《建筑物下開采》PPT課件.ppt

1、建筑物下開采,在建筑物下及村莊下采煤，建筑物所受的破壞不僅受開采引起的地表移動和變形的影響，而且與建筑物本身的形狀、尺寸及結構類型有關。因此，在建筑物及村莊下采煤，除需設法減少地表移動和變形對建筑物的影響外，還要注意建筑物本身的設計和加固措施。,一、地表移動和變形對建筑物的影響,（一）、下沉,處于地表均勻下沉的建筑物，在工作面推進過程中，要先后受到暫時的拉伸變形和壓縮變形的影響。只要建筑物能承受在回采過程中的地表變形的作用，則處于地表均勻下沉區(qū)德建筑物受到的危害不打。若地表均勻下沉值較大，將會造成坑洼積水，特別是當下沉后的地表標高低于地下潛水位時，建筑物長期泡在水中，不僅影響建筑物的正常使用，

2、而且影響建筑物本身的強度。,（二）、傾斜,地表傾斜會使建筑物產生傾斜、重心偏移。當傾斜較大時，建筑物重心的投影會轉移到基礎底面以外，可能造成建筑物倒塌。,（三）、水平變形,水平變形對建筑物影響較大。水平變形通過建筑物基礎的地面和側面，使基礎受到土壤的摩擦力、粘著力和被動土壓力的作用，在建筑物上產生附加的水平拉伸或者壓縮應力。建筑物越長，其受到的附加水平應力越大。,（四）、曲率,地表曲率有正（凸）曲率和（凹）曲率兩種。在正曲率的影響下，建筑物基礎的兩端處于“懸空”狀態(tài)，建筑物成為中部有支點的雙懸臂梁【見右圖上】。在負曲率的影響下，建筑物基礎成為兩端的簡之梁【見右圖下。當曲率引起的附加應力超過其結

3、構的承載能力時，建筑物會受到破壞，正曲率產生倒八字形斷裂，負曲率產生正八字形斷裂。曲率一般對底面積小的建筑物影響很小，對長度達的建筑物影響較大。,二、地表移動和變形與建筑物的變形和破壞的關系,（一）地表移動和變形與建筑物的變形的關系,建筑物的變形是由于地表變形的傳遞給基礎引起的。在采動過程中地表產生的下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形都會影響到建筑物。,（二）地表移動和變形與建筑物破壞的關系,地表移動和變形與建筑物破壞的關系取決于地表變形值大小和建筑物本身抵抗變形能力。評定建筑物破壞程度和危險程度狀況應以使用安全和結構破壞為依據。對于同一棟建筑物，由于用途不同，衡量其危險程度的標準則不同。

4、用傾斜、曲率和水平變形值來確定長度（或變形縫區(qū)段）小于20米的磚石結構建筑物的破壞等級（保護等級）。,三、建筑物下和村莊下采煤的開采措施,（一）減小地表最大 下沉值,地表變形的大小與地表最大下沉值有關，減少地表最大下沉值是減小變形的主要措施。減小地表最大下沉值的主要方法有： （1）：充填開采 采用水砂充填或風力充填采煤法，其下沉系數比長壁跨落法要大大的減少。 （2）：部分開采 部分開采主要有條帶式采煤法和房式采煤法。這兩種采煤法的地表下沉系數較長壁跨落采煤法的地表下沉系數小得多。該方法靠留設尺寸足夠的煤柱，以支撐上覆巖層的載荷，控制巖層與地表移動。部分開采的主要缺點是增加煤炭損失,開采厚煤層時

5、煤炭損失更多。 （3） 分層開采 對于緩緩斜及傾斜厚煤層，采用傾斜分層采煤法，分層分采方案，可以減少地表一次下沉對地表建筑物的影響。分層開采要控制每一分層的開采厚度，使其在開采時所造成的地表變形不超過允許地表變形值。,（二） 消除或減少開采影響的疊加,（1） 完全開采 在采空區(qū)內，殘留煤柱對地表產生不利影響。煤柱上方的地表變形，是煤柱兩側采空區(qū)引起的地表變形疊加。如下圖，觀度為AB的煤柱，在其他上方地表水平變形 ， 可以看成是A點左側采空區(qū)引起的地表水平變形 與B點右側采空區(qū)引起的地表變形 的疊加。 （2） 順序開采 對于煤層群或厚煤層傾斜分層采煤法，要求按一層一層或一分層一分層的順序進行開采

