浅析煤矿开采设计
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摘要：文章分析了煤矿开采对地面建筑物的影响，并在明确建筑物下煤炭开采方案设计原则的基础上提出了煤矿建筑物下的开采措施。
关键词：煤矿；开采设计
中图分类号：TD82 文献标识码：A文章编号：
地下煤矿的开采作业引起地表的移动与破坏形式受到很多因素的影响，如采煤方法、采出厚度、开采深度、岩层与煤层产况、顶板管理方法等。在煤矿采空区的建筑物损害则主要是地表的不均匀沉降与地表的水平变形以及建筑结构抗变形的能力来决定的。采动引起的建筑物损坏同地下开采在时空上存在一致性，位于不同矿区甚至同一个塌陷区内不同位置的同类建筑物，其损害程度及形式也存有非常大的差别。防护和治理建筑物损坏的方法应该视具体情况而定。要充分协调煤炭回采率与建筑物安全之间的关系，保证地表的建筑物与生态环境，并实现煤矿区可持续发展。
1 煤矿的采动对地面建筑物可能产生的影响
煤炭是我国国民经济发展重要的物质基础，提高煤炭资源回采率，对维持我国社会经济持续、稳定发展具有重要意义。建筑物下的煤炭资源开采是煤矿生产的难题，必须采用正确的开采方法，才可能既提高矿井的资源利用率，又保证地面建筑物的安全。地下煤矿开采对地表的影响主要包括三种类型：水平方向的变形和移动，如地表的水平拉伸、移动和压缩变形；垂直方向的变形和移动，如地表倾斜、下沉、曲率、扭曲；地表平面的剪切应变。不同类型的变形和移动对建筑物产生不同的影响。随着地表发生移动与变形，建筑物和地基之间初始的平衡状态遭到破坏，并建立了新的力系平衡，建筑物产生了附加的应力，导致其发生变形，甚至遭到破坏。
1.1 地表水平变形的影响
水平变形对建筑物有很大的破坏作用，它是对地表的压缩和拉伸变形，建筑物受到拉伸的破坏性影响尤其大。建筑物对于拉伸的抵抗能力远不如对压缩的抵抗能力，小的地表拉伸就会导致建筑物的开裂性裂缝，导致建筑物的结点被拉开等。而当地表产生比较大的压缩变形时，建筑物会产生比较严重的破坏，可能发生如地板鼓起并产生挤压和剪切裂缝，地基、墙壁压碎等危害。
1.2 地表曲率的影响
当地表发生曲率变形，平面的地表将会变成曲面形状，破坏了建筑物荷载和土壤反力之间初始的平衡状态。正、负曲率作用下，通常会发生两类情况：房屋部分切入地基和房屋全部切入地基。在正、负曲率的影响下，建筑物的地基反力得到重新分布，建筑物的墙壁受到竖直面内剪切应力和附加弯矩的作用，当作用超出了建筑物的基础及上部建筑强度的极限时，就会导致建筑物裂缝。
1.3 地表倾斜的影响
地表发生倾斜将会引起建筑物发生歪斜，在建筑物的自重形成的偏心荷载的作用下，附加倾覆力矩会使基底承压力被重新分布，承重结构的内部产生的附加应力对于高度大、占地面积较小的建筑物会产生很大影响。
1.4 地表下沉的影响
通常情况下，建筑物所在的地表发生均匀沉降时，在建筑物和构筑物当中不会有附加应力产生，建筑物自身就不会发生损害。可是当地下水位很浅而地表的下沉量又较大时，如果潜水位因此而上升，使建筑物潮湿过度或者长期积水，并使得建筑物的环境发生改变，就会使建筑物的强度受到影响，甚至危害到建筑物的使用。
综上所述，建筑物遭到破坏主要是受水平和曲率变形的影响。采动地区的地面建筑物在它们的影响下会使砖墙上发生倾斜、出现裂缝，甚至发生倒塌。所以，在建筑物下进行煤矿开采，必须采取相对应的合理措施，保证建筑物安全。
2 煤矿建筑物下的开采方案
2.1 建筑物下开采方案的设计原则
建筑物下的煤矿开采方案的设计应当遵循的基本原则包括：
2.1.1 在保证矿区地面建筑物的安全的基础上，最大限度地对煤炭资源进行回收，提高煤炭资源的回收率。
2.1.2 适应现实条件，提高煤炭的开采机械化程度，提高工效并降低工人的劳动强度。
