城城下,枣庄、抚顺,阜新平安矿建筑物下,蛟河矿奶子山镇下,四川南桐隧道下,鹤壁九矿工人村下,峰峰矿区,条带+充填,0.02,0.05,条带+垮落,0.05,0.15,条带采煤法,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。,主控参数：,采出率,C,采出条带宽度,b,保留条带宽度,a,条带尺寸设计,采出率C,C,一般为,40,60%,b,a,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b,b,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,b,a,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。,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,a,h,充填条带,垮落条带,条带煤柱强度稳定性评价方法,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。,（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：,式中：,m,立方体煤柱的原位强度，MPa;,c,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：,式中,p,煤柱实际强度，MPa；,m,立方体煤柱强度，MPa；,W,p,条带煤柱宽度，m;,n,当,W,p,/,h,5时，,n,=1.4;,当,W,p,/,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。,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。,威尔逊（Willson）煤柱屈服区宽度简化公式，即：,x,0,=0.00492,hH,式中,x,0,煤柱屈服区宽度，m；,h,煤层采高，m；,H,煤层采深，m。,三、房柱开采,房柱开采适用条件,煤层埋藏深度一般不宜超过,300m,500m,；,煤层厚度,0.8,4.0m,的非近距煤层；,顶板要求坚固密实，掘进巷道可采用非循环锚杆支护的顶板最为理想；,煤层倾角,10,以下，最好为近水平煤层；,底板较平整，不太软，且顶板无淋水；,低瓦斯煤层，且不易自然发火；,煤层硬度：中硬及硬煤层，无坚硬的夹矸或较多的黄铁矿球。,房柱开采与条带开采比较,条带开采的机械化程度较房柱开采差，单产与效率差。房柱开采的设备投资大,条带开采的长期稳定性好于房柱开采,相同采出率时，条带开采地表下沉大于房柱开采,条带开采的适应性较房柱广。,四、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,限厚开采举例,取,=1.5mm/m,H=500m,=10,b=0.3,=0.8,tg,=2,则,m,1043mm,。,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,r,L,r,工程意义上的地表变形不叠加,+,-,+,-,L4r,r,a,b,a,b,L=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=2r,r,a,b,a,b,L=2r,+,-,+,-,L=0.8r,0.4r,a,b,a,b,0.4r,L=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=0.8r,2,max,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=W,0、,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,Harmonic mining,上下工作面协调开采,+,-,0.4r,1,m,1,1,2,+,m,2,0.4r,2,H,1,H,2,l,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。,+,-,0.4r,1,m,1,1,2,+,m,2,0.4r,2,H,1,H,2,l,上下工作面协调开采,+,-,0.4r,1,2,+,0.4r,H,l,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,实例：,兖州吴官庄村下采煤，开采深度260350m，开采煤层两层，分别为0.92和0.98m,工作面走向长,1300m,倾斜长,860m,，地面村庄,495户,，建筑物面积,5万m,2,，采用,双对拉、齐头450m长工作面开采,，使建筑物位于移动盆地的平底部位，两层煤开采后，地面建筑物大多数在级损害以下。,另外在峰峰等矿区也进行了协调开采保护建筑物的试验,试验效果较好。,(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。,+,-,0.4r,合理布置各煤层或上下分层的开采边界,停采线位置对建筑物的影响,（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=W,0,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,+,-,0.4r,1,m,1,1,2,+,m,2,0.4r,2,+,-,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,五、增大建筑物抗变形和适应变形能力的技术（一）刚性措施,（1）设置钢筋混凝土圈梁、钢拉杆等，,主要是针对已有的建筑物采取的措施，在峰峰、铁法等矿区得到了成功应用，可以降低建筑物损害的程度。,（2）抗变形建筑物,国内实践表明，可以抗级以上采动变形（=1317mm/m），目前已在资江、阳泉、峰峰、邢台、徐州、大屯等矿区应用，该法的主要优点是避免重复搬迁，节约搬迁用地，解决多煤层开采，村庄搬迁选址难的问题，抗变形建筑物费用与一般建筑物相比增加20 30%左右。,（3）组装式建筑，已在兖州进行了初步试验。可以方便调整、搬迁和重新组装，一般用于高潜水位矿区。,（二）柔性措施,（1）设置滑动层，减小水平变形影响。如果滑动层设置适当，可极大地减小建筑物的水平变形，传递到建筑物的水平变形与地表水平变形无关，可用于新建和已有建筑物。,（2）挖变形补偿沟，可以吸收2040%的水平压缩变形，减轻压缩变形对建筑物的影响,（3）设变形缝，缩短建筑物长度，增大建筑物抗变形能力,