6、，待第一分層開采對地表的影響（或大部分）消失后再開采第二層煤層或第二分層。 （3） 合理地布置各煤層或各分層的開采邊界 地下開采對地表的有害影響，主要在開采邊界附近的地表，對于煤層群或厚煤層分層開采時，合理地確定各煤層或各分層開采邊界的位置，可以減少開采邊界上方地表變形的疊加。 （4） 正確的安排工作面推進方向 對于雙翼采區(qū)，如上（下）山布置采區(qū)中央，上（下）山煤柱會使其上方地表變形加劇。為此，可采用跨上（下）山的推進方式，使工作面連續(xù)推進，取消山（下）山煤柱，避免地表變形的疊加，雙面采區(qū)，有時可以考慮采用反向對稱開采，在建筑物中央的下方布置開切眼，向采空區(qū)兩翼同時開采，隨工作面向兩翼推進，建

7、筑物處在盆地位置的中央位置。,三、協調開采,協調開采就是當整個煤層或厚煤層數個分層同時開采時，控制各煤層或各分層工作面之間的錯距，使地表拉伸變形與壓縮變形互相抵消，以達到減小地表水平變形的目的。,（四） 消除開采邊界的影響,當采用長壁采煤法時，要確定工作面長度與工作面推進長度，盡量使建筑物位于開采后的地表均勻下沉區(qū)，這時工作面長度（或工作面推進長度）D應按下式進行計算。 式中 H-開采深度 a-充分采動角 b-校正值，一般取十分之一的開采深度 若采用以個工作面單獨開采不能達到目的時，可采用臺階狀工作面，向同一方向推進，使建筑物位于地表下沉區(qū).,（五） 合理地確定工作面與建筑物的相對位置,（1）

8、平行長軸開采 在開采過程中，工作面上方地表拉伸應力產生的斷裂，往往平行開采邊界。建筑物抵抗變形的能力取決于建筑物的平面形狀，矩形建筑物在長軸方向抵抗變形的能力弱于短軸方向。當地面有建筑物群時，工作面應平行于大多數建筑物的長軸布置，以使大多數建筑物具有較長的抗變形能力。 （2） 合理地確定停采線與建筑物的相對位置 在某些情況下，由于停采線與建筑物相對位置不合理，可能因地表變形的疊加使建筑物遭到破壞。,（六） 合理地確定工作面推進速度,（1）連續(xù)勻速開采 連續(xù)勻速開采就是一個工作面接著一個工作面連續(xù)開采，中間不得有停頓或間隔過長。地表移動穩(wěn)定后的變形較工作面推進過程中的變形（稱動態(tài)變形）要大，工作

9、面推進速度越大，動態(tài)變形值越小。因此，若工作面長期停留在建筑物下方，建筑物將受到較大的動態(tài)變形作用。 （2） 確定合理的工作面推進速度 在開采過程中，工作面經過的地表各點，都要經受從拉伸、壓縮到穩(wěn)定的過程。工作面推進速度越快，地表動態(tài)變形越小，對建筑物有利，但加快工作面推進速度會使地表下沉和變形速度增加，對建筑物又不利。因此，確定合理的工作面推進速度，應綜合考慮以上兩個因素。,四、建筑物下和村莊下采煤的地面保護措施,對建筑物地面保護的原則是：在地表變形作用下，允許建筑物出現破裂或輕微的破壞，但要采取加固措施，增加建筑物的抗變形能力，以便能夠保證其正常使用。目前根據我國的實踐經驗，對地面建筑物的

10、保護措施，主要有以下幾種方法。,（一）變形縫,設置變形縫的是將建筑物自屋頂至基礎切割成彼此不相連的獨立單元體，使地表變形分散到各單元體上，各單元體上受到的變形比整體上受到的變形要小，從而減輕變形的有害影響。,（二） 鋼筋混凝土圈梁或鋼拉桿加固,鋼筋混凝土圈梁或鋼拉桿加固的作用是加固房屋和切割后的單元體，以便提高建筑物的整體性和剛度，增強建筑物的抗破壞能力。鋼筋混凝土圈梁一般設置在基礎平面、地下室樓板、上部樓板及檐口水平外墻的四周。鋼拉桿一般只適用于建筑物的上部加固。,（三）液壓千斤頂調整,采用液壓千斤頂調整可以完全消除地表曲率的影響，也可以防止地表傾斜的影響。當采用液壓千斤頂調整建筑物時，必須

