楊莊煤礦建下保護(hù)煤柱開采影響分析

朱子良 薛華俊 馬 振

(1.福樂定工業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235025; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

1 概況

楊莊煤礦屬于安徽省淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限公司建設(shè)的核定生產(chǎn)能力為220萬t/年的現(xiàn)代化大型礦井。楊莊井田上方建筑物密集，建下壓煤情況嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)楊莊煤礦建下壓煤量達(dá)2 000多萬噸，嚴(yán)重影響了楊莊煤礦的生產(chǎn)接替。為實(shí)現(xiàn)煤礦的增產(chǎn)增效，楊莊煤礦擬對(duì)364采區(qū)Ⅲ642工作面建下保護(hù)煤柱進(jìn)行開采。為了落實(shí)國家有關(guān)部門關(guān)于煤炭行業(yè)綠色安全開采的相關(guān)要求，依照國家《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》(2000)(下稱《規(guī)程》)的規(guī)定，保證地面村莊居民的人身安全，減小對(duì)建筑物的破壞，楊莊煤礦通過采用概率積分法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取合理的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)參數(shù)，就充填開采和不充填開采兩種方案進(jìn)行了地表下沉的比較計(jì)算。

2 村莊建筑物采動(dòng)損害分析和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

因煤層開采導(dǎo)致的地面沉陷將會(huì)引起地表發(fā)生一定程度的變形，而受建(構(gòu))筑物自身抗采動(dòng)變形的能力和地表變形值大小的影響，地面建(構(gòu))筑物將會(huì)因建下煤層開采受到不同程度的破壞。依照國家有關(guān)部門公布在《規(guī)程》中的要求，規(guī)定了地面磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，其中損壞等級(jí)Ⅰ級(jí)中規(guī)定地表水平變形值ε應(yīng)小于2.0 mm/m，傾斜值i小于3.0 mm/m，建筑結(jié)構(gòu)基本不需要做維修處理;損壞等級(jí)Ⅱ級(jí)中規(guī)定地表水平變形值ε應(yīng)小于4.0 mm/m，傾斜值i小于6.0 mm/m，建筑結(jié)構(gòu)需要做小修處理。

在實(shí)際村莊下采煤工作中，在引起的地表變形值大小相同的情況下，往往地面建(構(gòu))筑物的破壞程度要超過《規(guī)程》規(guī)定的損壞等級(jí)，這是由于我國農(nóng)村房屋質(zhì)量普遍較差，抵抗變形能力較低。參考山東省岱莊生建煤礦建(構(gòu))筑物下采煤工程實(shí)例，當(dāng)?shù)乇砝焖阶冃沃郸胚_(dá)到0.9 mm/m～1.5 mm/m左右時(shí)，地表建(構(gòu))筑物將產(chǎn)生0 mm～4 mm左右寬的裂縫，屬于Ⅰ級(jí)的破壞范圍。岱莊湖東礦井地表上為歡城鎮(zhèn)，為樓群建筑物，結(jié)合其他礦井村下采煤資料，控制地表拉伸變形在0.9 mm/m的范圍之內(nèi)。

3 預(yù)計(jì)模型

開采沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果是評(píng)價(jià)“三下”(建筑物、水體和鐵路下)采煤可行性的重要資料[2，3]。預(yù)計(jì)地表移動(dòng)與變形時(shí)，根據(jù)我國的實(shí)際情況，目前可以采用的預(yù)計(jì)方法有負(fù)指數(shù)函數(shù)法、數(shù)值計(jì)算法(有限元法、邊界單元法和離散單元法等)、典型曲線法、概率積分法等方法。但在實(shí)際工程中，無論選用哪種預(yù)計(jì)方法，都必須保證選用參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，任何沒有通過現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)資料嚴(yán)格檢驗(yàn)的參數(shù)或方法，在預(yù)計(jì)過程中都是不能選用的。

概率積分法是目前唯一一種在《規(guī)程》中推薦使用的預(yù)計(jì)方法，在我國的發(fā)展相對(duì)來說也是比較成熟的，并且在實(shí)際工程中，有著廣泛的應(yīng)用，它是用積分形式表達(dá)的以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)的預(yù)計(jì)地表下沉量的方法，在一般的地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)計(jì)算中應(yīng)用性非常強(qiáng)。概率積分法有預(yù)計(jì)參數(shù)物理意義明確、在參數(shù)選取合適的情況下預(yù)計(jì)精度較高、便于運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算自動(dòng)化等特點(diǎn)[4]。

預(yù)計(jì)數(shù)學(xué)模型如下:

下沉:

傾斜:

曲率:

水平移動(dòng):

水平變形:

其中，W為地表充分采動(dòng)的下沉值;U為地表充分采動(dòng)水平移動(dòng)值;r為主要影響半徑;x為計(jì)算點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)(考慮了拐點(diǎn)偏移距)。

