建筑物下ZFN87013工作面開采地表變形預計

王丙迎

(西山煤電有限責任公司 屯蘭煤礦，山西 太原 030200)

隨著煤炭資源的回收，全國大部分老礦井都面臨著“三下”壓煤，在“三下”壓煤中建筑物下的資源又是壓煤量最大的，大約占總壓煤量的48%左右[1-2]。在回收建筑物下壓煤時最重要的是對地表建筑物的保護，控制其變形在安全的范圍之內，根據查閱國家規程、地方標準以及著作論述等對地表建筑物損傷等級的界定，其中一級保護標準要求建筑物的傾斜值小于等于3.0 mm/m、曲率值小于等于0.2×10-3/m、水平變形值小于等于2.0 mm/m、扭曲變形值小于等于0.1×10-3/m、剪切變形值小于等于1 mm/m[1,3,4]。

在建筑物下工作面回收資源之前必須對采后的地表變形進行預計，判斷其變形值是否滿足規程和標準的要求。地表變形預計的算法很多，有數值模擬法、概率積分法、剖面曲線法和主斷面擬合函數法等，其中概率積分法是眾多方法中應用最廣，應用效果最好的算法[5-6]。本文采用概率積分法對ZFN87013工作面采后的地表變形進行預計。

1 工程背景

東寧煤礦ZFN87013工作面位于東寧莊下，東寧莊常住人口大約1500人，地表建筑物多為磚混結構板房，建筑時間都在20年之內，抗震抗變形能力較強。在莊內還有一所東寧莊幼兒園，幼兒園內學生大約在校50人左右。ZFN87013工作面埋深在230～245 m之間，工作面走向長度約210 m，傾斜長度約147 m，煤層傾角4.5°，屬于近水平煤層。工作面覆巖巖性為中硬巖層，采動裂隙發育較大，而且發育速度較快，地表有大約30 m的表土層，表土層主要以泥沙巖為主。

通過實測和調研東寧礦的生產狀況，掌握地質采礦條件，確定了下沉預計各個參數，平均采深為239 m、下沉系數0.67、水平移動系數0.31、拐點偏距0.047倍采深、主要影響角正切值1.7。應用以上確定的預計參數，采用概率積分法對采后地表變形進行預計分析。

2 地表變形預計方法

概率積分法的建模原理是將上覆巖層視為均質散體，當下方采空后，上方的覆巖會以自由散落的形式向下方移動，移動過程中遵循概率論基本原理，即根據各散體位置向某一位置的散落可能性進行概率化，在此原理之上建立了計算覆巖下沉過程中的計算模型，概論積分法可以對下沉值、傾斜值、曲率值、水平移動值、水平變形值、扭曲變形值和剪切變形值進行預計[1,6,7]。

下沉值計算模型：

(1)

傾斜值計算模型：

(2)

曲率值計算模型：

(3)

水平移動值計算模型：

(4)

水平變形值計算模型：

(5)

扭曲變形計算模型：

(6)

剪切變形計算模型：

(7)

式中:x為計算點坐標；W0為最大下沉值；r為主要影響半徑；b為水平移動系數；lx為分段測點在x方向上的間距；ly為分段測點在y方向上的間距；Δi為傾斜值變化量；ΔU(x) 為x方向的水平位移變化量；ΔU(y) 為y方向的水平位移變化量。

3 垮落法開采地表變形預計及分析

基于以上的概率積分法計算模型，應用MATLAB軟件對ZFN87013工作面采后地表變形進行預計分析。根據地表變形理論在走向和傾向相比較，較長的斷面發生的地表變形值較大，所以在ZFN87013工作面走向主斷面設置了20個地表變形預計點，各個預計點間距離相等。預計結果如表1所示，將表1中的數據繪制出斷面變形曲線，如圖1所示。

從圖1和表1可以看出20個預計點七個變形值的變化范圍和趨勢，從下沉值可以看出下沉盆地是一個尖底而不是平底，說明沒有達到充分采動，其中最大下沉值為1.344 0 m，同時也得到了其它各個變形值的最大值，傾斜最大值為0.522 9 mm/m、曲率最大值為0.005 6×10-3/m、水平移動最大值為0.832 2 m、水平變形最大值為0.374 1 mm/m、扭曲最大值為0.007 7×10-3/m、剪切最大值為0.414 6 mm/m。將各個變形值最大值與一級標準變形值對比，列于表2。

相關標準和規定中對下沉值和水平移動值沒有進行規定，因為如果建(構)筑物在水平方向和垂直方向發生移動，是不會對建筑物產生損傷的，所以只對其它5個變形值進行規定。從表2中可以看出，傾斜值、曲率值、水平變形值、扭曲值和剪切值都在一級保護標準范圍內。可見雖然采用垮落法開采會對地表建筑物產生一定的影響，但各個變形值都控制在了一級范圍，地表建筑物可以正常使用，ZFN87013工作面開采可行。

4 結 語

1) 查閱國家規程、地方標準和各著作，確定了地表建筑物為磚混結構時其一級保護標準的各個變形值要求分別為：傾斜值小于等于3.0 mm/m、曲率值小于等于0.2×10-3/m、水平變形值小于等于2.0 mm/m、扭曲變形值小于等于0.1×10-3/m、剪切變形小于等于1 mm/m。

2) 采用概率積分法和MATLAB軟件對ZFN87013工作面采后的地表變形進行預計，得到下沉最大值為1.344 0 m，傾斜最大值為0.522 9 mm/m、曲率最大值為0.005 6×10-3/m、水平移動最大值為0.832 2 m、水平變形最大值為0.374 1 mm/m、扭曲最大值為0.007 7×10-3m、剪切最大值為0.414 6 mm/m。

對比一級標準和預計結果，可以得出ZFN87013工作面開采可行，可保證村莊的建筑物安全。

表1 地表變形預計數據

表2 各變形值最大值與一級標準對比數據

圖1 地表變形預計值曲線