利用固體充填開采方法保護(hù)建筑群安全的研究

1、利用固體充填開采方法保護(hù)建筑群安全的研究    摘要：我國煤礦建筑物下壓煤量占總壓煤量的69 ，同時每年要向地面排放45億t以上的固體廢棄物，因此，研究利用固體廢棄物充填開采方法，在保證地表建筑物安全性的基礎(chǔ)上，高效開采出下壓煤炭資源意義重大文章應(yīng)用數(shù)值模擬方法，對建筑物下壓煤開采所引起的巖層移動過程進(jìn)行模擬，系統(tǒng)分析了采場圍巖塑性區(qū)分布及地表沉陷量變化規(guī)律，由計算結(jié)果分析得知，應(yīng)用固體充填開采法與無充填直接開采相比，采場圍巖破壞單元數(shù)較少，圍巖穩(wěn)定性受影響較小，減少地表沉陷量效果明顯以數(shù)值模擬結(jié)果作為參考，研制了長臂綜采矸石充填開采工藝的配套設(shè)備，并在

2、某礦建筑物下壓煤炭開采的實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果，有效控制了地表變形，保證了建筑物的安全性和資源的高效開采關(guān)鍵詞：固體充填；建下開采；地表沉陷在礦產(chǎn)資源日益短缺的情況下，“三下”礦山的開采對經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義我國建筑物下壓煤量為9468×10 t，占總壓煤量的69_1，嚴(yán)重影響礦井的正常生產(chǎn)和資源回收，縮短了礦井的服務(wù)年限另一方面，我國煤礦歷年向地面累計堆放45億t以上的固體廢棄物，不僅占用大量土地，而且還會不斷污染環(huán)境因此，利用固體廢棄物將地下煤炭資源置換出來，既保證地表建筑群的安全，同時又能達(dá)到資源高效開采利用的目的1 建筑物下開采的研究現(xiàn)狀建筑物一般能夠承受一定程度的地表變形

3、而不發(fā)生明顯損壞，其所能允許的地表變形值，稱為建筑物臨界變形值通常以地表變形值來判斷建筑物可能破壞的程度，通過地表變形值定出建筑物不同破壞等級針對這一情況，我國建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程制定了具體的磚混結(jié)構(gòu)建筑物破壞(保護(hù))等級標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制開采引起的地表變形，以保證建筑物群的安全在掌握采動覆巖及地表沉陷規(guī)律的條件下，為了避免對地面建筑物等設(shè)施的損害，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)出許多控制覆巖及地表沉陷的技術(shù)措施，主要有留設(shè)保護(hù)礦柱法，井下采空區(qū)充填法，局部開采法，離層充填法等 而我國在建筑物下的采礦方法，主要采用充填采礦法和條帶開采法充填采礦法是適應(yīng)各種開采技術(shù)條件，實(shí)現(xiàn)地下礦山無

4、廢料排放至地表的唯一采礦方法充填采礦法既可以減少上覆巖層的破壞程度，又可以顯著地減少地表移動和變形充填采礦法依據(jù)充填動力可分為人力充填、風(fēng)力充填、干粉充填、水力充填等 其中固體廢棄物(如矸石等)充填采礦法隨著技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，正越來越多地應(yīng)用于建筑下壓資源的開采此法不僅適應(yīng)性強(qiáng)，礦石采出率高，作業(yè)較安全，同時能夠利用工業(yè)廢料，減少對環(huán)境的污染其主要的技術(shù)思路是將礦山固體廢棄物通過投料鉆孔投放到井下，經(jīng)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)送到工作面的采空區(qū)，隨著工作面的推進(jìn)，通過相應(yīng)配套設(shè)備實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)充填夯實(shí)，以進(jìn)行地壓管理，控制圍巖崩落和地表變形而矸石作為礦山開采的固體廢棄物，是一種成本較為低廉的充填材料，再次重復(fù)利

5、用不僅可以保護(hù)礦山環(huán)境而且還能置換出寶貴的礦產(chǎn)資源 充填開采的工業(yè)性試驗(yàn)多數(shù)在“三下”狀況下開展，為此，繆協(xié)興等 提出計算固體充填采煤的等價采高方法，就是經(jīng)過長期壓實(shí)流變以后的等量最大開挖高度，采用傳統(tǒng)巖層移動和地表沉陷分析方法，由等價采高H。計算出的巖層移動和地表沉陷量即最大極限量，這正是工程實(shí)踐中所要的預(yù)測指標(biāo)2 數(shù)值模型的建立為研究固體廢棄物充填開采法對地表建筑群安全性的影響，本文模擬建筑物下壓煤的開采所引起的巖層移動過程，尤其對巖層塑性區(qū)分布和地表沉陷量的變化規(guī)律做了系統(tǒng)分析在數(shù)值模擬過程中，為了使計算結(jié)果比較接近實(shí)際情況，對巖體介質(zhì)、計算模型、礦山地質(zhì)條件、受力條件、采礦工藝及采礦方

