煤礦采動損害評價系統(tǒng)的建立及應(yīng)用

谷小敏，吳作啟

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

煤礦采動損害評價系統(tǒng)的建立及應(yīng)用

谷小敏1，2，吳作啟1，2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實驗室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

為了正確全面評價采動損害，更好協(xié)調(diào)地礦關(guān)系，指導(dǎo)礦山企業(yè)制定合理的開采接續(xù)設(shè)計,全面研究了我國現(xiàn)行的礦區(qū)各類地物的采動損害評價標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，開發(fā)了用于采動損害技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價的計算機(jī)輔助系統(tǒng)。對徐州礦區(qū)張小樓井在劉集鎮(zhèn)村莊下采煤設(shè)計方案進(jìn)行采動損害綜合補(bǔ)償評價，計算得到了各設(shè)計開采方案條件下各類地物采動損害補(bǔ)償金額，為礦山生產(chǎn)規(guī)劃的優(yōu)選決策提供了客觀依據(jù)。

采動損害評價；開采沉陷；三下采煤

我國是以煤炭為主要能源的國家，特別是近十年以來，煤炭產(chǎn)量有較大幅度地提高，2014年的煤炭產(chǎn)量已達(dá)4.3Gt，從而造成了大量的開采沉陷問題。礦區(qū)開采損害問題普遍存在，工農(nóng)關(guān)系受到影響，造成社會矛盾，同時，開采沉陷也給煤礦造成了巨大的經(jīng)濟(jì)與生產(chǎn)壓力[1]。

因此，通過對煤礦采動損害進(jìn)行科學(xué)評價來指導(dǎo)礦山生產(chǎn)企業(yè)做出合理的接續(xù)規(guī)劃是煤炭生產(chǎn)急需解決的重要課題。

針對我國的煤炭開采實際和采動損害規(guī)律，開采沉陷領(lǐng)域的學(xué)者做了深入研究。崔希民分析了國內(nèi)外建筑物損害臨界變形值確定和損壞等級劃分研究現(xiàn)狀，歸納了目前國內(nèi)外關(guān)于采動損害評價方法的優(yōu)缺點(diǎn)[2]；胡炳南針對影響建筑物損壞的指標(biāo)不靈活、適用性差的缺點(diǎn)，基于模糊理論對權(quán)重進(jìn)行了模糊處理，實現(xiàn)了建筑物在采動影響下的損壞程度模糊綜合評判[3]；郭文兵采用模糊等價關(guān)系的模糊聚類分析方法對采動影響下建筑物損害程度進(jìn)行了分類研究，并取得了良好的應(yīng)用效果[4]；劉立民等利用可拓集進(jìn)行了采動影響下建筑物損害的物元模型評價[5]；宮鳳強(qiáng)和廖孟光等基于未確知測度模型分別從采空區(qū)危險性[6]和采空區(qū)房屋損壞進(jìn)行了評價[7]，并取得了理想的實際效果；饒正保等利用GIS的強(qiáng)大數(shù)據(jù)管理功能實現(xiàn)了沉陷區(qū)建筑物損害評價的可視化[8]；鄧喀中等從采空區(qū)建筑物地基和建筑物附加應(yīng)力等機(jī)理方面開展了采空區(qū)建筑物損害研究[9]；吳揚(yáng)科進(jìn)行了采空區(qū)對高速公路的影響研究[10]；顧和和等研究了高潛水位地區(qū)的開采塌陷對耕地的破壞機(jī)理研究[11]。但對于包括建筑物在內(nèi)的采空區(qū)多類地物綜合采動損害評價的論文相對較少。因此，本文在對煤礦采動損害評價指標(biāo)及評價模型分析研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)現(xiàn)行國家煤炭生產(chǎn)相關(guān)規(guī)程建立了一套較完善的采動損害技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價計算機(jī)輔助系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對徐州礦區(qū)張小樓井劉集鎮(zhèn)瓦房村村莊下采煤進(jìn)行了綜合補(bǔ)償評價。

1 煤礦采動損害評價模型

1.1 煤礦采動損害評價指標(biāo)的確定

根據(jù)行業(yè)工程應(yīng)用的需求，煤礦采動損害評價內(nèi)容主要包括地表建筑物、土地資源、公路及各種管路等方面。雖然不同受損對象的損壞形式、特征及程度各不相同，但受損原因主要由地表下沉、水平移動、傾斜變形、曲率變形和水平變形所致[12]。根據(jù)上述4類受損對象的受損原因確定其采動損害評價指標(biāo)如表1所示。

表1 煤礦采動損害評價指標(biāo)

