利用固体充填开采方法保护建筑群安全的研究

1、利用固体充填开采方法保护建筑群安全的研究    摘要：我国煤矿建筑物下压煤量占总压煤量的69 ，同时每年要向地面排放45亿t以上的固体废弃物，因此，研究利用固体废弃物充填开采方法，在保证地表建筑物安全性的基础上，高效开采出下压煤炭资源意义重大文章应用数值模拟方法，对建筑物下压煤开采所引起的岩层移动过程进行模拟，系统分析了采场围岩塑性区分布及地表沉陷量变化规律，由计算结果分析得知，应用固体充填开采法与无充填直接开采相比，采场围岩破坏单元数较少，围岩稳定性受影响较小，减少地表沉陷量效果明显以数值模拟结果作为参考，研制了长臂综采矸石充填开采工艺的配套设备，并在

2、某矿建筑物下压煤炭开采的实际应用中取得良好效果，有效控制了地表变形，保证了建筑物的安全性和资源的高效开采关键词：固体充填；建下开采；地表沉陷在矿产资源日益短缺的情况下，“三下”矿山的开采对经济发展有着重要的意义我国建筑物下压煤量为9468×10 t，占总压煤量的69_1，严重影响矿井的正常生产和资源回收，缩短了矿井的服务年限另一方面，我国煤矿历年向地面累计堆放45亿t以上的固体废弃物，不仅占用大量土地，而且还会不断污染环境因此，利用固体废弃物将地下煤炭资源置换出来，既保证地表建筑群的安全，同时又能达到资源高效开采利用的目的1 建筑物下开采的研究现状建筑物一般能够承受一定程度的地表变形

3、而不发生明显损坏，其所能允许的地表变形值，称为建筑物临界变形值通常以地表变形值来判断建筑物可能破坏的程度，通过地表变形值定出建筑物不同破坏等级针对这一情况，我国建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程制定了具体的砖混结构建筑物破坏(保护)等级标准，严格控制开采引起的地表变形，以保证建筑物群的安全在掌握采动覆岩及地表沉陷规律的条件下，为了避免对地面建筑物等设施的损害，国内外学者开发出许多控制覆岩及地表沉陷的技术措施，主要有留设保护矿柱法，井下采空区充填法，局部开采法，离层充填法等 而我国在建筑物下的采矿方法，主要采用充填采矿法和条带开采法充填采矿法是适应各种开采技术条件，实现地下矿山无

4、废料排放至地表的唯一采矿方法充填采矿法既可以减少上覆岩层的破坏程度，又可以显著地减少地表移动和变形充填采矿法依据充填动力可分为人力充填、风力充填、干粉充填、水力充填等 其中固体废弃物(如矸石等)充填采矿法随着技术和设备的发展，正越来越多地应用于建筑下压资源的开采此法不仅适应性强，矿石采出率高，作业较安全，同时能够利用工业废料，减少对环境的污染其主要的技术思路是将矿山固体废弃物通过投料钻孔投放到井下，经运输系统运送到工作面的采空区，随着工作面的推进，通过相应配套设备实现对采空区充填夯实，以进行地压管理，控制围岩崩落和地表变形而矸石作为矿山开采的固体废弃物，是一种成本较为低廉的充填材料，再次重复利

5、用不仅可以保护矿山环境而且还能置换出宝贵的矿产资源 充填开采的工业性试验多数在“三下”状况下开展，为此，缪协兴等 提出计算固体充填采煤的等价采高方法，就是经过长期压实流变以后的等量最大开挖高度，采用传统岩层移动和地表沉陷分析方法，由等价采高H。计算出的岩层移动和地表沉陷量即最大极限量，这正是工程实践中所要的预测指标2 数值模型的建立为研究固体废弃物充填开采法对地表建筑群安全性的影响，本文模拟建筑物下压煤的开采所引起的岩层移动过程，尤其对岩层塑性区分布和地表沉陷量的变化规律做了系统分析在数值模拟过程中，为了使计算结果比较接近实际情况，对岩体介质、计算模型、矿山地质条件、受力条件、采矿工艺及采矿方