2.1.3 具有现实可操作性。
2.2 建筑物下采煤的具体防护措施
主要的建筑物下开采防护措施有两个方面：一方面，要尽量减少建筑物变形值，所以应该在井下采取有效的采矿措施；另一方面要在建筑物上采取相应的结构措施，增加其承受地表变形的能力。
通常情况下，这两方面的措施是联合使用的，只有综合经济和技术等各方面因素，经过对比分析后，才能确定所采取措施的着重点。比如，当采后的建筑物维修、加固的费用较高，或者采动后会发生地面下沉积水并且排水有困难的时候，就应当采取采矿的措施来保护建筑物。
3 煤矿建筑物下的开采措施
3.1 建筑物下的采矿措施
3.1.1 条带开采法
条带开采是将被开采煤层划分成比较正规的条带的形状，隔一条采一条，使得留下来的条带煤能够很好地支撑起上覆岩层的分量，避免地表产生大的移动和变形。条带开采技术有两种方式：长壁的条带开采和短壁间隔条带开采方法。长壁的条带开采是指工作面布置为长壁工作面，顺着推进方向，实行间隔开采。短壁间隔条带开采是将工作面布置为短壁条带进行开采，隔一个工作面开采一个工作面。短壁的间隔条带开采在实施工艺方面比长壁条带开采容易。
3.1.2 全部垮落开采法
地表移动的规律能够表明，地表变形与地表不均匀下沉都集中在地表的下沉盆地边缘区，而且井下每出现永久性的开采界面，相对应的，地表就会出现数值比较大的地表变形区。而全部垮落法是在一定的范围之内，进行大面积的全面开采，不在煤柱内形成开采边界，最大程度上减少建筑物受到开采带来的不利影响。
3.1.3 充填法
充填法是填充开采空间，控制上覆岩层的下沉，减小地表变形的一种方法。填充物可以是碎石、水砂等。在充填法中，条带充填是常用的一种充填方式。条带充填体同条带开采所留设的煤柱进行置换，只要未充填的采空区宽度比覆岩的主关键层初次破断跨距小，而且充填的条带能够保持长期的稳定，就能对地表的塌陷产生明显的效果，从而减少了充填量，并使填充成本降低，提高了煤炭的采出率，并保证了建筑物的安全。
3.2 地面建筑结构措施
在建筑物下进行采煤作业时，除了采用适宜的开采措施以减小地表的移动和变形外，还应当预估地表可能发生的变形程度以及建筑物可能的破坏等级，并酌情采用一系列合理措施保护建筑物，减少甚至避免建筑物受到地下采动的危害。
3.2.1 设置补偿沟
在建筑物的周围1～2m的位置开掘变形补偿沟，它能够吸收地表的压缩变形。最好将其设在墙边和墙突出的部分，而且沟的长轴方向要与水平变形方向垂直，沟深要低于基础底面15～20cm。在补偿沟内填充炉渣、锯末等可以压缩的松散物，在上部要采取沟帮支承措施，防止进水、塌帮。
3.2.2 留变形缝
对于高度不同、长度较大，具有比较复杂的平面形状的建筑物，在靠近内部的横穿墙或平面形状的变化处和高度变化处，从基础到房顶都砌成相互独立的单体，提高房屋的抗水平变形和曲率变形的能力。各独立单体之间要留一个宽度在5cm上下的变形缝，每个单体的长度都在20cm左右。
4 结语
如何对建筑物下的煤炭资源进行合理开采，是我国的煤炭科技人员一直努力探索的工作。如果建筑物下的煤炭资源不能有效开采，不仅会造成煤炭资源的浪费，还会缩短矿井服务年限、造成生产的接替紧张等问题。为了最大限度地减少建筑物下开采对于地表建筑物的损坏，并保证煤炭资源回采率，首先必须了解煤矿的采动对于地面建筑物所产生的影响类型，然后才能制定出具有针对性的措施。
参考文献：
[1] 郭文兵，邓喀中，邹友峰．岩层与地表移动控制技术的研究现状及展望 [J]．中国安全科学学报，2011，（1）．
[2] 张彦宾，邹友峰，李德海，尹士献．复杂开采条件下复变函数在地表沉陷预计的应用研究 [J]．煤炭工程，2010，（5）.
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