羊東礦保護煤柱開采地表變形研究

張夢華

（中國煤炭地質總局 水文物測隊，河北 邯鄲 056000）

0 引 言

目前我國煤炭開發率相對較低，而造成這種結果的原因就包括“三下”壓煤量眾多[1-8]，部分礦井便致力于解放三下壓煤。礦井有一部分處在建筑物下，造成開采難度增大，制約了煤炭回收率[9]。很多建筑物為村莊內建筑物，對村莊下壓煤進行開采影響著居民的生活。而一些工業工廠同時處在礦井之上，開采活動對工廠設備及正常運轉起到影響[10]。因此要合理利用這些煤炭資源，設法將煤炭安全合理采出，避免煤炭資源流失，從而提高煤炭回收率。由于長期開采羊東礦羊渠河井田已面臨煤炭資源的枯竭，井下存在大量煤柱，對煤柱進行開采可有效增大經濟效益，進而維持礦區的運行，部分煤柱留設在工業廣場下，可適量對這些煤柱進行開采[11-12]。羊東礦經過多年的開采，“三下”壓煤外的煤炭資源已基本采出，加之深部開采的困難性，導致可回收的井下煤炭資源逐漸減少。但羊東礦煤質優良，為了提高煤炭的采出率，保證煤炭質量，維持礦井正常運行，擬開采一坑工業廣場煤柱。

本文采用概率積分模型對地表變形值進行預計分析，通過研究工業廣場保護煤柱開采所導致的重要建構筑物采動損害特征，分析工業廣場保護煤柱開采中重要建構筑物的影響程度以及墻體、地面變形情況，在此基礎上制定相應的維護措施，從而控制開采對地表的影響，保護地表建筑物，實現煤炭合理有效開采。

1 概率積分法理論計算

1.1 概率積分法基本原理

由于煤層的開采，上方巖層的移動具有不確定性和隨機性，概率積分法就是將巖層移動的過程當成隨機發生的過程，并結合概率論，將地表與地下巖層的移動通過表達式的形式展現出來，該過程符合迭加原理，通過積分方法較為準確的將影響地表變形的各參數代入，從而計算地表變形的各項指標，有效的對地表變形進行預測[13-15]。

最大下沉值公式為：

式中：M 為煤層平均厚度，m；q 為下沉系數；α為煤層傾角，°；b 為水平移動系數；r 為主要影響半徑，m。

1.2 概率積分法參數選取

根據概率積分法預計的基本原理及計算公式，概率積分法預計所需的幾個預計參數為下沉系數q、主要影響角正切值tanβ、水平移動系數b、拐點偏移距S 和開采影響傳播角θ0等，這些參數與很多因素有關，例如開采環境、地質條件、煤礦賦存情況等。其中下沉系數q 與煤層厚度、巖性、表土厚度、開采條件、地質條件等因素有關，其計算方法為地表最大下沉值與采厚之比。當煤層達到充分采動后，水平方向上地表存在最大水平移動值，豎直方向上地表存在最大下沉值，這兩者之比即為水平移動系數b，此系數與眾多因素有關，包括埋深、采高、煤層傾角、松散層厚度等。煤層開采有一定的邊界，從開切眼到開采結束的這段范圍定義為開采邊界，而由于下方的開采，地表也存在著影響邊界，兩邊界點連線與水平方向存在一定角度，以傾向斷面為視角，通過拐點偏移距求得的此夾角即為開采影響傳播角θ0，在走向斷面上，埋深或者是走向邊界的開采深度與主要影響半徑之比即為主要影響角正切tanβ，由于覆巖巖性的不同，tanβ 的值也存在著差異。地表下沉曲線拐點即地表影響邊界按θ0的連線與采區相交，該交點與煤層開采邊界沿開采方向的長度就叫做拐點偏移距。由于煤層開采，采空區形成，頂板出現懸頂，懸臂作用導致了拐點偏移距的形成，由于拐點偏移距的形成，地表下沉曲線的形狀也隨之變化。

根據冀中能源峰峰集團有限公司村莊下采煤多年來觀測和總結的成果，峰峰礦區羊東礦全采充分采動情況下的地表移動參數取值為：下沉系數q=0.78；主要影響正切值tanβ=2.1；拐點偏移距S=0.1 H；開采影響傳播角θ0＝87°；水平移動系數b=0.3。

2 計算結果分析

根據羊東礦實際地質資料，將各參數分別代入式（1） ～式（4） 得到最大下沉值為1.7 m，最大水平位移值為0.51 mm/m，最大傾斜值為16 mm/m，曲率為0.68（10-3/m）。按照《建構筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中，對于長度或變形區段內長度小于20 m 的磚混結構建構筑物損壞等級劃分標準確定羊東礦一坑廠區建（構） 筑物受損的級別標準，見表1。

表1 磚混結構建構筑物損壞等級計算標準Table 1 Standard table for damage grade calculation of brick-concrete structure buildings

根據預計結果，結合《規范》中磚混結構看變形指標，交換站外側的樓房受到IV 級破壞，磚墻上會出現嚴重交叉或貫通裂縫，甚至墻體嚴重外鼓、歪斜，需要進行及時維修。內部交換站的地基處理較好，供熱水管承受的變形值小于其允許變形值，為保安全供水管接頭處需經常巡視監測，發現破壞及時處理。同時對地表進行實時監測，如發現 裂縫及時修補。

3 應用效果與經濟效益

羊東礦一坑工業廣場煤柱范圍內已開采06202（Ⅰ塊） 工作面，造成的地面沉降與水平位移都在預計范圍內；開采后地面水暖交換站供熱系統完好，熱交換墻體無大的破壞情況；地面水暖交換站內機電設備基礎無損害變形，廠房內地面沉降在預計范圍內，對機電設備正常運轉無影響，墻面有細微裂痕，底板有不超過15 mm 縫隙，經過修葺后不影響正常使用，達到了預期的效果。通過分析開采后地面水暖交換站及周邊墻體出現破壞的原因，有針對性的對井筒進行提前維修，同時在煤柱開采過程中經常對地面水暖交換站及內部設施進行檢查維修。

一坑工業廣場煤柱預計開采06202 工作面，包含06202（Ⅰ塊） 工作面和06202（Ⅱ塊） 工作面，合計回采煤量20.3 萬t，其中06202（Ⅰ塊） 工作面已采出6.8 萬t，目前羊東礦噸煤銷售價格為530元/t，噸煤上交稅金為100 元/t，噸煤直接成本為300 元/t，噸煤其他費用為22 元/t，煤柱開采對一坑工業廣場地面水暖交換站的破壞修葺費用預計為2 萬元，對一坑自用鐵路線的維護費用為252 萬元。估算可獲得的經濟效益為1 990.4 萬元。

4 結 論

（1） 通過概率積分法對羊東礦的地表變形情況進行預計，得到地表最大下沉值為1.7m，最大水平位移值為0.51 mm/m，最大傾斜值為16 mm/m，曲率為0.68（10-3/m）。

（2） 根據預計結果，結合《規范》劃分病害等級的標準，推斷交換站外側的樓房受到IV 級破壞，磚墻上會出現嚴重交叉或貫通裂縫，甚至墻體嚴重外鼓、歪斜，需要進行及時維修。

（3） 將判斷結果應用于現場，發現目前地面沉降與水平位移都在預計范圍內，墻體無大的破壞情況，地面水暖交換站內機電設備基礎無損害變形。并對可獲得的經濟效益進行估算，有效地提高了煤炭回收率。