特殊采煤法5资料课件

保护建筑物技术措施河南理工大学安全技术培训学院尹士献保护建筑物技术措施建筑物下采煤的井下开采技术措建筑物下采煤的井下开采技术措施施地面保护措施地面保护措施井下、地面协同作用保护建筑物井下、地面协同作用保护建筑物 建筑物下采煤的井下开采技术措施建筑物下采煤的井下开采技术措施建筑物下采煤的目的：建筑物下采煤的目的：l采出煤炭资源采出煤炭资源l尽可能地减少建筑物受损害的程度。尽可能地减少建筑物受损害的程度。规程规定的建筑物压煤容许开采的条件规程规定的建筑物压煤容许开采的条件l井下采取开采技术措施井下采取开采技术措施l地面对建筑物要采取加固维修措施。地面对建筑物要采取加固维修措施。1）在缓倾斜和倾斜厚煤层浅部）在缓倾斜和倾斜厚煤层浅部,采用倾斜分层采用倾斜分层2）急倾斜煤层（浅部）急倾斜煤层（浅部）采用分层间歇式采煤法采用分层间歇式采煤法严禁无限制地放煤严禁无限制地放煤煤层顶板坚硬不易冒落时要人工强制放顶。煤层顶板坚硬不易冒落时要人工强制放顶。煤层露头处应保留足够高度的煤柱煤层露头处应保留足够高度的煤柱3）若若建建筑筑物物位位于于煤煤层层露露头头附附近近或或其其下下方方有有浅浅部部煤煤层层或或煤煤层层上上方方覆覆岩岩为为石石灰灰岩岩地地层层，需需查查明明建建筑筑物物下下方方是是否否有有老老窑窑、废废巷巷、岩岩溶溶、老老井井以以及及他他们们被被充填的程度充填的程度一、防止地表突然下沉和塌陷一、防止地表突然下沉和塌陷二、既能减少地表下沉又能减少地表变形的井下开采技二、既能减少地表下沉又能减少地表变形的井下开采技术措施术措施 地表移动和变形的地表移动和变形的各项指标均与最大各项指标均与最大下沉值成正比下沉值成正比 使使建建筑筑物物重重心心偏偏移移，增增加加了了附加力，影响稳定性。附加力，影响稳定性。危危害害程程度度与与建建筑筑物物高高度度成成正正比。比。烟囱、水塔、电杆烟囱、水塔、电杆一般平房影响不大。一般平房影响不大。倾斜倾斜平面平面曲面，在正负曲率作用下，应力重新分布曲面，在正负曲率作用下，应力重新分布平面状态：建筑物的作用力和地基的反作用力平衡平面状态：建筑物的作用力和地基的反作用力平衡曲率曲率正曲率建筑物顶部开裂正曲率建筑物顶部开裂 负曲率建筑物底部开裂负曲率建筑物底部开裂使建筑物受拉或受压使建筑物受拉或受压拉伸变形危害最大拉伸变形危害最大 拉拉 压压几倍几倍几十倍几十倍拉拉伸伸变变形形大大于于1mm/m，砖砖石石结结构构出出现现细细小小的的竖竖向裂隙。向裂隙。水平变形水平变形拉伸变形拉伸变形压缩变形压缩变形压压缩缩变变形形较较大大时时，墙墙壁壁压压碎碎，地地板板鼓鼓起，围墙褶曲起，围墙褶曲1、充填法处理采空区、充填法处理采空区充填法处理采空区充填法处理采空区l水砂充填水砂充填l风力充填风力充填l矸石自溜充填矸石自溜充填水水砂砂充充填填法法,地地表表最最大大下下沉沉值值仅仅为为采采厚厚的的8 8 15%15%，专专门门的的充充填填设设备备和和设设施施，充充填填材材料，吨煤成本中增加充填费用料，吨煤成本中增加充填费用水砂充填采煤法水砂充填采煤法1行人斜井；行人斜井；2砂仓；砂仓；3注砂室；注砂室；4斜井；斜井；5地面清水池；地面清水池；6注砂管；注砂管；7流水上山；流水上山；8流水道；流水道；9沉淀池；沉淀池；10排泥罐；排泥罐；11水仓；水仓；12水泵；水泵；13排泥矿车；排泥矿车；14吸水吸水井；井；15排水管；排水管；16运运砂矿车；砂矿车；17供水管；供水管；18已充填的采空区已充填的采空区2 2 条带开采技术条带开采技术条带开采技术原理条带开采技术原理条带开采设计方法条带开采设计方法条带开采沉陷预计条带开采沉陷预计条带开采工程实例条带开采工程实例条带开采技术原理条带开采技术原理 煤层划分为若干条带，各条带相间开采，采出条带采出后，煤层划分为若干条带，各条带相间开采，采出条带采出后，由保留条带支撑上覆岩层重量。