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(xué)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?？捎^的，其中大部分是位于建筑物下。進(jìn)行地下開采煤炭時，自然會破壞相應(yīng)巖層的原始應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力的重新分布，在這個過程中，巖體會產(chǎn)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(fā)生倒塌、裂縫、下沉等現(xiàn)象。為了充分開采地下礦產(chǎn)資源，并對地面建筑物等的影響程度做更進(jìn)一步的了解，及時對地表的沉陷狀況進(jìn)行預(yù)測就顯得十分必要。預(yù)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(yīng)用比較成熟，本文采用概率積分法對開采沉陷進(jìn)行了預(yù)計(jì)。

依據(jù)該方法，再結(jié)合相應(yīng)煤礦的地質(zhì)條件、開采方式、地表及巖層的移動特征，就可通過計(jì)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(zhì)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(qū)的首采工作面，地形溝谷縱橫，標(biāo)高為1192～1300 m，煤層底板標(biāo)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(jī)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(jù)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(jù)原有留設(shè)煤柱計(jì)算的沉陷范圍

蘇村煤礦在10101工作面設(shè)計(jì)時，根據(jù)規(guī)程的相關(guān)要求留設(shè)有保護(hù)煤柱。圖1為開采塌陷范圍計(jì)算圖，根據(jù)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(jì)算圖

結(jié)合前面地質(zhì)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(jù)以往對蘇村煤礦10＃塌陷區(qū)動態(tài)觀測計(jì)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(yīng)的地表為中心，輻射周圍184.88 m范圍內(nèi)都是受影響區(qū)域。

3 預(yù)計(jì)模型

3.1 預(yù)計(jì)模型的建立

依據(jù)10101工作面的地質(zhì)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(shè)與壓煤開采規(guī)程》（以下簡稱規(guī)程）的概率積分法及相應(yīng)編制的計(jì)算機(jī)軟件（山區(qū)煤礦開采地表移動變形預(yù)計(jì)系統(tǒng)MMSPS軟件，簡稱VB程序）進(jìn)行計(jì)算、模擬。

3.2 參數(shù)的選取

蘇村煤礦所在的井田位于河?xùn)|煤田中部，區(qū)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(qū)域內(nèi)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?xùn)|煤田離石礦區(qū)境內(nèi)，井田內(nèi)地表幾乎全為上第三系上新統(tǒng)（N2），第四系中、上更新統(tǒng)（Q2＋3），全新統(tǒng)（Q4）所覆蓋，僅在較大的溝谷有零星的二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1X）出露。因而可知，井田內(nèi)主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組。

本文主要計(jì)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(zhì)條件和開采條件相似的煤礦作比較，選用以下數(shù)值作為本礦的地表移動變形預(yù)計(jì)參數(shù)，其中下沉系數(shù)選用為0.8，主要影響角正切值選為2.0，水平移動系數(shù)選為0.3，拐點(diǎn)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(jì)算結(jié)果

通常地面建筑物等的破壞程度是由采空區(qū)地表沉陷范圍內(nèi)地表移動變形值的大小確定的。通常將地表點(diǎn)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(diǎn)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(jié)合上述計(jì)算模型及參數(shù)選取，輸入《山區(qū)煤礦開采地表移動變形預(yù)計(jì)系統(tǒng)MMSPS》軟件程序進(jìn)行計(jì)算模擬，可得10101工作面上方地表移動變形最大值結(jié)果。下沉變形最大值＋4518 mm；水平移動最大值與計(jì)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(jì)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(yù)計(jì)模型確定的沉陷范圍

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，輸入相應(yīng)的VB程序模擬，可得地表移動變形對應(yīng)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(jù)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(yīng)的地表為中心，輻射周圍167.11 m范圍內(nèi)都是受影響區(qū)域。

3.5 建筑物損壞等級分析

結(jié)合規(guī)程中的相關(guān)要求，建筑物受損害等級判定見表1。

如果預(yù)計(jì)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(jù)上面的計(jì)算結(jié)果及模擬出的等值線圖可知，下沉10 mm的等值線（實(shí)際工作中地表下沉的最外邊界常以下沉10 mm的點(diǎn)圈定的）距離10101工作面的水平距離最遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(jié)論

（1）從原有留設(shè)煤柱計(jì)算的沉陷范圍可知，沉陷影響范圍為184.88 m；而根據(jù)概率積分法及VB程序模擬計(jì)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(yīng)的地表為中心，輻射周圍176 m范圍內(nèi)都是受影響區(qū)域。

（2）根據(jù)計(jì)算結(jié)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(nèi)）對應(yīng)的村莊房屋距10101工作面的水平距離在91.6～176 m范圍內(nèi)為I級損壞等級，即極輕微損壞；在63.7～91.6 m范圍內(nèi)為II級損壞等級，即輕度損壞；在62.3～63.7 m范圍內(nèi)為Ⅲ級損壞等級，即中度損壞；在62.3 m范圍內(nèi)為Ⅳ級損壞等級，即嚴(yán)重?fù)p壞。

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