6、法等都作了必要的假設(shè)假設(shè)礦巖為各向同性、均質(zhì)且符合MohrCoulumb彈塑性模型的介質(zhì)，在同等條件下，二維數(shù)值模擬結(jié)果與三維數(shù)值模擬的計算結(jié)果比較接近，因此，計算模型簡化為二維平面模型對于巷道工程等不予考慮，模擬時簡化為實(shí)體應(yīng)用FLAC(fast Lagrangian analysis for continuum)數(shù)值計算軟件，建立平面應(yīng)變計算模型，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用MohrCoulumb模型，模型幾何尺寸為400 m×400 m，煤層厚度為5 m，埋深300 m，下覆巖層總厚度為100 m工作面從左向右推進(jìn)，開挖步距為10 m模型底部約束垂直方向位移，左右兩邊約束水平方向位移根據(jù)不

7、同建筑物的高度，地表分別模擬了普通廠房，高層建筑，普通建筑為方便對比分析，模擬方案為：方案1，直接開采；方案2，間隔充填；方案3，全部充填模型示意圖見圖1在地表布置監(jiān)測點(diǎn)，檢測地表位移，通過數(shù)值模擬得到覆巖破壞及地表位移場變化規(guī)律本文在充填體的模擬中，采用矸石的巖石力學(xué)參數(shù)21 塑性區(qū)分布特征圖2分別給出了隨采場推進(jìn)，不同模擬方案下的采場覆巖塑性區(qū)分布云圖為突出不同方案對地表建筑物安全性能的影響，分別選取采場推進(jìn)距離b為110，200，270 m時采場塑性區(qū)分布云圖進(jìn)行分析在采動初期，采場推進(jìn)至110 m 時，對于3種不同模擬方案，其工作面圍巖破壞情況差異不大隨采動進(jìn)行，方案1(不充填，直接進(jìn)

8、行長臂開采模擬方案)在采空區(qū)周圍逐漸形成了相當(dāng)數(shù)量的破壞區(qū)單元，當(dāng)采場推進(jìn)至270 m 時，達(dá)到最大，其中上盤相對破壞單元較多，主要表現(xiàn)為拉伸破壞和剪切破壞，采空區(qū)頂板位移明顯，變形較大；與之相比，方案2(間隔充填開采模擬方案)、方案3(充填開采模擬方案)中的充填體隨采動全部達(dá)到了塑性極限，在采空區(qū)周圍形成的破壞區(qū)單元較少，其中以方案3中的破壞區(qū)單元最少，頂板圍巖變形較小，極少崩落由此可知，采場上覆巖層破壞區(qū)域越大，越影響自身穩(wěn)定性，從而直接導(dǎo)致地表沉陷，對采場上方地表建筑物安全性構(gòu)成直接威脅方案1：22 地表沉降量分析圖3給出了3種不同模擬方案地表沉降量的變化曲線1)當(dāng)采場推進(jìn)至110 m時

9、，方案1監(jiān)測點(diǎn)地表垂直位移為894 mm，方案2監(jiān)測點(diǎn)地表垂直位移為418mm，方案3監(jiān)測點(diǎn)地表位移為392 mm其中方案2和3地表沉陷量相差不大，全部充填較間隔充填方案減沉率為6 ；但方案2較方案1減沉率達(dá)53 ，方案3較方案1減沉率為56 ，就此數(shù)據(jù)來看，方案2與方案3減沉效果無明顯差距2)隨工作面推進(jìn)，當(dāng)采空區(qū)位于長度較大的普通廠房下方，即采場推進(jìn)至140 In時，三種模擬方案的地表檢測點(diǎn)沉陷量分別為922，473，410 mm方案2和3與方案1相比，減沉效果明顯，減沉率分別達(dá)到了49 和55 此時全部充填對于間隔充填方案，地表沉陷量減小了63 mm，這對長度較大承受變形能力較差的建筑物

10、來說，至關(guān)重要3)-1-_作面推進(jìn)至高層建筑下方，即采場推進(jìn)至200 m 時，3種模擬方案地表監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移分別為1 156，548，464 mm此時，方案3減沉率達(dá)到60 ，減沉效果十分明顯4)當(dāng)采場推進(jìn)至普通建筑下方，即采空區(qū)位于270 m位置時，3種模擬方案的地表沉陷量分別為967，491，446 mm根據(jù)建筑物下開采的相關(guān)規(guī)程，方案2和3對普通建筑物的破壞等級為工級，建筑物為輕微損壞，對建筑物影響不大5)由圖3可知，方案3地表沉陷量變化曲線相比于其他兩種方案，其變化趨勢更為平穩(wěn)，無大幅度波動，說明采用無間隔固體充填方案開采，地表沉陷量受采動影響相對較小，建筑物破壞等級均在I級以下，有