4 地表移動(dòng)參數(shù)的選取

進(jìn)行地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)計(jì)算，相關(guān)預(yù)計(jì)參數(shù)的選取及其賦值的可靠性至關(guān)重要，因?yàn)樗鼘?duì)預(yù)計(jì)結(jié)果的真實(shí)性具有決定性作用。特別是針對(duì)建下煤層，預(yù)計(jì)結(jié)果對(duì)指導(dǎo)其開采具有重大的意義。進(jìn)行建下煤層開采前，必須進(jìn)行地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)計(jì)算，因?yàn)轭A(yù)計(jì)計(jì)算結(jié)果是用來判斷建(構(gòu))筑物是否因煤層開采而被損壞及判斷其被損壞的等級(jí)大小，用來決定煤層開采方法的選取，并作為選取保護(hù)建(構(gòu))筑物措施的重要依據(jù)。如果預(yù)計(jì)參數(shù)賦值過大，那么因此計(jì)算出的預(yù)計(jì)結(jié)果將過大，這將使在建(構(gòu))筑物維修時(shí)產(chǎn)生大量不必要的費(fèi)用;預(yù)計(jì)參數(shù)賦值過小，那么因此計(jì)算出的預(yù)計(jì)結(jié)果將較小，這可能會(huì)使采取的相關(guān)保護(hù)措施不到位，而造成建(構(gòu))筑物發(fā)生破壞，甚至?xí)?duì)地面居民的人身安全構(gòu)成重大的威脅[5，6]。

地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)參數(shù)的選取，主要根據(jù)煤層開采方法、頂板管理方法、上覆巖層性質(zhì)、重復(fù)采動(dòng)次數(shù)以及采深采厚比等因素以及對(duì)楊莊煤礦地表觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析。依照《規(guī)程》規(guī)定和364采區(qū)Ⅲ642工作面所屬區(qū)域的工程地質(zhì)條件，確定最終預(yù)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 地表沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)

5 地表沉陷預(yù)計(jì)及分析

在楊莊煤礦364采區(qū)現(xiàn)有工作面和巷道的基礎(chǔ)上，現(xiàn)就充填開采和不充填開采兩種方案進(jìn)行地表下沉的計(jì)算和分析。

5.1 不充填開采地表沉陷計(jì)算

經(jīng)模擬，采用巷道開采時(shí)，地表下沉等值線圖、地表傾斜等值線圖、水平變形等值線圖如圖1～圖5所示，地表建筑物破壞區(qū)域如圖6所示。

圖1 巷道開采地表下沉等值線圖

圖2 東西方向巷道開采水平變形等值線圖

圖3 南北方向巷道開采水平變形等值線圖

圖4 東西方向巷道開采傾斜等值線圖

圖5 南北方向巷道開采傾斜等值線圖

圖6 巷道開采地表建筑物破壞區(qū)域（加粗區(qū)域?yàn)棰蚣?jí)破壞區(qū)域）

通過概率積分法預(yù)計(jì)可得巷道矸石充填開采最大下沉值、最大水平變形值、最大傾斜值，如表2所示。

根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果分析可知，Ⅲ642工作面采用不充填巷道開采，地表有部分建筑物達(dá)到Ⅱ級(jí)破壞。

5.2 充填開采地表沉陷計(jì)算

經(jīng)模擬，采用巷道矸石充填開采時(shí)，地表下沉等值線圖、地表傾斜等值線圖、水平變形等值線圖如圖7～圖11所示。

表2 巷道不充填開采后地表移動(dòng)變形最大值

圖7 地表下沉等值線圖

圖8 東西方向水平變形等值線圖

圖9 南北方向水平變形等值線圖

圖10 東西方向傾斜等值線圖

通過概率積分法預(yù)計(jì)，巷道矸石充填開采最大下沉值、最大水平變形值、最大傾斜值如表3所示。

表3 巷道矸石充填開采后地表移動(dòng)變形最大值

根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果分析可知，Ⅲ642工作面采用巷道矸石充填開采，地表建筑物基本不受采動(dòng)影響，破壞范圍控制在Ⅰ級(jí)以內(nèi)，無Ⅱ級(jí)破壞。

6 結(jié)語

通過采用概率計(jì)算的方法，對(duì)楊莊煤礦364采區(qū)Ⅲ642工作面建下保護(hù)煤柱充填開采和不充填開采兩種方案進(jìn)行地表下沉的計(jì)算，分析可得:Ⅲ642工作面建下保護(hù)煤柱采用巷道矸石充填開采，能夠有效控制地表沉降，保證地面村莊居民人身安全，對(duì)地面建筑物的破壞不構(gòu)成威脅，能夠?qū)崿F(xiàn)建下保護(hù)煤柱綠色安全開采。

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