工作面開(kāi)采地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)及對(duì)地表建筑物影響分析

馬晉虎

(晉煤集團(tuán)沁秀煤業(yè)有限公司岳城煤礦，山西 晉城 048205)

岳城煤礦擬開(kāi)采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面，其北部存在部分建筑物，為了分析工作面開(kāi)采后是否對(duì)這些建筑物造成損壞，對(duì)該工作面開(kāi)采進(jìn)行地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)，并對(duì)地表建筑物的影響范圍及影響程度進(jìn)行計(jì)算分析評(píng)價(jià)。

1 待采工作面概況及其與附近民房的位置關(guān)系

1.1 待采工作面概況

岳城煤礦Ⅲ2301、Ⅲ2302工作面開(kāi)采標(biāo)高為+320～+400 m，地表標(biāo)高為+608～689 m，對(duì)應(yīng)開(kāi)采深度為208～369 m，煤層傾角平均為4°，煤層厚度平均為6.02 m，采用分層開(kāi)采方法，上分層開(kāi)采高為3 m，下分層采高為3.02 m，頂板管理方法為全部垮落法。工作面西低東高，煤層底板落差達(dá)80 m，工作面沿煤層走向布置，沿煤層傾向回采。其中Ⅲ2301(上)工作面傾斜長(zhǎng)度為180 m、走向長(zhǎng)度為1176 m，Ⅲ2302(上)工作面傾斜長(zhǎng)度為180 m、走向長(zhǎng)度為1035 m，Ⅲ2301(上)工作面與Ⅲ2302(上)工作面之間煤柱為30 m；Ⅲ2301(下)工作面傾斜長(zhǎng)度為185 m、走向長(zhǎng)度為1149 m，Ⅲ2302(下)工作面傾斜長(zhǎng)度為173 m、走向長(zhǎng)度為1 121 m，Ⅲ2301(下)工作面與Ⅲ2302(下)工作面之間煤柱為25 m，其具體相對(duì)位置圖見(jiàn)圖1。

1.2 待采工作面地質(zhì)條件

岳城煤礦Ⅲ2301、Ⅲ2302工作面開(kāi)采區(qū)域地表大部被第四系黃土覆蓋，根據(jù)鉆孔資料得知奧陶系灰?guī)r為含煤巖系沉積基底，開(kāi)采區(qū)域自上而下有第四系、二疊系、石炭系和奧陶系巖層。待采工作面區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以褶曲為主，但均較寬緩，大多呈北北東向，褶曲核部易發(fā)育斷層、節(jié)理。斷層規(guī)模與落差小，零星分布有陷落柱。待采工作面開(kāi)采區(qū)域主采3#煤層，3#煤位于二疊系下統(tǒng)山西組下部，上距K8砂巖27.76～46.75 m，平均34.91 m；下距K7砂巖0～3.14 m，平均1.06 m。待采工作面區(qū)域3#煤層直接頂板巖性變化較大，主要以粉砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，次為細(xì)至中粒砂巖，個(gè)別地段可見(jiàn)炭質(zhì)泥巖偽頂；煤層底板主要為泥巖、細(xì)粒砂巖，局部為粉砂巖和泥巖。

1.3 待采工作面地表建筑物情況

岳城煤礦Ⅲ2301、Ⅲ2302工作面北側(cè)有鄭村鎮(zhèn)移民新村住宅樓房，建筑物為6層樓房，待采Ⅲ2302工作面距住宅樓最近距離約為120 m，如圖2工作面上方衛(wèi)星拍照所示。

2 待采工作面開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

2.1 預(yù)計(jì)方法

概率積分法是以正態(tài)分布函數(shù)為影響函數(shù)用積分式表示巖層與地表下沉盆地的方法，具有使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，預(yù)計(jì)精度高等特點(diǎn)，可適用于任意形狀工作面、地表任意點(diǎn)的移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)[1-2]。同時(shí)，概率積分法具有一定的理論基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)參數(shù)通過(guò)實(shí)測(cè)資料求得，且對(duì)一個(gè)礦區(qū)參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，參數(shù)變化遵循一定的規(guī)律[3]。因此在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，成為目前煤礦開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形的主要預(yù)計(jì)方法。

岳城煤礦曾在Ⅲ1308(上)工作面上方地表設(shè)置地表移動(dòng)觀測(cè)站，通過(guò)分析觀測(cè)站的實(shí)測(cè)資料和結(jié)果，該區(qū)域地表沉陷規(guī)律符合概率積分法。

