建筑物下壓煤開采地表變形控制技術研究現狀

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摘要：膏體充填采煤是一種把煤矸石、粉煤灰、工業爐渣、城市固體垃圾等加工成膠結性或非膠結性膏狀漿液，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，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，實現村莊不搬遷，安全開采建筑物下壓煤，保護礦區生態環境的開采方法。膏體充填采礦技術的開發應用，是煤炭工業貫徹落實科學發展觀、實現綠色采礦的重要舉措，具有“高安全性、高采出率、環境友好”的基本特征，是一種新的綠色采礦技術，也是21世紀采礦技術的重要發展方向之一，因此，文章對建筑物下壓煤開采地表變形控制技術國內外研究現狀進行分析。

關鍵詞：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規律和覆巖破壞機理及其動力學行為。采礦工作者和測量工作面分別從不同的角度對巖層移動和地表沉陷規律進行了研究，前者偏重于采動巖體行為的力學機理分析，是通過對覆巖破壞、變形、運動規律的研究，進而分析地表變形破壞情況，而后者偏重于采動巖體行為的統計分析與描述，是通過對地表變形破壞規律的研究，再分析覆巖的變形、破壞情況，在理論研究和實際應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狀

地下有用煤炭被采出后，開采區域周圍的巖體原始應力平衡狀態受到破壞，造成應力重新分布，并尋求新的平衡，從而使巖層和地表產生移動變形和非連續性破壞，這種現象稱為“煤礦開采沉陷”，隨著地下開采工作面的推進，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境影響的一個重要方面，井工開采與環境保護是當今可持續發展戰略的主題之一，也是廣大科技工作者的課題之一，尋求科學合理的解決途徑是當代科技工作人員不可推卸的責任。

近年來隨著科學技術和研究手段的提高，開采沉陷理論研究得到了進一步發展。特別是計算機技術的飛速發展，使數值模擬和人工智能被成功用到開采沉陷研究中，進行連續或非連續介質的大變形分析，為研究大范圍巖層移動規律提供了條件。如唐春安等研究與開發的——RFPA，能夠真實的模擬開采過程中，覆巖變形、離層、斷裂及地表沉陷規律，為采場覆巖移動規律研究提供了一種新方法;美國明尼蘇達ITASCA軟件公司開發的FLAC、FLAC、UDEC、UDEC、PFC等一系列大型商業化計算軟件，現在被廣泛應用于地理勘探、土木建筑、采礦等行業。1988年謝和平利用非線性大變形有限元程序對巷道和采場引起的巖層移動進行了定量和定性分析，取得了理想效果，為巖層移動定量和定向的預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度低、變形能量大的力學機制，建立了軟巖工程的設計方法;麻鳳海應用離散元法研究了巖層移動的時空過程，對巖體開采沉陷的狀況進行了很好的模擬。高延法采用粘塑性有限元法對巖層移動計算研究，認為地表水平移動是巖層與松散沖積層傾斜變形引起的，水平移動值取決于傾斜和表土層翹曲變形兩種因素?？梢哉f，我國在巖層移動和開采沉陷的理論研究和實際應用方面都取得了巨大的成就。

2開采地表沉陷控制技術研究現狀

國內外學者、專家和工程技術人員為了減弱開采對地面建筑物、水體、鐵路、橋梁、管路、通訊光纜等設施的損害，保護農田及生態環境，開發了許多控制覆巖及地表沉陷的技術措施，發展到今天成為我國主要控制地表沉陷的“三下”開采技術，其主要方法和技術特點如下：

2.1留設保護煤柱法

該方法多用于保護工業廣場、井筒及重要建筑物或用于淺部開采，其針對不同的保護對象，留設一定尺寸的保護煤柱，再對煤柱外的煤炭資源進行開采回收。這種方法對保護地面建筑物與設施無疑是最有效的，但通常造成煤炭資源的嚴重浪費。雖然在礦井報廢時可設法回采，但采出率低。同時，由于煤柱留設尺寸的特殊性，使得煤柱外采區與工作面布設難度增大，制約高效生產。

2.2采空區充填法

采空區充填方法早在原蘇聯及波蘭應用較多，我國自上世紀60年代開始引進該技術，主要有：水砂充填、風力充填、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。同時，矸石回填井下采空區，也做到了廢物的再利用，減少了占地及環境污染，此法在我國已經受到重視和關注。其特點在于，開采工序增多，影響生產效率，生產成本及礦井建設投資增大。

充填開采中，水砂充填應用最多，減沉效果也最好，地表下沉系數為q=0.1～0.3，同時，減沉效果也隨充填材料的不同而變化。風力充填時，材料運輸比較簡單、適應性強、充填能力大，但是風力充填對充填材料的粒度要求較高，而且需要專門的壓風機，充填機和充填管路，電耗大、管路磨損快，其充填控制地表下沉系數為q=0.3～0.4。在我國，由于水砂充填開采系統復雜、成本高等原因，逐漸減少其應用，近十多年來，國內幾乎未采用該技術進行煤炭開采。