6、法等都作了必要的假设假设矿岩为各向同性、均质且符合MohrCoulumb弹塑性模型的介质，在同等条件下，二维数值模拟结果与三维数值模拟的计算结果比较接近，因此，计算模型简化为二维平面模型对于巷道工程等不予考虑，模拟时简化为实体应用FLAC(fast Lagrangian analysis for continuum)数值计算软件，建立平面应变计算模型，围岩本构关系采用MohrCoulumb模型，模型几何尺寸为400 m×400 m，煤层厚度为5 m，埋深300 m，下覆岩层总厚度为100 m工作面从左向右推进，开挖步距为10 m模型底部约束垂直方向位移，左右两边约束水平方向位移根据不

7、同建筑物的高度，地表分别模拟了普通厂房，高层建筑，普通建筑为方便对比分析，模拟方案为：方案1，直接开采；方案2，间隔充填；方案3，全部充填模型示意图见图1在地表布置监测点，检测地表位移，通过数值模拟得到覆岩破坏及地表位移场变化规律本文在充填体的模拟中，采用矸石的岩石力学参数21 塑性区分布特征图2分别给出了随采场推进，不同模拟方案下的采场覆岩塑性区分布云图为突出不同方案对地表建筑物安全性能的影响，分别选取采场推进距离b为110，200，270 m时采场塑性区分布云图进行分析在采动初期，采场推进至110 m 时，对于3种不同模拟方案，其工作面围岩破坏情况差异不大随采动进行，方案1(不充填，直接进

8、行长臂开采模拟方案)在采空区周围逐渐形成了相当数量的破坏区单元，当采场推进至270 m 时，达到最大，其中上盘相对破坏单元较多，主要表现为拉伸破坏和剪切破坏，采空区顶板位移明显，变形较大；与之相比，方案2(间隔充填开采模拟方案)、方案3(充填开采模拟方案)中的充填体随采动全部达到了塑性极限，在采空区周围形成的破坏区单元较少，其中以方案3中的破坏区单元最少，顶板围岩变形较小，极少崩落由此可知，采场上覆岩层破坏区域越大，越影响自身稳定性，从而直接导致地表沉陷，对采场上方地表建筑物安全性构成直接威胁方案1：22 地表沉降量分析图3给出了3种不同模拟方案地表沉降量的变化曲线1)当采场推进至110 m时

9、，方案1监测点地表垂直位移为894 mm，方案2监测点地表垂直位移为418mm，方案3监测点地表位移为392 mm其中方案2和3地表沉陷量相差不大，全部充填较间隔充填方案减沉率为6 ；但方案2较方案1减沉率达53 ，方案3较方案1减沉率为56 ，就此数据来看，方案2与方案3减沉效果无明显差距2)随工作面推进，当采空区位于长度较大的普通厂房下方，即采场推进至140 In时，三种模拟方案的地表检测点沉陷量分别为922，473，410 mm方案2和3与方案1相比，减沉效果明显，减沉率分别达到了49 和55 此时全部充填对于间隔充填方案，地表沉陷量减小了63 mm，这对长度较大承受变形能力较差的建筑物

10、来说，至关重要3)-1-_作面推进至高层建筑下方，即采场推进至200 m 时，3种模拟方案地表监测点的垂直位移分别为1 156，548，464 mm此时，方案3减沉率达到60 ，减沉效果十分明显4)当采场推进至普通建筑下方，即采空区位于270 m位置时，3种模拟方案的地表沉陷量分别为967，491，446 mm根据建筑物下开采的相关规程，方案2和3对普通建筑物的破坏等级为工级，建筑物为轻微损坏，对建筑物影响不大5)由图3可知，方案3地表沉陷量变化曲线相比于其他两种方案，其变化趋势更为平稳，无大幅度波动，说明采用无间隔固体充填方案开采，地表沉陷量受采动影响相对较小，建筑物破坏等级均在I级以下，有