2.2 預(yù)計(jì)參數(shù)的確定

根據(jù)概率積分法預(yù)計(jì)的基本原理，預(yù)計(jì)所需的幾個(gè)預(yù)計(jì)參數(shù)為：下沉系數(shù)q、主要影響角正切tanβ、水平移動(dòng)系數(shù)b、拐點(diǎn)偏移距s和開(kāi)采影響傳播角θ等[4]。

2.2.1 地表移動(dòng)觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料

根據(jù)Ⅲ1308(上)工作面地表巖移觀測(cè)站的實(shí)測(cè)資料，采用曲線擬合法，得到了概率積分法主要參數(shù)，如表1所示。

表1 地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)

2.2.2 根據(jù)工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)確定預(yù)計(jì)參數(shù)

(1)上覆巖層巖性的確定方法

根據(jù)待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面附近區(qū)域的鉆孔資料，按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采指南》，結(jié)合本區(qū)域上覆巖層巖性的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P、地質(zhì)條件、開(kāi)采技術(shù)條件等確定待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面上覆巖層巖性特征。

其中，系數(shù)P取決于覆巖巖性及其厚度，可用式(1)表示：

(1)

式中,mi為覆巖i分層的法線厚度，m；Qi為覆巖i分層巖性評(píng)價(jià)系數(shù)。

(2)待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面上覆巖層巖性綜合評(píng)價(jià)系數(shù)的確定

待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面附近比較有代表性的鉆孔有9-6和9-7號(hào)鉆孔，根據(jù)鉆孔柱狀圖的巖層進(jìn)行計(jì)算P值，得到覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)分別為0.72和0.60，平均值取0.66。

(3)根據(jù)上覆巖巖層綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P求參數(shù)

根據(jù)算得的覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P值，并參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采指南》中巖性綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P與巖性影響系數(shù)D的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，岳城煤礦上覆巖層巖性影響系數(shù)D為1.94[5]。由此可知岳城煤礦上覆巖層巖性綜合評(píng)定為中硬偏軟弱巖層。

軟弱偏中硬巖層的概率積分法參數(shù)參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》附錄3，并按經(jīng)驗(yàn)公式分析求得，地表移動(dòng)參數(shù)取值如下：

①下沉系數(shù)q

q=0.5(0.9+P)=0.78

(2)

②主要影響角正切tanβ

tanβ=(D+0.003 2H)(1-0.003 8α)=2.76

(3)

式中，D為巖性影響系數(shù)，其數(shù)值與綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P有關(guān)。

③開(kāi)采影響傳播角θ0

開(kāi)采影響傳播角θ0與煤層傾角α的關(guān)系為：

θ0=90-0.6α=88°[6]

(4)

④水平移動(dòng)系數(shù)b

開(kāi)采水平煤層的水平移動(dòng)系數(shù)b變化較小，一般b=0.3，開(kāi)采傾斜煤層的水平移動(dòng)系數(shù)bc為：

bc=b(1+0.008 6·α)

(5)

式中,α為煤層傾角(°)

⑤拐點(diǎn)偏距S

堅(jiān)硬、中硬和軟弱覆巖的拐點(diǎn)偏移距依據(jù)預(yù)計(jì)開(kāi)采覆巖的性質(zhì)確定。對(duì)于岳城煤礦待采工作面來(lái)說(shuō)，其巖性為中硬偏軟弱巖性，拐點(diǎn)偏移距為0.05H。

根據(jù)以上公式，根據(jù)岳城煤礦的地質(zhì)采礦條件，經(jīng)過(guò)綜合計(jì)算分析，可確定概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)。

2.2.3 預(yù)計(jì)參數(shù)的確定

根據(jù)以上分析，待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面均采用分層開(kāi)采，開(kāi)采上分層時(shí)為初次開(kāi)采，開(kāi)采下分層時(shí)為重復(fù)開(kāi)采。因此，確定工作面預(yù)計(jì)參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮重復(fù)采動(dòng)的影響。

經(jīng)過(guò)綜合分析比較，為確定待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面上分層初次開(kāi)采概率積分法地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)，如表2所示。

表2 待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面上分層初次開(kāi)采地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)

為確定待采Ⅲ2301和Ⅲ2302下分層重復(fù)開(kāi)采概率積分法地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)，根據(jù)我國(guó)部分礦區(qū)的統(tǒng)計(jì)，重復(fù)采動(dòng)時(shí)，地表移動(dòng)參數(shù)的變化如下：

(1)下沉系數(shù)

(6)