1.2 煤礦采動損害評價模型

1.2.1 建筑物損壞等級評價及補(bǔ)償模型

根據(jù)《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》[13]的相關(guān)規(guī)定，磚混結(jié)構(gòu)建筑物采動損壞等級分4級，各級別損壞程度與地表變形關(guān)系如表2所示。

表2 磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級評價

建筑物損害補(bǔ)償費(fèi)計算公式為：

式中，A為建筑物的補(bǔ)償費(fèi)，元；B為計算基數(shù)，指與當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門協(xié)商確定的建筑物補(bǔ)償單價，元/m2；C為建筑物折舊率；Di為建筑物受損自然間的補(bǔ)償比率；Ei為受損自然間的建筑面積，m2；n為建筑物受損自然間數(shù)。

1.2.2 土地?fù)p害等級評價及補(bǔ)償模型

根據(jù)《中華人民共和國土地管理法》[14]、《土地復(fù)墾方案編制規(guī)程》(TD/T 1031.3-2011)[15]的相關(guān)規(guī)定，土地采動損害等級與地表變形之間的關(guān)系及補(bǔ)償方式如表3所示。

表3 土地?fù)p害等級評價

減產(chǎn)補(bǔ)償費(fèi)計算公式為：

J1=J青+J附

式中，J1為減產(chǎn)補(bǔ)償費(fèi)，元；J青為青苗補(bǔ)償費(fèi)，元；J附為附著物補(bǔ)償費(fèi)，元；Si為受損面積，m2；Mi為單位面積前3a平均年產(chǎn)值，元/m2；Mi′為開采損害后單位面積年產(chǎn)值，元/m2；Mi″為附著物單位面積補(bǔ)償費(fèi)，元/m2。

復(fù)墾補(bǔ)償費(fèi)計算公式為：

J2=J1+S復(fù)×a

式中，J2為復(fù)墾補(bǔ)償費(fèi)，元；S復(fù)為需要復(fù)墾的土地面積，m2；a為單位面積復(fù)墾費(fèi)用，元/ m2。

絕產(chǎn)補(bǔ)償費(fèi)計算公式為：

式中，J3為絕產(chǎn)補(bǔ)償費(fèi)，元；k±為土地補(bǔ)償系數(shù)；k安為安置補(bǔ)助費(fèi)倍數(shù)；Mi″′為單位面積絕產(chǎn)補(bǔ)償費(fèi)用，元/m2。

土地?fù)p害補(bǔ)償總費(fèi)用計算公式為：

J土=J1+J2+J3

1.2.3 公路損壞評價及補(bǔ)償模型

根據(jù)國家交通部頒布的現(xiàn)行《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTGD30-2015)[16]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，軟土地區(qū)路基允許工后沉降控制指標(biāo)如表4所示，公路采動損壞等級與地表變形之間的關(guān)系及處理方式如表5所示。

表4 公路路基允許工后沉降

表5 公路損壞等級評價

公路采動損害補(bǔ)償費(fèi)計算公式為：

J路=JL+J綠+J交

式中，J路為公路損害補(bǔ)償費(fèi)，元；JL為公路損害路面、路基補(bǔ)償費(fèi)，元；J綠為公路綠化帶補(bǔ)償費(fèi)，元；J交為公路損害交通安全設(shè)施補(bǔ)償費(fèi)，元；Ni為損害路面、路基補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，元；Ni′為損害綠化帶補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，元；Ni″為損害交通安全設(shè)施補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，元；Pi為相應(yīng)公路設(shè)施損害數(shù)量。

1.2.4 管路損壞評價及補(bǔ)償模型

根據(jù)《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》[13]的相關(guān)規(guī)定，礦區(qū)管路采動損壞等級與地表變形之間的關(guān)系及處理方式如表6所示。

表6 管路損壞等級評價

管路采動損害補(bǔ)償費(fèi)計算公式為：

J管=J地面+J地下

式中，J管為管路補(bǔ)償費(fèi)，元；J地面為地面管路補(bǔ)償費(fèi)，元；J地下為地下管路補(bǔ)償費(fèi)，元；G為地面管路單位長度補(bǔ)償費(fèi)，元/m；L為地面管路維修長度，m；G′為地下管路單位長度補(bǔ)償費(fèi)，元/m；L′為地下管路維修長度，m。

2 煤礦采動損害評價計算機(jī)輔助系統(tǒng)的建立

煤礦采動損害評價計算機(jī)輔助系統(tǒng)采用Matlab作為開發(fā)平臺，建立了建筑物損壞等級評價及補(bǔ)償、土地?fù)p害等級評價及補(bǔ)償、公路損壞等級評價及補(bǔ)償、管路損壞等級評價及補(bǔ)償共4個評價模塊，各模塊實現(xiàn)了采動損害的等級評價及經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償計算。采動損害技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 煤礦采動損害評價系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)具有功能完備、計算速度快、界面友好等特點(diǎn)。