11、效保证了地表建筑物的稳定性由上述分析可知，采用矸石充填后，可以大幅度降低地表沉陷，同时充填体的支撑作用能使上覆岩层不出现整体跨落，对于工作面上方的岩层移动控制效果良好，最大限度地限制地表沉陷量，有效确保地表建筑物的安全性但由于不同建筑物承受破坏等级不同，充填方案的选择实施，还要具体考虑到地表建筑物的类别，以便能够充分发挥充填体的作用，同时兼顾经济效益3 设备开发由数值模拟结果可知，长臂综采工作面矸石充填开采工艺对于减轻开采沉陷灾害，保证地表建筑物的安全有很好的效果，同时可以减少煤矿固体废弃物排放，提高矿井资源回收率，是实现煤矿绿色开采的关键技术之一此工艺包括长臂工作面综采和采空区矸石充填两部分

12、研发综采充填采煤技术关键就是研制与充填综采相配套的设备其中，采煤设备主要有采煤机、刮板输送机等，充填设备主要有自夯式充填液压支架、充填开采输送机等31 自夯式充填液压支架至今，综合机械化固体充填采煤液压支架已经发展到了第4代自夯式充填开采液压支架是综合机械化充填开采工作面主要装备之一，它与采煤机、刮板输送机、充填开采输送机、夯实机配套使用，起着管理顶板隔离围岩、维护作业空间的作用，与刮板输送机配套能自行前移，推进采煤工作面连续作业同时，它还有独立的夯实机构，在物料充填入采空区后，通过此设备对物料进行推压夯实，使充填物料在推压接顶的基础上达到一定的致密度其结构原理如图所示32 充填开采输送机充填

13、开采输送机由刮板输送机改造而成，悬挂在自夯式充填液压支架的后部尾梁上，其溜槽底部开设卸料孑L，可将充填材料卸至各充填点，其结构原理如图5所示4 现场实测应用建筑物下综合机械化充填采煤技术，以某矿工作面矸石充填综采为例，其地表基本条件为村庄、学校等建筑物，采深740 m，平均采高2 m，其地表沉陷预计与实测情况见表2从表2中可以看到，如非充填开采，地面下沉达到1 O19 mm，在多雨季节易造成积水等；采用矸石充填开采，则地面变形等级仅为轻微，无需对房屋实施加固或维修目前，该工程已接近充分采动，实测到的地表变形量很小5 结语通过数值模拟软件，建立建筑物下资源开采的平面应变模型，采用3种不同开采方案

14、进行模拟，分析采动时塑性区变化规律和地表沉陷量由模拟结果可知，不同开采方法对地表沉陷具有重要影响其中固体废弃物充填开采相比于无充填直接开采，采空区围岩破坏单元较少，自身稳定性受采动影响较小；充人采空区的固体废弃物占据了采煤形成的大部分空间，有效控制了上覆岩层移动，减小地表沉陷量效果明显，有效保证了地面建筑物的安全性参照数值模拟结果，开发并研制了与充填综采相配套的设备，其中，采煤设备主要有采煤机、刮板输送机等，充填设备主要有自夯式充填液压支架、充填开采输送机自夯式充填开采液压支架作为综合机械化充填开采工作面主要装备之一，应用于某矿建筑物下压煤炭资源的开采，通过现场实测，地面变形量很小，等级仅为轻微，无需对房屋实施加固或维修由于不同建筑物抗变形能力不同，因此，要根据矿区地表的具体情况，如建筑物的密集程度，建筑物类型，开采深度等，对具体充填开采方案做出选择，从而节约成本，创造更大的经济效益利用综采固体充填采煤技术能够提高建筑物下煤炭采出率，延长矿井服务年限，同时实现了固体废弃物的处理，改善了矿区周边环境参考文献：1钱鸣高，缪协兴，许家林，等岩层控制的关键层理论M徐州：中国矿业大学出版社，20032杨逾，刘文生，缪协兴，等我国采煤沉陷及其控制研究现状与展望J中国矿业，2007，46(7)：4346