建筑物下ZFN87013工作面開(kāi)采地表變形預(yù)計(jì)

王丙迎

(西山煤電有限責(zé)任公司 屯蘭煤礦，山西 太原 030200)

隨著煤炭資源的回收，全國(guó)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(shí)最重要的是對(duì)地表建筑物的保護(hù)，控制其變形在安全的范圍之內(nèi)，根據(jù)查閱國(guó)家規(guī)程、地方標(biāo)準(zhǔn)以及著作論述等對(duì)地表建筑物損傷等級(jí)的界定，其中一級(jí)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)采后的地表變形進(jìn)行預(yù)計(jì)，判斷其變形值是否滿(mǎn)足規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的要求。地表變形預(yù)計(jì)的算法很多，有數(shù)值模擬法、概率積分法、剖面曲線(xiàn)法和主斷面擬合函數(shù)法等，其中概率積分法是眾多方法中應(yīng)用最廣，應(yīng)用效果最好的算法[5-6]。本文采用概率積分法對(duì)ZFN87013工作面采后的地表變形進(jìn)行預(yù)計(jì)。

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(jié)構(gòu)板房，建筑時(shí)間都在20年之內(nèi)，抗震抗變形能力較強(qiáng)。在莊內(nèi)還有一所東寧莊幼兒園，幼兒園內(nèi)學(xué)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(zhǎng)度約210 m，傾斜長(zhǎng)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(dòng)裂隙發(fā)育較大，而且發(fā)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(guò)實(shí)測(cè)和調(diào)研東寧礦的生產(chǎn)狀況，掌握地質(zhì)采礦條件，確定了下沉預(yù)計(jì)各個(gè)參數(shù)，平均采深為239 m、下沉系數(shù)0.67、水平移動(dòng)系數(shù)0.31、拐點(diǎn)偏距0.047倍采深、主要影響角正切值1.7。應(yīng)用以上確定的預(yù)計(jì)參數(shù)，采用概率積分法對(duì)采后地表變形進(jìn)行預(yù)計(jì)分析。

2 地表變形預(yù)計(jì)方法

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

下沉值計(jì)算模型：

(1)

傾斜值計(jì)算模型：

(2)

曲率值計(jì)算模型：

(3)

水平移動(dòng)值計(jì)算模型：

(4)

水平變形值計(jì)算模型：

(5)

扭曲變形計(jì)算模型：

(6)

剪切變形計(jì)算模型：

(7)

式中:x為計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)；W0為最大下沉值；r為主要影響半徑；b為水平移動(dòng)系數(shù)；lx為分段測(cè)點(diǎn)在x方向上的間距；ly為分段測(cè)點(diǎn)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(kāi)采地表變形預(yù)計(jì)及分析

基于以上的概率積分法計(jì)算模型，應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)ZFN87013工作面采后地表變形進(jìn)行預(yù)計(jì)分析。根據(jù)地表變形理論在走向和傾向相比較，較長(zhǎng)的斷面發(fā)生的地表變形值較大，所以在ZFN87013工作面走向主斷面設(shè)置了20個(gè)地表變形預(yù)計(jì)點(diǎn)，各個(gè)預(yù)計(jì)點(diǎn)間距離相等。預(yù)計(jì)結(jié)果如表1所示，將表1中的數(shù)據(jù)繪制出斷面變形曲線(xiàn)，如圖1所示。

從圖1和表1可以看出20個(gè)預(yù)計(jì)點(diǎn)七個(gè)變形值的變化范圍和趨勢(shì)，從下沉值可以看出下沉盆地是一個(gè)尖底而不是平底，說(shuō)明沒(méi)有達(dá)到充分采動(dòng)，其中最大下沉值為1.344 0 m，同時(shí)也得到了其它各個(gè)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(dòng)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(gè)變形值最大值與一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)變形值對(duì)比，列于表2。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定中對(duì)下沉值和水平移動(dòng)值沒(méi)有進(jìn)行規(guī)定，因?yàn)槿绻?構(gòu))筑物在水平方向和垂直方向發(fā)生移動(dòng)，是不會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生損傷的，所以只對(duì)其它5個(gè)變形值進(jìn)行規(guī)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(jí)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)?？梢?jiàn)雖然采用垮落法開(kāi)采會(huì)對(duì)地表建筑物產(chǎn)生一定的影響，但各個(gè)變形值都控制在了一級(jí)范圍，地表建筑物可以正常使用，ZFN87013工作面開(kāi)采可行。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 查閱國(guó)家規(guī)程、地方標(biāo)準(zhǔn)和各著作，確定了地表建筑物為磚混結(jié)構(gòu)時(shí)其一級(jí)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的各個(gè)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(duì)ZFN87013工作面采后的地表變形進(jìn)行預(yù)計(jì)，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(dòng)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(duì)比一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)計(jì)結(jié)果，可以得出ZFN87013工作面開(kāi)采可行，可保證村莊的建筑物安全。

表1 地表變形預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)

表2 各變形值最大值與一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比數(shù)據(jù)

圖1 地表變形預(yù)計(jì)值曲線(xiàn)