由保留条带支撑上覆岩层重量。条带采煤法能够有效地减少地表变形，减少地表下沉量可达条带采煤法能够有效地减少地表变形，减少地表下沉量可达80 90%主要缺点是采出率低，主要缺点是采出率低，采出率采出率3060%，巷道巷道掘进多，工作面效率低掘进多，工作面效率低ba条带划分的类型条带划分的类型v以条带面推进方向以条带面推进方向走向条带走向条带搬家少搬家少稳定性差稳定性差倾斜条带倾斜条带搬家多搬家多稳定性好稳定性好ba条带采煤法的适用条件条带采煤法的适用条件地面为密集建筑群、结构复杂的或纪念性的建筑物；地面为密集建筑群、结构复杂的或纪念性的建筑物；难搬迁的村庄；难搬迁的村庄；铁路桥梁、隧道或铁路干线下；铁路桥梁、隧道或铁路干线下；水体下的煤层及受岩溶承压水威胁的上方煤层；水体下的煤层及受岩溶承压水威胁的上方煤层；条带采煤法开采的理想地质条件：条带采煤法开采的理想地质条件：煤层埋深小于煤层埋深小于400 500m，单一薄及中厚煤层，厚度单一薄及中厚煤层，厚度比较稳定，顶底板岩层和煤层较硬。比较稳定，顶底板岩层和煤层较硬。条带开采注意的问题条带开采注意的问题 l上上行行开开采采顺顺序序有有利利于于保保留留条条带带基基本本不不再再受受重重复复采采动影响。动影响。l当当煤煤层层间间距距较较小小时时上上下下煤煤层层或或上上下下分分层层的的煤煤柱柱要要对齐。对齐。l保留条带中尽量不开掘巷道或少开掘巷道保留条带中尽量不开掘巷道或少开掘巷道l不得随意扩大采出条带宽度和缩小保留条带宽度。不得随意扩大采出条带宽度和缩小保留条带宽度。l回回采采巷巷道道采采用用锚锚杆杆支支护护能能起起到到加加固固保保留留条条带带的的作作用。用。l主控参数：主控参数：采出条带宽度采出条带宽度b保留条带宽度保留条带宽度a采出率采出率Cl设计方法：设计方法：经验方法经验方法基于关键层的方法基于关键层的方法条带开采设计方法条带开采设计方法采出率采出率C C一般为一般为40 60%bal地表要避免出现波浪形下沉盆地地表要避免出现波浪形下沉盆地采采宽宽等等于于或或大大于于三三分分之之一一埋埋深深时时，地地表表就就要要出出现波浪形的下沉盆地。现波浪形的下沉盆地。采出条带宽度采出条带宽度bb应等于或小于应等于或小于（1/10 1/4）H 我国已有的采出条带宽我国已有的采出条带宽度多在度多在10 50m采出条带宽度采出条带宽度bl取决于保留条带的宽度和采出率取决于保留条带的宽度和采出率baC=Constant ，b a 当当采采出出率率恒恒定定时时，采采出出煤煤柱柱宽宽度度增增加加时时，保保留留条条带带宽宽度度也也增增加加，煤煤柱柱稳稳定性也增加。定性也增加。采出条带宽度采出条带宽度b取决取决于保于保留条留条带的带的宽度宽度和采和采出率出率保留条带宽度保留条带宽度a（1)稳定性要求稳定性要求宽高比要求宽高比要求ah充填条带充填条带垮落条带垮落条带 煤柱稳定性评价方法可归纳为两类：一是煤柱稳定性评价方法可归纳为两类：一是极限强度理论；另一是渐进破坏理论。