11、效保證了地表建筑物的穩(wěn)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，同時充填體的支撐作用能使上覆巖層不出現(xiàn)整體跨落，對于工作面上方的巖層移動控制效果良好，最大限度地限制地表沉陷量，有效確保地表建筑物的安全性但由于不同建筑物承受破壞等級不同，充填方案的選擇實(shí)施，還要具體考慮到地表建筑物的類別，以便能夠充分發(fā)揮充填體的作用，同時兼顧經(jīng)濟(jì)效益3 設(shè)備開發(fā)由數(shù)值模擬結(jié)果可知，長臂綜采工作面矸石充填開采工藝對于減輕開采沉陷災(zāi)害，保證地表建筑物的安全有很好的效果，同時可以減少煤礦固體廢棄物排放，提高礦井資源回收率，是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)之一此工藝包括長臂工作面綜采和采空區(qū)矸石充填兩部分

12、研發(fā)綜采充填采煤技術(shù)關(guān)鍵就是研制與充填綜采相配套的設(shè)備其中，采煤設(shè)備主要有采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等，充填設(shè)備主要有自夯式充填液壓支架、充填開采輸送機(jī)等31 自夯式充填液壓支架至今，綜合機(jī)械化固體充填采煤液壓支架已經(jīng)發(fā)展到了第4代自夯式充填開采液壓支架是綜合機(jī)械化充填開采工作面主要裝備之一，它與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、充填開采輸送機(jī)、夯實(shí)機(jī)配套使用，起著管理頂板隔離圍巖、維護(hù)作業(yè)空間的作用，與刮板輸送機(jī)配套能自行前移，推進(jìn)采煤工作面連續(xù)作業(yè)同時，它還有獨(dú)立的夯實(shí)機(jī)構(gòu)，在物料充填入采空區(qū)后，通過此設(shè)備對物料進(jìn)行推壓夯實(shí)，使充填物料在推壓接頂?shù)幕A(chǔ)上達(dá)到一定的致密度其結(jié)構(gòu)原理如圖所示32 充填開采輸送機(jī)充填

13、開采輸送機(jī)由刮板輸送機(jī)改造而成，懸掛在自夯式充填液壓支架的后部尾梁上，其溜槽底部開設(shè)卸料孑L，可將充填材料卸至各充填點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)原理如圖5所示4 現(xiàn)場實(shí)測應(yīng)用建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)，以某礦工作面矸石充填綜采為例，其地表基本條件為村莊、學(xué)校等建筑物，采深740 m，平均采高2 m，其地表沉陷預(yù)計與實(shí)測情況見表2從表2中可以看到，如非充填開采，地面下沉達(dá)到1 O19 mm，在多雨季節(jié)易造成積水等；采用矸石充填開采，則地面變形等級僅為輕微，無需對房屋實(shí)施加固或維修目前，該工程已接近充分采動，實(shí)測到的地表變形量很小5 結(jié)語通過數(shù)值模擬軟件，建立建筑物下資源開采的平面應(yīng)變模型，采用3種不同開采方案

14、進(jìn)行模擬，分析采動時塑性區(qū)變化規(guī)律和地表沉陷量由模擬結(jié)果可知，不同開采方法對地表沉陷具有重要影響其中固體廢棄物充填開采相比于無充填直接開采，采空區(qū)圍巖破壞單元較少，自身穩(wěn)定性受采動影響較??；充人采空區(qū)的固體廢棄物占據(jù)了采煤形成的大部分空間，有效控制了上覆巖層移動，減小地表沉陷量效果明顯，有效保證了地面建筑物的安全性參照數(shù)值模擬結(jié)果，開發(fā)并研制了與充填綜采相配套的設(shè)備，其中，采煤設(shè)備主要有采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等，充填設(shè)備主要有自夯式充填液壓支架、充填開采輸送機(jī)自夯式充填開采液壓支架作為綜合機(jī)械化充填開采工作面主要裝備之一，應(yīng)用于某礦建筑物下壓煤炭資源的開采，通過現(xiàn)場實(shí)測，地面變形量很小，等級僅為輕微，無需對房屋實(shí)施加固或維修由于不同建筑物抗變形能力不同，因此，要根據(jù)礦區(qū)地表的具體情況，如建筑物的密集程度，建筑物類型，開采深度等，對具體充填開采方案做出選擇，從而節(jié)約成本，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益利用綜采固體充填采煤技術(shù)能夠提高建筑物下煤炭采出率，延長礦井服務(wù)年限，同時實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的處理，改善了礦區(qū)周邊環(huán)境參考文獻(xiàn)：1錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等巖層控制的關(guān)鍵層理論M徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，20032楊逾，劉文生，繆協(xié)興，等我國采煤沉陷及其控制研究現(xiàn)狀與展望J中國礦業(yè)，2007，46(7)：4346