楊莊煤礦建下保護煤柱開采影響分析

朱子良 薛華俊 馬 振

(1.福樂定工業有限責任公司，安徽 淮北 235025; 2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

1 概況

楊莊煤礦屬于安徽省淮北礦業(集團)有限公司建設的核定生產能力為220萬t/年的現代化大型礦井。楊莊井田上方建筑物密集，建下壓煤情況嚴重，據統計楊莊煤礦建下壓煤量達2 000多萬噸，嚴重影響了楊莊煤礦的生產接替。為實現煤礦的增產增效，楊莊煤礦擬對364采區Ⅲ642工作面建下保護煤柱進行開采。為了落實國家有關部門關于煤炭行業綠色安全開采的相關要求，依照國家《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(2000)(下稱《規程》)的規定，保證地面村莊居民的人身安全，減小對建筑物的破壞，楊莊煤礦通過采用概率積分法，結合現場實際情況，選取合理的地表移動和變形預計參數，就充填開采和不充填開采兩種方案進行了地表下沉的比較計算。

2 村莊建筑物采動損害分析和設防標準

因煤層開采導致的地面沉陷將會引起地表發生一定程度的變形，而受建(構)筑物自身抗采動變形的能力和地表變形值大小的影響，地面建(構)筑物將會因建下煤層開采受到不同程度的破壞。依照國家有關部門公布在《規程》中的要求，規定了地面磚混結構建筑物損壞等級劃分標準，其中損壞等級Ⅰ級中規定地表水平變形值ε應小于2.0 mm/m，傾斜值i小于3.0 mm/m，建筑結構基本不需要做維修處理;損壞等級Ⅱ級中規定地表水平變形值ε應小于4.0 mm/m，傾斜值i小于6.0 mm/m，建筑結構需要做小修處理。

在實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)筑物的破壞程度要超過《規程》規定的損壞等級，這是由于我國農村房屋質量普遍較差，抵抗變形能力較低。參考山東省岱莊生建煤礦建(構)筑物下采煤工程實例，當地表拉伸水平變形值ε達到0.9 mm/m～1.5 mm/m左右時，地表建(構)筑物將產生0 mm～4 mm左右寬的裂縫，屬于Ⅰ級的破壞范圍。岱莊湖東礦井地表上為歡城鎮，為樓群建筑物，結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。

3 預計模型

開采沉陷預計結果是評價“三下”(建筑物、水體和鐵路下)采煤可行性的重要資料[2，3]。預計地表移動與變形時，根據我國的實際情況，目前可以采用的預計方法有負指數函數法、數值計算法(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。但在實際工程中，無論選用哪種預計方法，都必須保證選用參數的準確性和可靠性，任何沒有通過現場真實資料嚴格檢驗的參數或方法，在預計過程中都是不能選用的。

概率積分法是目前唯一一種在《規程》中推薦使用的預計方法，在我國的發展相對來說也是比較成熟的，并且在實際工程中，有著廣泛的應用，它是用積分形式表達的以正態分布函數為影響函數的預計地表下沉量的方法，在一般的地表移動和變形預計計算中應用性非常強。概率積分法有預計參數物理意義明確、在參數選取合適的情況下預計精度較高、便于運用計算機實現運算自動化等特點[4]。

預計數學模型如下:

下沉:

傾斜:

曲率:

水平移動:

水平變形:

其中，W為地表充分采動的下沉值;U為地表充分采動水平移動值;r為主要影響半徑;x為計算點的相對坐標(考慮了拐點偏移距)。

4 地表移動參數的選取

進行地表移動和變形預計計算，相關預計參數的選取及其賦值的可靠性至關重要，因為它對預計結果的真實性具有決定性作用。特別是針對建下煤層，預計結果對指導其開采具有重大的意義。進行建下煤層開采前，必須進行地表移動和變形預計計算，因為預計計算結果是用來判斷建(構)筑物是否因煤層開采而被損壞及判斷其被損壞的等級大小，用來決定煤層開采方法的選取，并作為選取保護建(構)筑物措施的重要依據。如果預計參數賦值過大，那么因此計算出的預計結果將過大，這將使在建(構)筑物維修時產生大量不必要的費用;預計參數賦值過小，那么因此計算出的預計結果將較小，這可能會使采取的相關保護措施不到位，而造成建(構)筑物發生破壞，甚至會對地面居民的人身安全構成重大的威脅[5，6]。

地表移動和變形預計參數的選取，主要根據煤層開采方法、頂板管理方法、上覆巖層性質、重復采動次數以及采深采厚比等因素以及對楊莊煤礦地表觀測站實測數據整理分析。依照《規程》規定和364采區Ⅲ642工作面所屬區域的工程地質條件，確定最終預計參數，如表1所示。

表1 地表沉陷預計參數

5 地表沉陷預計及分析

在楊莊煤礦364采區現有工作面和巷道的基礎上，現就充填開采和不充填開采兩種方案進行地表下沉的計算和分析。

5.1 不充填開采地表沉陷計算

經模擬，采用巷道開采時，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域（加粗區域為Ⅱ級破壞區域）

通過概率積分法預計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。

根據預計結果分析可知，Ⅲ642工作面采用不充填巷道開采，地表有部分建筑物達到Ⅱ級破壞。

5.2 充填開采地表沉陷計算

經模擬，采用巷道矸石充填開采時，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

通過概率積分法預計，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變形最大值

根據預計結果分析可知，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影響，破壞范圍控制在Ⅰ級以內，無Ⅱ級破壞。

6 結語

通過采用概率計算的方法，對楊莊煤礦364采區Ⅲ642工作面建下保護煤柱充填開采和不充填開采兩種方案進行地表下沉的計算，分析可得:Ⅲ642工作面建下保護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，對地面建筑物的破壞不構成威脅，能夠實現建下保護煤柱綠色安全開采。

[1] 翟樹純，岑志剛.陽邑礦井筒煤柱開采地表變形預計分析[J].中國煤炭，2008，34(4):57-59.

[2] 康建榮，王金莊，溫澤民.任意形多工作面多線段開采沉陷預計系統(MSPS)[J].礦山測量，2000(1):24-27.

[3] 朱劉娟，陳俊杰，鄒友峰.任意形狀工作面開采地表移動變形預計的算法實現[J].遼寧工程技術大學學報，2005，24(3):337-340.

[4] 吳揚科.煤礦開采對高速公路影響的評價[J].河南理工大學學報(自然科學版)，2007，26(4):446-450.

[5] 楊守國.礦山地表移動預計系統及其在鐵山南煤礦中的應用研究[D].重慶:重慶大學，2004.

[6] 韓 云.厚松散層下開采地表沉陷規律研究及應用[J].煤礦開采，2008，13(2):85-86.