极限强度理论；另一是渐进破坏理论。l极限强度理论的煤柱稳定判别条件为：极限强度理论的煤柱稳定判别条件为：选择选择“辅助面积法辅助面积法”求取煤柱载荷；按比涅求取煤柱载荷；按比涅乌斯基公式求取煤柱强度。乌斯基公式求取煤柱强度。条带煤柱强度稳定性评价方法条带煤柱强度稳定性评价方法（2）条带煤柱强度确定方法 由实验室较小尺寸试样获得的煤块单轴抗压强度，通过下式来计算立方体煤柱的原位强度：式中 m立方体煤柱的原位强度，MPa;c实验室试样的平均单轴抗压强度，MPa；D实验室圆柱体试样的直径或立方体试样的边长，m。考虑煤柱形状的影响，各国学者提出多个煤柱强度的估算公式，目前应用较多且实用性更强的为比涅乌斯基（Bieniawski）公式，其具体计算公式为：式中 p煤柱实际强度，MPa；m立方体煤柱强度，MPa；Wp条带煤柱宽度，m;n当Wp/h5时，n=1.4;当Wp/h5时，n=1。l渐进破坏理论认为：煤体变形破坏是一个渐进破坏理论认为：煤体变形破坏是一个复杂而渐近的过程。复杂而渐近的过程。对应煤体变形破坏过程的三个阶段，可将煤对应煤体变形破坏过程的三个阶段，可将煤柱变形破坏分成三个区，即松弛区、塑性区柱变形破坏分成三个区，即松弛区、塑性区及弹性区。及弹性区。l渐进破坏理论的煤柱稳定判别条件为：渐进破坏理论的煤柱稳定判别条件为：l选择威尔逊公式计算煤柱屈服区宽度。选择威尔逊公式计算煤柱屈服区宽度。威尔逊（Willson）煤柱屈服区宽度简化公式，即：x0=0.00492hH式中 x0煤柱屈服区宽度，m；h煤层采高，m；H煤层采深，m。条带开采沉陷预计方法条带开采沉陷预计方法l概率积分法概率积分法l数值模拟法数值模拟法l实测纠偏法实测纠偏法通通过过地地面面钻钻孔孔向向开开采采后后正正在在离离层层的的岩岩层层缝缝隙隙中中进进行高压注浆，行高压注浆，使岩体进一步碎裂使岩体进一步碎裂可减少下沉可减少下沉80年代抚顺局老虎台矿减少下沉年代抚顺局老虎台矿减少下沉56.9 65.2%增加成本增加成本3 3、采空区离层带中高压注浆、采空区离层带中高压注浆 离层带高压注浆效果离层带高压注浆效果 注浆效果注浆效果抚顺老虎台抚顺老虎台大屯徐庄大屯徐庄兖州东滩兖州东滩浆液占浆液占采煤量采煤量(%)4.8760.0219.26粉煤灰占粉煤灰占采煤量采煤量%1.550.951.91减少下沉减少下沉(%)56.9 65.23554注浆效果注浆效果开滦唐山开滦唐山新汶华丰新汶华丰南桐东林南桐东林浆液占浆液占采煤量采煤量(%)24.5914粉煤灰占粉煤灰占采煤量采煤量%1.461.32减少下沉减少下沉(%)8.43.691三、减少地表变形的井下开采技术措施三、减少地表变形的井下开采技术措施 能减少地表变形但不能明显减少地表下沉能减少地表变形但不能明显减少地表下沉1、限厚开采（微分层开采）、限厚开采（微分层开采）l建筑物允许的水平变形为建筑物允许的水平变形为 l开采后地表最大的水平拉伸变形为开采后地表最大的水平拉伸变形为 max max 一一次次采采出出厚厚度度由由最最大大允允许许水水平平变变形形值值 max来来决决定定限厚开采限厚开采1限厚开采举例限厚开采举例取取=1.5mm/mH=500m=10 b=0.3=0.8tg=2则则m 1043mm。