近年來，王悅漢、楊寶貴等研究了煤礦采空區膠結充填控制地表沉陷的相關理論，劉長友、謝文兵等采用數值計算對充填開采時圍巖的活動規律及其穩定性進行了研究，周華強對充填工藝及其地表沉陷進行較為深入的研究，提出的膏體充填采煤法在現場得到了應用，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（協調）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波浪式下沉的條件下，選擇適當的采留比，可采出40%～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的條帶進行開采，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，控制地表移動和變形，達到保護地面的目的。其優點是：不改變采煤工藝，大幅度減少地表沉陷。

條帶開采主要應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驗，已經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，地表下沉系數一般為q=0.10～0.20。當煤柱寬度偏小時，地表下沉系數將增大。冒落條帶開采在撫順、阜新、蛟河、峰峰、鶴壁、平頂山、徐州等許多礦區得到廣泛應用。

條帶開采后使用水砂材料充填采空區（即水砂充填條帶法），可以進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煤柱，地表下沉系數僅為q=0.012～0.013，均實現了安全開采。

（2）房式及房柱式開采，房式及房柱式開采的實質是在煤層中開掘一系列5m～7m寬的煤房，煤房間用聯絡巷相連，形成近似于矩形的煤柱，煤柱寬度由數米至十幾米不等，回采在煤房中進行。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，因此美國現在將這兩種方法統稱為房柱式開采法。

在我國，神華集團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，雞西礦務局小恒山礦將該法應用于薄煤層開采，而陜西黃陵礦是我國第一個完全采用連續采煤機房柱式開采設計的大型礦井。房柱式開采采出率一般為50%～60%，地表下沉系數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定，避免大面積垮落。

2.4采空區冒矸空隙注漿充填

采空區冒落矸石空隙注漿充填技術是在采空區冒落矸石之間的空隙未被壓實之前注入漿液予以充填，充填材料膠結冒落巖塊后，一起支撐上覆巖層，起到控制地表沉陷的作用。上世紀90年代初，德國礦冶技術公司（DMT）與魯爾煤炭公司合作，在摩諾泊爾（Monopol）、瓦爾蘇蒙（Walsum）等煤礦，采用該技術充填冒落的采空區，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行充填，所以，充填程度不夠，地表下沉系數較大，q=0.30～0.40，介于水砂充填與風力充填之間。但由于德國煤礦相繼關閉，該技術沒能進一步深入開展下去。此外，我國王建學等對該技術進行了相關理論研究。

2.5覆巖離層區注漿

覆巖離層區注漿技術最早是由蘇聯學者提出的，其實質是煤層開采后，巖層發生彎曲變形。當巖層間的剪應力超過其抗剪強度時，將出現層間錯動。若各巖層的剛度不同時，其撓度變形不協調，巖層出現分離，形成了離層。離層注漿是利用覆巖運動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。

隨著現場試驗點的不斷增加，覆巖離層區注漿的相關理論研究也成為采礦學術界的一個熱點，有關上覆巖層離層規律、離層區注漿減沉機理等論文和專著紛紛面世。但國內采礦學者對這項新技術的評價一直存在分歧，特別是對控制地表沉陷效果上認識不一。王金莊等根據深部鉆孔測點觀測認為，離層帶內的離層空間最大占開采空間的30%～40%，離層區注漿減沉效果一般在30%左右，最大達40%。楊倫深入討論了離層注漿的理論實質后認為，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進行修正后，經重新計算得出已進行現場試驗的實際減沉效果應為15%～20%左右而不會更高。

3結論

膏體充填采煤是一種把煤矸石、粉煤灰、工業爐渣、城市固體垃圾等加工成膠結性或非膠結性膏狀漿液，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，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，實現村莊不搬遷，安全開采建筑物下壓煤，保護礦區生態環境的開采方法。作為煤礦綠色開采技術的重要組成部分，膏體充填技術能夠把固體廢棄物利用與采動破壞、地表沉陷控制有機結合起來，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，并保護礦區生態環境。膏體充填采礦技術的開發應用，是煤炭工業貫徹落實科學發展觀、實現綠色采礦的重要舉措，具有“高安全性、高采出率、環境友好”的基本特征，是一種新的綠色采礦技術，也是21世紀采礦技術的重要發展方向之一，因此，文章對建筑物下壓煤開采地表變形控制技術國內外研究現狀進行分析。

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作者簡介：黃?。?998.05）男，漢族，貴州省威寧縣人，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業方面的學習和研究。

六盤水師范學院大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：2021cxcy55）。