11、在內、外墻底部預先設置鋼板或鋼筋混凝土板，以便安放千斤頂，使房屋在千斤頂的作用下整體升降。,（四） 變形溝補償,變形溝補償是在建筑物外圍從地表挖掘一定深度的溝槽，其作用是吸收地表壓縮變形。在房屋四周挖掘變形溝能減少土壤對房屋基礎埋入部分和地下室的壓力，也可用來減輕水平變形對基礎底面的影響。,五、建筑物下采煤的技術體系,建 筑 物 下采煤從技術體系上可分為四大類: 1以 支 撐 煤 柱 為核心的開采技術體系; 2以 充 填 體為核心的巖層控制技術體系; 3以 協 調 開采為核心的變形控制技術體系; 4以 建 筑 防護為核心的技術體系。,（一）以支撐煤柱為核心的開采技朮體系,這一 技 術 的主要原

12、則是選取合理的煤柱留設方式，在容許地表變形范圍內采出最大煤量。 （1）條帶法開采 條帶 開采 是將一個 區(qū)域劃分成一個個長條形，采一條，留一條，保留條帶用于永久支撐上覆巖體。條帶冒落開采時，只要設計合理，開采后上覆巖層破壞的范圍很有限，一般情況下各開采條帶產生的裂隙帶之間不互相連接。因此對地表的影響是輕微且均勻的。 按 條 帶 長軸沿煤層的走向或傾向布置，條帶開采可分為走向條帶和傾斜條帶;按頂板管理方法，可分為冒落條帶和充填條帶;一般地說，冒落法走向條帶開采應用較普遍。,（2） 房柱式開采 與 條帶 法 開采相比，房柱式開采留設的是短煤柱，形狀從正方形至1:2 的長方形。從巖層控制的角度看，留

13、設煤柱的作用與條帶法相同，即永久支撐上部巖體。 房柱式開采具有建井工期短、設備投資少、采煤效率高等優(yōu)點，在采出率適當時，可以有效地控制巖體移動，減小地表下沉。房柱式開采的主要生產裝備包括連續(xù)采煤機、錨桿機、梭車。當前發(fā)展的房柱式開采，新技術包括遙控采煤和連續(xù)運輸系統的應用。 煤柱 尺 寸 設計是房柱式采煤的一個關鍵問題。圖1是按輔助面積計算煤柱尺寸的示意圖。從實際資料看，美國最常用的煤柱寬度為10-15m，長度為18m。在不回收煤柱情況下，采出率為40%-60%。,（3）煤柱加固法 為了 提 高 煤柱的支撐能力，可以采用對煤柱進行加固的方法。用尺寸較小的剛性煤柱起到與大煤柱相同的巖層控制效果，

14、從而提高采出率。強化煤柱支撐能力有兩種機制，一是改變煤柱的受力狀態(tài)，由單向受力提高到雙向或三向受力狀態(tài);二是提高煤柱自身的強度和剛度。 研 究表明，帶圍壓的煤樣的抗壓強度遠大于煤的單向抗壓強度。因此，改變煤柱的受力狀態(tài)能提高煤柱的承壓能力。如在條帶開采時，沿保留煤柱的煤壁充填一個高強度保護帶，既起到支撐作用，同時也限制了煤體橫向變形的進一步發(fā)展，如圖2所示。 采用 主 動 支護方式提高煤柱的強度，錨桿加固是經濟有效的一種方式。錨桿的作用是在煤體內部形成一個加固帶，從而提高自身支撐能力。目前普遍采用的機械式錨桿和樹脂錨桿都可用來加固煤體，相比而言樹脂錨桿成本要高些，但加固效果更好。為了提高加固效

15、率，鋼帶、金屬網和桁架作為輔助加固方式可以配合使用。如圖3所示。 煤體 化 學 加固是提高煤柱支撐能力的另一個途徑。利用機械壓注等方法，將化學漿液注人已經產生裂隙的煤體中，改變煤體的物理力學性質，提高其強度和整體性?；瘜W加固的材料有水泥一水玻璃類、不飽合聚酷類、脈醛樹脂類、聚氨醋類等，目前應用最好的是聚氨醋樹脂材料。從加固工藝方面看，木錨桿用于加固煤壁操作簡便，效果較好。,（二）以充填體為核心的巖層控制技術體系,地下 采 礦后以充填體控制覆巖移動的實踐已有很長的歷史。其基本原理是在深人研究覆巖運動規(guī)律的基礎上，充分利用可能的充填空間，在經濟、有效的條件下，使充填體和巖層形成一個穩(wěn)定機構，從而實