式中，q初、q復(fù)1、q復(fù)2分別為初采、第一次復(fù)采、第二次復(fù)采的下沉系數(shù)；a為下沉“活化”系數(shù)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面下分層重復(fù)開(kāi)采下沉系數(shù)為0.75×(1+0.2)=0.9。

(2)水平移動(dòng)系數(shù)

重復(fù)采動(dòng)條件下，水平移動(dòng)系數(shù)與初次采動(dòng)相同，即：

b復(fù)=b初

(7)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面下分層重復(fù)開(kāi)采水平移動(dòng)系數(shù)為0.26。

(3)主要影響范圍角正切

重復(fù)采動(dòng)tanβ較初次采動(dòng)增加0.3～0.8。

經(jīng)過(guò)綜合考慮計(jì)算，待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面下分層重復(fù)開(kāi)采主要影響角正切為2.2+0.3=2.5。

(4)拐點(diǎn)偏移距

重復(fù)采動(dòng)時(shí)拐點(diǎn)偏移距與上、下工作面的相對(duì)位置有關(guān)。

因此根據(jù)上述計(jì)算分析，得到待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面下分層開(kāi)采時(shí)重復(fù)采動(dòng)地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面下分層開(kāi)采時(shí)重復(fù)采動(dòng)地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)

2.3 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果及分析

根據(jù)上述所確定的預(yù)計(jì)方案，對(duì)工作面開(kāi)采后地表任意點(diǎn)的移動(dòng)和變形值進(jìn)行了計(jì)算，經(jīng)過(guò)計(jì)算并將預(yù)計(jì)結(jié)果采用Surfer可視化，分別給出地表下沉等值線圖如圖3所示,地表水平變形等值線圖如圖4、圖5所示。

圖3 待采工作面開(kāi)采后地表下沉等值線圖

圖4 待采工作面開(kāi)采后沿走向地表水平變形等值線圖

圖5 待采工作面開(kāi)采后沿傾向地表水平變形等值線圖

根據(jù)上述預(yù)計(jì)的下沉等值線圖中10 mm邊界線可知，Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面開(kāi)采后采動(dòng)影響范圍約為151 m，已經(jīng)波及至附近民房。

根據(jù)上述預(yù)計(jì)結(jié)果，工作面開(kāi)采后，引起建筑物最大下沉值約98 mm；最大傾斜值約3 mm/m；最大水平變形值約4 mm/m。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，對(duì)照磚石結(jié)構(gòu)建筑物的損害等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果，采動(dòng)影響其北部建筑物的損害等級(jí)為Ⅰ～Ⅱ級(jí)[6]。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié) 論

(1)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和收集岳城煤礦待采工作面地質(zhì)采礦技術(shù)資料和巖層與地表移動(dòng)觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，分析總結(jié)了岳城煤礦待采工作面開(kāi)采巖層與地表移動(dòng)規(guī)律及概率積分法參數(shù)，為準(zhǔn)確進(jìn)行地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)以及附近民房的影響評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

(2)結(jié)合岳城煤礦待采工作面具體的地質(zhì)采礦條件，采用概率積分法對(duì)待采工作面開(kāi)采后地表移動(dòng)和變形進(jìn)行了預(yù)計(jì)，給出了待采工作面開(kāi)采后引起的地表移動(dòng)和變形最大值，并給出引起建筑物最大下沉約98 mm；最大傾斜值約3 mm/m；最大水平變形值約4 mm/m。

(3)根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果得到工作面開(kāi)采后采動(dòng)影響范圍約為151 m，進(jìn)入其北部附近建筑物范圍內(nèi)約30 m，建筑物最大損害等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

3.2 建 議

(1)對(duì)預(yù)計(jì)影響區(qū)域的建筑物，要分析其地基、基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)等，綜合確定建筑物的抗變形能力，并根據(jù)變形預(yù)計(jì)結(jié)果和抗變形能力，合理對(duì)回采工作面設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

(2)在待采工作面回采期間根據(jù)建筑物變形相關(guān)規(guī)范，在建筑物四角、長(zhǎng)邊中點(diǎn)和連接處在建筑物設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，并在對(duì)應(yīng)的地面上埋設(shè)地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)建筑物移動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和地表移動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究區(qū)域內(nèi)地表移動(dòng)量和建筑物移動(dòng)量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并根據(jù)地表及建筑物變形情況對(duì)建筑物進(jìn)行加固措施。

(3)在待采工作面回采期間，采用新型覆巖離層加固注漿技術(shù)，對(duì)關(guān)鍵層及亞關(guān)鍵層進(jìn)行注漿加固，降低回采造成的地表移動(dòng)變形量，從而確保地表建筑物的安全。