3 實例應(yīng)用

徐州礦區(qū)張小樓井計劃對劉集鎮(zhèn)瓦房村保護(hù)煤柱進(jìn)行開采，開采前使用以上采動損害技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價系統(tǒng)對不同開采接續(xù)方案的村莊采動損害進(jìn)行損害補(bǔ)償預(yù)評價。張小樓井地層分布由老至新概述為：寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、第四系。含煤地層為石炭系、二疊系，共分3個含煤組：石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組?，F(xiàn)主采煤層為山西組7煤層和9煤層。其中，7煤層設(shè)計開采工作面6個，9煤層設(shè)計開采工作面9個，具體設(shè)計工作面的基本信息及概率積分法預(yù)計參數(shù)如表7所示，采煤方法均為機(jī)械化綜采，長壁全陷。計算中考慮了周邊已有采空區(qū)的采動影響情況，已有采空區(qū)具體信息略。

表7 采空區(qū)塊段信息及概率積分法預(yù)計參數(shù)

對7、9煤層劉集鎮(zhèn)瓦房村保護(hù)煤柱全部開采后的地表下沉、傾斜變形、水平變形和曲率變形等進(jìn)行了計算，通過計算得出7煤層6個設(shè)計工作面和9煤層9個設(shè)計工作面全部開采條件下地表最大下沉值為3342.3mm，地表最大傾斜變形值為+6.5mm/m，最大水平拉伸變形為+4.13mm/m，最大水平壓縮變形為-9.10mm/m，最大曲率變形為0.031 /m。根據(jù)地表變形等值線與各類地物的相對位置關(guān)系確定各類地物的損壞等級及處理方式，應(yīng)用煤礦采動損害評價系統(tǒng)對該采空區(qū)造成的村莊及土地、道路、管路等損壞進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的評價結(jié)果如表8所示。

煤礦采動損害評價系統(tǒng)對該采空區(qū)造成的村莊損壞進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的評價結(jié)果中總補(bǔ)償金額為1556.14萬元，其中建筑物損壞補(bǔ)償金額為720.80萬元，土地?fù)p害補(bǔ)償金額為299.51萬元，公路損壞補(bǔ)償金額為496.83萬元，管路損壞補(bǔ)償金額為39.60萬元。由計算結(jié)果可知建筑物損壞補(bǔ)償仍然占所有采動損害補(bǔ)償中比例最大，且建筑物損壞直接關(guān)系到居民的生命安全和根本利益，故建筑物損壞評價在各類地物采動損害評價中處于最重要地位。由于該評價地區(qū)處于我國東部較發(fā)達(dá)地區(qū)，農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展較為完善，道路損壞補(bǔ)償相對較大，土地?fù)p壞及管路損壞補(bǔ)償次之。

表8 煤礦采動損害評價結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)通過選擇合理的采動損害評價指標(biāo)和適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)建立了煤礦采動損害評價模型，實現(xiàn)了計算機(jī)軟件的開發(fā)。

(2)應(yīng)用建立的煤礦采動損害評價系統(tǒng)，對徐州礦區(qū)張小樓井在劉集鎮(zhèn)瓦房村下采煤設(shè)計方案進(jìn)行了評價，得出了相應(yīng)的損害評價結(jié)果及補(bǔ)償結(jié)果。

(3)工程實例的計算結(jié)果表明建筑物損壞補(bǔ)償仍占采動損害補(bǔ)償?shù)闹黧w，道路、土地和管路損壞補(bǔ)償次之。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Building and Application of Mining Damage Evaluation System in Coal Mine

GU Xiao-min1,2，WU Zuo-qi1,2

(1.Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China)

In order to comprehensive and fully evaluated mining damage，and the relationship between local and mine would be coordinated，guided for rational mining sustainable designing of mining enterprise，all kinds mining damage evaluation standards and procedures of surface features in domestic were studied fully，and then computer aided system of mining damage techno-economic appraisal was developed.Mining damage synthesize compensate evaluation of mining designing scheme was done ,which mining under Liujizhen village of Zhangxiaolou mine in Xuzhou coal mine area，it refers for optimization decision of mine production planning.

mining damage evaluation system；mining subsidence；“three unders”mining

2017-02-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.019

國家科技重大專項(2016ZX05045001-004)；國家自然科學(xué)基金(51404139)

谷小敏(1982-)，女，河北石家莊人，助理研究員，碩士，主要從事采空區(qū)勘查與治理方面的工作。

谷小敏，吳作啟.煤礦采動損害評價系統(tǒng)的建立及應(yīng)用[J].煤礦開采，2017，22(4)：75-78，9.

TD

A

1006-6225(2017)04-0075-04