開采沉陷對地面建筑物的影響研究

姚文華 宋選民

（太原理工大學采礦工藝研究所，山西省太原市，030024）

在我國，“三下”壓煤量占的比例是非常可觀的，其中大部分是位于建筑物下。進行地下開采煤炭時，自然會破壞相應巖層的原始應力，進而導致應力的重新分布，在這個過程中，巖體會產生移動、變形、下沉等，向上波及地表，最終會在地表形成移動盆地，從而使地面建筑物等地物地貌發生倒塌、裂縫、下沉等現象。為了充分開采地下礦產資源，并對地面建筑物等的影響程度做更進一步的了解，及時對地表的沉陷狀況進行預測就顯得十分必要。預測地表沉陷的方法有很多，包括概率積分法、典型曲線法等，但只有概率積分法應用比較成熟，本文采用概率積分法對開采沉陷進行了預計。

依據該方法，再結合相應煤礦的地質條件、開采方式、地表及巖層的移動特征，就可通過計算得出開采沉陷引起的地表最大下沉值、最大傾斜值、最大曲率、最大水平值和最大水平變形值，從而確定地表沉陷影響范圍。

1 地質概況

蘇村煤礦10＃煤層10101工作面位于礦井的西部，郭家山村以東一帶，為該采區的首采工作面，地形溝谷縱橫，標高為1192～1300 m，煤層底板標高為890～950 m，煤層埋藏深度為242～410 m，工作面走向長800 m，工作面傾斜長157 m，面積95770 m2，煤層傾角2～10°，平均6°左右。煤層平均厚度為6.11 m，工作面機采高度為2.2 m，放頂煤高度為3.91 m，采放比為1∶1.77。根據礦方提供的鉆孔柱狀圖可知，表土松散層厚度為83.85 m，基巖厚度為310.95 m。

2 依據原有留設煤柱計算的沉陷范圍

蘇村煤礦在10101工作面設計時，根據規程的相關要求留設有保護煤柱。圖1為開采塌陷范圍計算圖，根據圖1可確定在留有該煤柱情況下，工作面開采引起的沉陷范圍。

式中：h——松散層厚度，m；

φ——松散層移動角，（°）；

H——基巖厚度，m；

δ——基巖移動角，（°）。

圖1 開采塌陷范圍計算圖

結合前面地質概況知表土松散層厚度h為83.85 m，基巖厚度H 為310.95 m；根據以往對蘇村煤礦10＃塌陷區動態觀測計算，松散層移動角φ為45°，基巖移動角δ為72°，代入上面公式中，可算得沉陷范圍為184.88 m，即以10101工作面上方對應的地表為中心，輻射周圍184.88 m范圍內都是受影響區域。

3 預計模型

3.1 預計模型的建立

依據10101工作面的地質條件、開采方式等，對工作面開采引起的地表移動變形，決定采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》（以下簡稱規程）的概率積分法及相應編制的計算機軟件（山區煤礦開采地表移動變形預計系統MMSPS軟件，簡稱VB程序）進行計算、模擬。

3.2 參數的選取

蘇村煤礦所在的井田位于河東煤田中部，區域地層自東而西由老至新為太古界、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新生界上第三系及第四系地層。區域內主要地層為石炭系和二疊系，以中奧陶系地層為基底。而蘇村煤礦位于河東煤田離石礦區境內，井田內地表幾乎全為上第三系上新統（N2），第四系中、上更新統（Q2＋3），全新統（Q4）所覆蓋，僅在較大的溝谷有零星的二疊系下統下石盒子組（P1X）出露。因而可知，井田內主要含煤地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組。

本文主要計算的是10＃煤層10101工作面開采對地表的影響。通過與同類地質條件和開采條件相似的煤礦作比較，選用以下數值作為本礦的地表移動變形預計參數，其中下沉系數選用為0.8，主要影響角正切值選為2.0，水平移動系數選為0.3，拐點偏移距選為±0.10 H（H 為基巖厚度），影響傳播角選為87°。

3.3 計算結果

通常地面建筑物等的破壞程度是由采空區地表沉陷范圍內地表移動變形值的大小確定的。通常將地表點的下沉和水平移動稱為開采沉陷引起的移動；將因地表相鄰點下沉、水平移動不均衡引起的垂直面上的傾斜、曲率和水平面上的水平變形（含拉伸和壓縮）稱為開采沉陷不均衡引起的變形。

結合上述計算模型及參數選取，輸入《山區煤礦開采地表移動變形預計系統MMSPS》軟件程序進行計算模擬，可得10101工作面上方地表移動變形最大值結果。下沉變形最大值＋4518 mm；水平移動最大值與計算參考的等值線的方向相同的為＋1544 mm，相反的為－1295 mm；傾斜移動最大值與計算參考的等值線的方向相同的為＋36.21 mm／m，相反的為－40.65 mm／m；曲率變形最大值上凸為＋0.51×10－3／m，下凹為－0.75×10－3／m；水平變形最大值拉伸為＋17.26 mm／m，壓縮為27.16 mm／m。

3.4 預計模型確定的沉陷范圍

根據上面的計算結果，輸入相應的VB程序模擬，可得地表移動變形對應的開采沉陷等值線圖（包括地表下沉、傾斜、曲率、水平移動及變形等一系列等值線圖）。依據模擬的地表移動變形等值線圖即可圈定10101工作面開采引起的沉陷范圍，即以10101工作面上方對應的地表為中心，輻射周圍167.11 m范圍內都是受影響區域。

3.5 建筑物損壞等級分析

結合規程中的相關要求，建筑物受損害等級判定見表1。

如果預計的地表變形值小于表中允許變形值就可保證正常使用，否則就會受到損害。

表1 建筑物損壞等級

根據上面的計算結果及模擬出的等值線圖可知，下沉10 mm的等值線（實際工作中地表下沉的最外邊界常以下沉10 mm的點圈定的）距離10101工作面的水平距離最遠為167.11 m；水平變形為±2.0 mm／m、曲率變形為±0.2×10－3／m及傾斜變形為±3.0 mm／m的3條等值線中距離10101工作面的水平距離最遠的是水平變形為±2.0 mm／m的等值線，其距離工作面為 91.6 mm；水平變形為±4.0 mm／m、曲率變形為±0.4×10－3／m及傾斜變形為±6.0 mm／m的3條等值線中距離10101工作面的水平距離最遠的是傾斜變形為±6.0 mm／m的等值線，其距離工作面為63.7 m；水平變形為±6.0 mm／m、曲率變形為±0.6×10－3／m及傾斜變形為±10.0 mm／m 的3條等值線中距離10101工作面的水平距離最遠的是水平變形為±6.0 mm／m的等值線，其距離工作面為62.3 m。

4 結論

（1）從原有留設煤柱計算的沉陷范圍可知，沉陷影響范圍為184.88 m；而根據概率積分法及VB程序模擬計算的沉陷影響范圍為167.11m。比較兩種方法可得10101工作面開采引起的合理沉陷范圍為176 m，即以10101工作面上方對應的地表為中心，輻射周圍176 m范圍內都是受影響區域。

（2）根據計算結果及上面的建筑物損壞等級表可得，10101工作面西南方向（方位角為185～270°范圍內）對應的村莊房屋距10101工作面的水平距離在91.6～176 m范圍內為I級損壞等級，即極輕微損壞；在63.7～91.6 m范圍內為II級損壞等級，即輕度損壞；在62.3～63.7 m范圍內為Ⅲ級損壞等級，即中度損壞；在62.3 m范圍內為Ⅳ級損壞等級，即嚴重損壞。

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