1、专题部分 “三下”压煤开采技术研究摘要：建筑物下、铁路下、水体下开采，简称“三下”开采。据目前不完全统计，我国国有骨干大中型矿井“三下”压煤量达到140亿吨以上，其中建筑物下压煤占整个“三下”压煤量的60%以上，水体下（包括承压废岩水上）压煤占28%左右，铁路下压煤占12%左右，然而，到目前为止，我国仅从“三下”采出的煤炭约有10亿吨，只占整个“三个”压煤量的7%左右。关键词：“三下”开采；理论；措施 0引言据目前不完全统计，我国国有骨干大中型矿井“三下”压煤量达到140亿吨以上，其中建筑物下压煤占整个“三下”压煤量的60%以上，水体下（包括承压废岩水上）压煤占28%左右，铁路下压煤占12%左
2、右，然而，到目前为止，我国仅从“三下”采出的煤炭约有10亿吨，只占整个“三个”压煤量的7%左右。1国内外现状1.1建筑物下采煤波兰，从1950年起开始进行建筑物下采煤试验，到1980年，已从各种煤柱中采出近7000万t左右，占产量的40一42。英国在建筑物下开采只对井筒和绞车房留保安煤柱，其它一律不留保安煤柱进行开采。德国对城市和建筑物下采煤研究最早，从1902年就开始用水沙充填法回采重要建筑物下的保安煤柱。例如埃森采了九个煤层总厚达10.2m。1.2铁路下采煤铁路下开采系指铁路干线与支线下所压煤层的开采，矿区专用线下开采已不存在问题，故不包括在内。过去对铁路的保护也是采用留设矿柱的方法，目前
3、对铁路矿柱的开采已取得了足够的经验。如波兰在卡托维茨通往沃波雷省的干线和具托姆车站下进行了开采、采厚达20m，车站普遍下沉了3m，最多达3.7m。我国矿区专用线下开采，在技术上已完全过关，所以铁路下开采不包括专用线下开采；支线下开采效果良好，如焦李、三万、薛枣、娄邓等；干线下开采的不多。在鸡西麻山、滴道两矿的林口密山干线下开采获得成功、本溪局在沈阳丹东的干线下试采。还有枣庄局在邹坞车站下，阜新局在露天剥离站下。开滦及平顶山、涟邵在铁路桥下，南桐局在二万线的板塘隧道下开采都取得成功。1.3水体下采煤水体下开采的实质是如何确定防水和防砂矿柱的高度，此上限到地面的垂高，就是安全开采深度。水体下开采主
4、要是防止覆水和泥砂溃人井下，有时还要保护地面水体，如水库、堤坝等。水体下开采通常用疏干、排放、隔离等措施，使资源尽量采出，还要减少排水费用。前苏联已在一些较大河流下来出了干百万吨的煤炭；日本、英国、加拿大和智利等国家海下开采经验丰富。我国在淮河下、微山湖下、资江河漫滩下来煤也取得了不少的经验。2.地表移动变形的基本规律2.1岩体采动引起的围岩及地表变化根据岩层移动的特征和破坏形态，如下面一组图所示。图2-1岩体移动分带图2-2开采水平矿层充分采动时的地表移动盆地示意图图2-3开采倾斜矿层时的地表移动盆地示意图图2-4岩层与地表移动中常用的几种角2.2地表移动与变形参数的分类及计算图2-5主断面
5、内地表点移动示意图2.2.1变形参数（1）倾斜：地表相邻两点的下沉由于不均匀，便在地表产生连点间的相对位移，出现倾斜变形。通常用T表示，单位为mm/m,（2）曲率：如果地表相邻两点的倾斜也不均匀，则地表将出现弯曲。因此，单位长度内的倾斜变化就为曲率，用K表示，单位用/m或mm/,。（3）水平变形：它是由于相邻两点的水平移动不均匀而产生的。在外缘区产生拉伸变形，在内边缘区产生压缩变形。通常用表示，单位为mm/m。图2-6倾斜矿层非充分采动时主断面内地表移动和变形分布规律移动变形曲线间的函数关系下沉曲线 =倾斜曲线 =曲率曲线 =图2-7急倾斜矿层非充分采动时主断面内地表移动和变形规律水平移动曲线
6、 =B水平变形曲线 =B2.3主断面地表移动变形的计算2.3.1概述单元开采图图1-3-1指开采的范围无限小的单位开采，其体积为111的无限小单元。在地下采出一个单元立方体（111）（图2-8）后，在Z水平形成一个单元下沉盆地，其面积为 =，这一下沉事件的发生，等于以下两个事件同时发生：在剖面B-B上x处的一段岩石条内有下沉发生，同时在D-D剖面上y处的一段岩石条。内有下沉发生。因此，发生下沉这件事的概率即为发生次二事件的概率之积：=式中平方是由对称性所致。令单元下沉为，则在走向剖面上： =在倾斜剖面上： =在空间条件下，开采面积与采高皆为一个微小单元时： =图2-8单元开采引起的岩层下沉的概