16、現有效的巖層控制。根據充填體所處的位置，可分為采空區(qū)充填和巖層內充填兩大類。 （1）采空區(qū)充填法 用充 填 法 管理頂板，從直觀上理解，是用充填材料置換煤炭。只要充填及時、密實、工藝得當，可以大幅度減小上覆巖層的破壞程度，不出現冒落帶，從而顯著減小地表下沉值。表1給出了各種充填方法地表下沉值的范圍=。1、 在 各 類井下充填方法中，以水砂充填效果最好，但在不具備條件時，可用簡易充填法，如研石帶狀充填，殲石自溜充填等都可因地制宜地采用。,2、 采 用 冒落區(qū)注漿方法。這種方法是將膏狀漿液充填到工作面后方冒落但尚未壓實的矸石中，與矸石骨架膠結共同支撐上覆巖層載荷。充填材料采用粉煤灰、洗煤廠浮選尾礦

17、、經過破碎過篩的研石以及鍛燒廠廢料等工業(yè)廢物配以某些添加劑調配而成的高濃漿液，工作面充填系統安裝在綜采輸送機上，隨工作面推進而推進，這種方法的特點是用水量小且迅速被冒落矸石吸收，克服了水砂充填的濾排水難題，并且充填與采礦平行作業(yè)，對工作面勞動生產率影響較小。這種方法已在德國研制成功，我國已開始試驗。 3、 利 用 條帶充填體采出全部煤炭同時保護地面建筑物的技術研究取得一些進步。其思路是首先布置條帶，采出率50%;然后充填采出條帶;再開采原保留的煤柱。這祥最后將由充填條帶支撐上覆巖體。 4、在 部 分開采條件下從地面打鉆一直到井下老采空區(qū)，向老空區(qū)注充填材料，從而確保煤柱的長期穩(wěn)定性。這種方法有

18、時稱為點支撐法，如圖4所示。,5、為 了減緩開采邊界的變形集中，在開采邊界充填一個帶，可以減小最大變形。采 空 區(qū) 充填法的優(yōu)點是能有效地減小地表下沉，其缺點是一要有充填系統，二要有充填材料，三是工藝復雜，有時還干擾采煤，四是使噸煤成本提高。因此，選用充填法時應進行綜合經濟技術對比。 （2）離層帶注槳充填法 煤 層 上 覆巖層力學性質差異大，當下軟上硬時，煤層采后覆巖在垂直方向上的移動呈現時間和空間上的不連續(xù)性，即產生離層。利用這一規(guī)律進行大范圍巖層控制成為近年來一個重要的發(fā)展方向。,離層注漿充填有以下幾個作用:(1)直接充填離層空間，從而減少復巖的位移量。以空隙擴散的理論，充填體將占據空間隙

19、。（2）支撐上復巖體，形成穩(wěn)定機構。當充填柱具有足夠強度時，即成為上覆巖層的支撐體。(3)漿液中的水引起巖石膨脹，減少了有效空間。當堅硬巖層下部為膨脹巖時，遇水則引起巖石體積增大。(4)擠壓下位巖層，使之密實。地面高壓注漿能夠對離層下覆巖層施加壓力，使下部的離層和孔隙壓密。 以大 范 圍 巖層控制為目的巖層內部注漿方案，需要對以下問題進行研究: (1) 分 析 地質采礦條件，特別是覆巖結構特征，以判斷離層產生的可能性; (2) 進 行 注漿設計，包括鉆孔的位置和深度，充填設備的選型，充填材料的選擇，注漿充填體的強度，充填時間等; (3) 充 填 體的長期穩(wěn)定分析; (4) 地 面 下沉觀測和注

20、漿效果分析。,（3） 以建筑防保護為核心的技術體系 地下 采 煤 導致地表產生移動和變形，可以分解為下沉和水平移動，傾斜、曲率和水平變形，地表平面內的剪應變。對地面建筑而言、不同性質的變形對房屋的影響各不相同。均勻的地表下沉和水平移動，不會對房屋構成附加應力，但其余各項變形都會對房屋造成危害。地面建筑防護措施是指對建筑物地基、基礎、上部結構，提出強化措施，對建筑物形狀、尺寸進行優(yōu)化設計，從而提高房屋的抗變形能力。主要技術措施有以下幾點：1、柔性保護措施。這 一措 施 的實質是引導變形集中。具體作法是人為地在建筑物上部結構或地基基礎上形成弱面，用以吸收部分(甚至全部)采動引起的地表變形，或阻斷地表變形的傳遞和擴展，或使房屋具有足夠的柔性以適應地表變形，從而減小房屋結構中的附加應力和可能