实际中开采上有困难实际中开采上有困难2、消除或减少开采引起的地表变形不利叠加，利用地、消除或减少开采引起的地表变形不利叠加，利用地表变形有利叠加表变形有利叠加近距离煤层群近距离煤层群厚煤层分层厚煤层分层拉伸变形与拉伸变形叠加拉伸变形与拉伸变形叠加拉伸变形与压缩变形叠加拉伸变形与压缩变形叠加停采线停采线开采边界开采边界（1）上下分层或上下煤层间歇开采）上下分层或上下煤层间歇开采在在先先采采的的煤煤层层或或分分层层引引起起的的地地表表移移动动稳稳定定后后再再继继续开采相邻的分层或煤层续开采相邻的分层或煤层 限制了同时开采的采厚限制了同时开采的采厚消除上下煤层或分层开采影响相互叠加消除上下煤层或分层开采影响相互叠加问题：问题：工作面接替工作面接替不利于不利于巷道维护时间长巷道维护时间长集中生产集中生产（2）尽量实行无煤柱开采，避免在建筑物下残留尺寸不）尽量实行无煤柱开采，避免在建筑物下残留尺寸不当的煤柱当的煤柱阶阶段段、水水平平、大大巷巷、上上下下山山和和区区段段煤煤柱柱，以以及及断断层层煤煤柱。柱。LrLr,工程意义上的地表变形不叠加工程意义上的地表变形不叠加+-+-L4rraba bL=2r时时，地地表表变变形形叠叠加加，但但峰峰值值比比原原来来的的最最大大值值略略大大 a+b略大于略大于 max+-+-L=2rraba bL=2r+-+-L=0.8r0.4raba b0.4rL=0.8r时时,地表变形峰值叠加地表变形峰值叠加 a+b=2 max因此建筑物不宜布置在这类煤柱上因此建筑物不宜布置在这类煤柱上L=0.8r2 max 采空区采空区内残留内残留的煤柱的煤柱对地表对地表水平变水平变形的影形的影响响煤柱宽度煤柱宽度煤煤柱柱宽宽度度小小于于10 15mm压压酥酥（不不会会对对地地表表产产生不利影响）生不利影响）煤煤柱柱宽宽度度大大于于15 20mm,对对地地表表产产生生不不利利影影响响,建筑物应避开建筑物应避开（3）布置较长的工作面，使建筑物仅受动态变形）布置较长的工作面，使建筑物仅受动态变形超充分采动盆地中央超充分采动盆地中央W=W0、i=0，K=0、=0，U=0+-+-r使建筑物位于盆地中央使建筑物位于盆地中央利利用用上上下下煤煤层层或或上上下下分分层层同同时时开开采采所所产产生生的的地地表表拉拉伸伸变变形形与与压压缩缩变变形形相相互互抵抵消消,减减少少开开采采对对地地表表的影响的影响上下煤层或上下分层协调开采上下煤层或上下分层协调开采同一煤层相邻工作面协调开采同一煤层相邻工作面协调开采 （4）工作面协调开采）工作面协调开采Harmonic miningHarmonic mining上下工作面协调开采上下工作面协调开采+-0.4r1m11 2+m20.4r2H1H2l两层煤错开的距离两层煤错开的距离l结果：少受一次拉伸变形结果：少受一次拉伸变形当上煤层较薄下煤层较厚时，使最大拉伸变形减少。当上煤层较薄下煤层较厚时，使最大拉伸变形减少。+-0.4r1m11 2+m20.4r2H1H2l上下工作面协调开采上下工作面协调开采+-0.4r1 2+0.4rHl建建筑筑物物仅仅承承受受初初采采工工作作面面最最大大拉拉变变形形和和最最终终工工作作面面的的压压缩缩变变形形问题：采掘接替和巷道布置有特定的要求，我国未广泛应用。问题：采掘接替和巷道布置有特定的要求，我国未广泛应用。上下工作面协调开采上下工作面协调开采同煤层相邻工作面协调开采同煤层相邻工作面协调开采锯齿形工作面锯齿形工作面台阶形工作面台阶形工作面原理：原理：先先采采的的部部分分为为非非充充分分采采动动，变形量小；变形量小；让让后后采采的的工工作作面面的的拉拉伸伸变变形形与与先先采采工工作作面面的的压压缩缩变变形抵消一部分。