7、率2.4水平矿层半无限开采地表移动与变形计算2.4.1 移动变形曲线函数式（1）下沉曲线函数如图2-9，采深为H，采厚为m,坐标原点通过开采边界，设在s距离处采出宽度的一段矿层，在其上方水平形成单元下沉盆地其表达式为： dW=qm(x-s) dW=qm当矿层自s=0采到s=时，地表（z=H）稳定后的下沉盆地表达式为： =qm则 =这就是随机介质理论法下沉曲线的积分表达式，是克诺泰1937年首先提出的。图2-9下沉盆地剖面方程（2）倾斜曲线 = （3-2）倾斜曲线最大值：=其中 h=,r叫主要影响半径为了弄清h与r间的关系，如图1-4-2所示：在图中，做下沉曲线拐点处的切线，与及=的水平线分别交
8、于1点和2点，则得到这两点的水平距离，以r表示。此切线的斜率就是相应曲线的最大斜率（当斜率角时就不相切了）。 tg=, 即=因此： h=通过对矿区实测资料的分析，在地表移动盆地的边缘区，在拐点两侧各一个r的范围内，地表变形值较大，在外边缘区一个r的位置下沉值为0.0063，在内边缘区的一个r的位置，下沉值为0.9937，所以在此区域内是对地面建筑破坏最严重的，因此把r叫做主要影响半径，或主要影响范围。主要影响范围也可以由角圈定。如图2-10所示，可知： th=角叫做主要影响范围角，简称主要影响角。r及均由岩层性质决定。图2-10参数h与主要影响半径r的含义将h=带入（3-2）式： = （3-3
9、）当x=0时，=，带入（3-3）式： = （3-4）（3）曲率曲线倾斜的变化便产生曲率，使地面弯曲，故斜率是倾斜的导数： = （3-5）求极值：令=0，得x=0.4r，带入（3-5）式： =1.52=1.52（4）水平移动曲线水平移动曲线的分布与倾斜曲线相似，二者为线性关系。 =B=B令b=,b也叫做水平移动系数，代入上式： =b (3-6)求极值：令=0，x=0,则=b,带入（3-6）式： =（5）水平变形曲线 =-求极大值：令=0，得x=0.4r =1.52b表2-1列出了移动变形的基本表达式，以及各自的最大值和最大值的位置。表2-12.4.2实用计算表将移动变形曲线表达式进行变换，化为无
10、因次的量： = 上式的左边表示各分布值相当于最大值的量，叫做分布函数。每个式中都有，都是的函数，这样，取不同的值，即可得到相应分布系数值。因次，把作为横坐标，按百分之一取值，计算出相应的分布函数、值，作为纵坐标，可以做出地表移动和变形的无因次曲线（如图2-11） 图2-11移动及变形分布函数3.“三下”采煤技术的发展3.1建筑物下采煤及地表保护措施 （1）充填法（2）部分开采法部分开采法包括两个方面的内容：一是条带开采法，即在开采范围内开采一条，保留一条，用保留条带煤柱支撑顶板，以达到减少地表下沉的目的。3.1.1留宽与采宽的计算一、采宽b的确定1、在保证地表不出现波浪形的条件下，以水平变形=
11、2mm的临界值，对建筑物不产生破坏的前提下，主要影响半径与采高之比r/m应大于20，用诺模图（如图3-1，图3-2）来确定采宽b。图中的阴影部分为可选取范围。2、根据经验。采宽按来选取，如采宽较大，应在顶板初次周期来压之前结束工作面。采宽选定后，再计算留宽a。图3-1确定采宽b的诺模图3、要考虑顶板初次来压和周期来压。当采宽不太大时，b应不超过顶板的初次来压步距，工作面不受初次来压影响。b如较大，则应不大于初次来压步距与周期来压步距之和以保证在周期来压之前结束工作面，应避免刚发生过周期来压就结束工作面。二、留宽a的确定。确定留宽a的原则应能使矿柱承受的载荷比矿柱实际承受的载荷要大，这时矿柱的安
12、全系数K1，表明矿柱是稳定的。在一般情况下，为了提高回采率，安全系数K取1，即矿柱能承受的载荷等于实际承受的载荷。另外，矿柱的承载能力与矿柱的形状有关，矿柱的形状一般有方形、矩形和长条形。下面分别列出矿柱留宽a0.1mH时以上三种形状矿柱能承受的极限载荷值的公式：图3-2确定采宽b的诺模图 （r/b=1.5;r/b=2.0）方矿柱： （t）矩形矿柱： （t）长矿柱： （t）计算矿柱实际承受的载荷值公式：方矿柱： （t）矩形矿柱： （t）长矿柱： （t/m）式中 、分别为方形、矩形、长条形矿柱能承受的极限载荷； 、 、分别是方形、矩形、长条形矿柱实际承受的载荷； d保留条带矿柱的长度； 、分别为沿矿层走向方向和倾斜方向矿柱之间的采出值。 现以K=1为条件，推导出计算保留条带矿柱留宽的公式，在设计时，大部分按宽矿柱中的长矿柱进行计算：长矿柱的留宽： 为了长壁工作面搬家运设备材料的方便，在保留矿柱的中部开一联络巷，此时应按矩形矿柱进行计算。矩形矿柱的留宽： 采出率验算： 回收率s可依开采条件确定。设矿层倾角水平，埋深为H（cm），开采之前，作用于矿层的垂直应力等于： =rH式中 r矿层
