一、概述
一般地讲,当建筑物所处的地表产生均匀下沉时,建筑物中不会产生附加应力,因而对其自身也就不会带来损害。但当地下潜水位很浅时,地表下沉量较大会使潜水位上升,造成建筑物长期积水或过度潮湿,降低了地基的强度,这就会影响建筑物的使用,甚至可能造成建筑物的破坏与倒塌。
地表水平变形对建筑物的破坏作用很大,尤其是拉伸变形。由于一般砖混结构建筑物抵抗拉伸变形的能力远小于抵抗压缩变形的能力,所以较小的地表拉伸变形就能使建筑物产生开裂性裂缝。一般在门窗洞口等薄弱部位最易产生裂缝,砖砌体的结合缝,建筑物结点(如房梁)也易被拉开。
目前从技术层面,解决建筑物下压煤的技术途径总体上分为两大类。第一类主要是对地表建筑物采取一定的措施,包括对建筑物进行整体搬迁,对建筑物进行加固、维修,采用抗采动变形结构措施。第二类主要是采用特殊的井下开采技术,以减小地表下沉和地表变形对地表建筑物的影响,需要(主要)有协调开采、全柱式开采、条带开采、充填开采等,每种开采技术都有其适用性。
二、典型技术途径
1.搬迁开采
搬迁开采是把压煤村庄等建筑物搬迁到矿区内或矿区外的无煤区或塌陷稳定区,然后对原压覆的煤炭资源进行常规开采。对压覆区域地表建筑物进行搬迁后,所压覆煤炭资源被完全解放,可按正常开采方法和工艺进行开采,生产效率高,资源回收率高。但搬迁开采地表下沉大,对环境影响大。初期搬迁工作量大,搬迁时间长,新村寻址困难,成本高等缺点。搬迁开采适用于煤层厚度大、搬迁工作量小的村庄压煤条件。
2.条带开采
将开采区域划分成正规的条带,采一条,留一条,利用留设的条带煤柱支撑上覆岩层,以减少覆岩的移动破坏,控制地表沉陷,达到保护地面建筑的目的,实现建筑物下压煤的部分回收。根据条带布置形式或开采方法不同可分为走向条带、倾斜条带、冒落条带、充填条带、定采留比条带、变采留比条带等等。该方法优点是不改变采煤工艺,地表变形容易控制,不需要增加投资。目前条带法开采在我国得到了广泛的应用,已在全国各矿区进行了应用,取得了大量的实际观测资料。条带开采对于控制地表变形和保护地面建筑物效果显著,已成为建筑物下采煤的一种十分有效的措施。
3.协调开采
协调开采方法就是利用临近两个煤层(或分层)或同一煤层的几个工作面同时开采所产生的地表变形互相抵消的原理,来达到减小开采对地表的影响。根据地表变形的动态分布规律,在推进中的工作面的上方地表
依次出现拉伸和压缩变形区。多工作面开采时,通过在推进方向上合理地布置工作面或开采顺序,使地表变形相互抵消,起到保护建筑物的目的。在开采过程中,通过各个工作面配合,使被保护对象处于下沉盆地的中间区或压缩变形区,其只承受动态变形以及最终的均匀下沉,而不承受最终的拉伸变形,因此可以有效地减少地表变形对地表建筑物的损害。协调开采只能减小地表变形,不能减小地表下沉,不适合在高潜水位矿区的建筑物下采煤。协调开采需要多工作面协调配合,开采管理难度大,对煤层条件要求高,实施难度较大。
4.充填开采
采空区充填开采是将工作面后方的采空区进行充填,以达到控制上覆岩层移动和地表沉陷的目的。根据充填方式不同,充填开采有水力充填、风力充填、机械充填、矸石自溜充填等之分。随着充填材料和工艺技术的不断改造和创新,充填体经历了最初不含胶结剂的水砂充填到低浓度胶结充填、高浓度胶结充填,现在又有全砂土固结材料和高水速凝材料固结充填。充填体可以有效地限制围岩变形和位移,增加充填体刚性的同时,可以大大提高对围岩的支护作用。充填开采利用沙、矸石等充填材料对采空区进行充填,减少开采产生的地面沉降,保护地面受护物。目前国内应用的充填开采工艺主要有原矸充填、膏体充填和高水充填。充填开采是节约资源较好的方法,可以在保护地表建筑物的同时,最大程度地回收资源。但充填开采工艺复杂,影响开采效率,增加开采成本,且受充填材料的制约。
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