形抵消一部分。+-+-台阶形工作面台阶形工作面+-+-同煤层相邻工作面协调开采同煤层相邻工作面协调开采问题：管理困难问题：管理困难(5)合理布置各煤层或上下分层的开采边界合理布置各煤层或上下分层的开采边界l避免建筑物位于开采影响边界避免建筑物位于开采影响边界避免建筑物承受拉伸变形避免建筑物承受拉伸变形q尤其是避免最大拉伸变形，即避开尤其是避免最大拉伸变形，即避开0.4r处。处。+-0.4r合理布置各煤层或上下分层的开采边界合理布置各煤层或上下分层的开采边界3 3、停采线位置对建筑物的影响、停采线位置对建筑物的影响（a）建筑物受双倍拉伸变形；（建筑物受双倍拉伸变形；（b）建筑物受双倍压缩变形；建筑物受双倍压缩变形；（c）建筑物受最大倾斜作用；（建筑物受最大倾斜作用；（d）建筑物受最大剪切变形建筑物受最大剪切变形 矩形建筑物长轴方向抗变形能力较小矩形建筑物长轴方向抗变形能力较小短轴方向抗变形能力较大短轴方向抗变形能力较大l位于区段内时，工作面应平行于建筑物长轴布置位于区段内时，工作面应平行于建筑物长轴布置推推进进方方向向为为充充分分采采动动，变变形形值值最最大大，建建筑筑物物短短轴轴方方向向抗抗变变形形能能力较大。力较大。合理确定建筑物与开采区域的相对位置合理确定建筑物与开采区域的相对位置l建建筑筑物物位位于于区区段段外外时时，工工作作面面应应垂垂直直建建筑筑物物长长轴轴方方向向布布置置0.4r侧边拉伸变形最大，让抗变形能力较大的短轴方向侧边拉伸变形最大，让抗变形能力较大的短轴方向垂直于区段的长轴方向。垂直于区段的长轴方向。合理确定建筑物与开采区域的相对位置合理确定建筑物与开采区域的相对位置避免工作面与建避免工作面与建筑物长轴斜交，筑物长轴斜交，承受长期拉变形承受长期拉变形工工作作面面应应以以主主要要或或大大多多数数建建筑筑物物的的长长轴轴方方向向为为准准来布置推进方向来布置推进方向4、对称背向开采、对称背向开采保护孤立的建筑物保护孤立的建筑物建筑物抗压缩变形能力大，建筑物抗压缩变形能力大，压压 拉拉v开开切切眼眼位位位位于于建建筑筑物物正正下下方方，使使建建筑筑物物不不承承受受拉拉伸伸变变形形，而而承承受受叠叠加加后后较较大大的的压压缩缩变变形形。U=0，W=W0v为为避避免免建建筑筑物物承承受受较较大大的的压压缩缩变变形形，在在建建筑筑物物下下方方r/2处处开开切切眼眼，建建筑筑物物承承受受少少量量拉拉伸伸变变形形和和少少量量压缩变形压缩变形+r/2开采边界处理开采边界处理原则上建筑物应避开开采边界原则上建筑物应避开开采边界当不可避免地位于开采边界位置处时，边界要处理当不可避免地位于开采边界位置处时，边界要处理上下煤层和上下分层合理边界位置上下煤层和上下分层合理边界位置+-0.4r1m1 1 2+m20.4r2+-边界充填边界充填矸石充填矸石充填水砂水砂粉煤灰粉煤灰+-+-锯齿状边界锯齿状边界非非充充分分采采动动的的压压缩缩变变形形和和充分采动的拉伸变形充分采动的拉伸变形相互抵消一部分相互抵消一部分问问题题：设设备备、采采煤煤方方法法，采出率采出率三、建筑物和土地的保护措施（一）变形缝 1、变形缝的作用 2、设置变形缝的位置 3、变形缝宽度的确定（二）钢拉杆1、钢拉杆的作用2、钢拉杆的设置（三）钢筋混凝土圈梁1 1、钢筋混凝土圈梁的作用、钢筋混凝土圈梁的作用2 2、钢筋混凝土圈梁的设置、钢筋混凝土圈梁的设置（四）变形补偿沟