羊東礦保護(hù)煤柱開采地表變形研究

張夢(mèng)華

（中國煤炭地質(zhì)總局 水文物測(cè)隊(duì)，河北 邯鄲 056000）

0 引 言

目前我國煤炭開發(fā)率相對(duì)較低，而造成這種結(jié)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(nèi)建筑物，對(duì)村莊下壓煤進(jìn)行開采影響著居民的生活。而一些工業(yè)工廠同時(shí)處在礦井之上，開采活動(dòng)對(duì)工廠設(shè)備及正常運(yùn)轉(zhuǎn)起到影響[10]。因此要合理利用這些煤炭資源，設(shè)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(zhǎng)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(duì)煤柱進(jìn)行開采可有效增大經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而維持礦區(qū)的運(yùn)行，部分煤柱留設(shè)在工業(yè)廣場(chǎng)下，可適量對(duì)這些煤柱進(jìn)行開采[11-12]。羊東礦經(jīng)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(dǎo)致可回收的井下煤炭資源逐漸減少。但羊東礦煤質(zhì)優(yōu)良，為了提高煤炭的采出率，保證煤炭質(zhì)量，維持礦井正常運(yùn)行，擬開采一坑工業(yè)廣場(chǎng)煤柱。

本文采用概率積分模型對(duì)地表變形值進(jìn)行預(yù)計(jì)分析，通過研究工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱開采所導(dǎo)致的重要建構(gòu)筑物采動(dòng)損害特征，分析工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱開采中重要建構(gòu)筑物的影響程度以及墻體、地面變形情況，在此基礎(chǔ)上制定相應(yīng)的維護(hù)措施，從而控制開采對(duì)地表的影響，保護(hù)地表建筑物，實(shí)現(xiàn)煤炭合理有效開采。

1 概率積分法理論計(jì)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(dòng)具有不確定性和隨機(jī)性，概率積分法就是將巖層移動(dòng)的過程當(dāng)成隨機(jī)發(fā)生的過程，并結(jié)合概率論，將地表與地下巖層的移動(dòng)通過表達(dá)式的形式展現(xiàn)出來，該過程符合迭加原理，通過積分方法較為準(zhǔn)確的將影響地表變形的各參數(shù)代入，從而計(jì)算地表變形的各項(xiàng)指標(biāo)，有效的對(duì)地表變形進(jìn)行預(yù)測(cè)[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(shù)；α為煤層傾角，°；b 為水平移動(dòng)系數(shù)；r 為主要影響半徑，m。

1.2 概率積分法參數(shù)選取

根據(jù)概率積分法預(yù)計(jì)的基本原理及計(jì)算公式，概率積分法預(yù)計(jì)所需的幾個(gè)預(yù)計(jì)參數(shù)為下沉系數(shù)q、主要影響角正切值tanβ、水平移動(dòng)系數(shù)b、拐點(diǎn)偏移距S 和開采影響傳播角θ0等，這些參數(shù)與很多因素有關(guān)，例如開采環(huán)境、地質(zhì)條件、煤礦賦存情況等。其中下沉系數(shù)q 與煤層厚度、巖性、表土厚度、開采條件、地質(zhì)條件等因素有關(guān)，其計(jì)算方法為地表最大下沉值與采厚之比。當(dāng)煤層達(dá)到充分采動(dòng)后，水平方向上地表存在最大水平移動(dòng)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(dòng)系數(shù)b，此系數(shù)與眾多因素有關(guān)，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(jié)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)即地表影響邊界按θ0的連線與采區(qū)相交，該交點(diǎn)與煤層開采邊界沿開采方向的長(zhǎng)度就叫做拐點(diǎn)偏移距。由于煤層開采，采空區(qū)形成，頂板出現(xiàn)懸頂，懸臂作用導(dǎo)致了拐點(diǎn)偏移距的形成，由于拐點(diǎn)偏移距的形成，地表下沉曲線的形狀也隨之變化。

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

2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)羊東礦實(shí)際地質(zhì)資料，將各參數(shù)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(gòu)筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中，對(duì)于長(zhǎng)度或變形區(qū)段內(nèi)長(zhǎng)度小于20 m 的磚混結(jié)構(gòu)建構(gòu)筑物損壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)確定羊東礦一坑廠區(qū)建（構(gòu)） 筑物受損的級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 磚混結(jié)構(gòu)建構(gòu)筑物損壞等級(jí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard table for damage grade calculation of brick-concrete structure buildings

根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果，結(jié)合《規(guī)范》中磚混結(jié)構(gòu)看變形指標(biāo)，交換站外側(cè)的樓房受到IV 級(jí)破壞，磚墻上會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重交叉或貫通裂縫，甚至墻體嚴(yán)重外鼓、歪斜，需要進(jìn)行及時(shí)維修。內(nèi)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(jīng)常巡視監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)破壞及時(shí)處理。同時(shí)對(duì)地表進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn) 裂縫及時(shí)修補(bǔ)。

3 應(yīng)用效果與經(jīng)濟(jì)效益

羊東礦一坑工業(yè)廣場(chǎng)煤柱范圍內(nèi)已開采06202（Ⅰ塊） 工作面，造成的地面沉降與水平位移都在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)；開采后地面水暖交換站供熱系統(tǒng)完好，熱交換墻體無大的破壞情況；地面水暖交換站內(nèi)機(jī)電設(shè)備基礎(chǔ)無損害變形，廠房?jī)?nèi)地面沉降在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)，對(duì)機(jī)電設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)無影響，墻面有細(xì)微裂痕，底板有不超過15 mm 縫隙，經(jīng)過修葺后不影響正常使用，達(dá)到了預(yù)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(xiàn)破壞的原因，有針對(duì)性的對(duì)井筒進(jìn)行提前維修，同時(shí)在煤柱開采過程中經(jīng)常對(duì)地面水暖交換站及內(nèi)部設(shè)施進(jìn)行檢查維修。

一坑工業(yè)廣場(chǎng)煤柱預(yù)計(jì)開采06202 工作面，包含06202（Ⅰ塊） 工作面和06202（Ⅱ塊） 工作面，合計(jì)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(jià)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(fèi)用為22 元/t，煤柱開采對(duì)一坑工業(yè)廣場(chǎng)地面水暖交換站的破壞修葺費(fèi)用預(yù)計(jì)為2 萬元，對(duì)一坑自用鐵路線的維護(hù)費(fèi)用為252 萬元。估算可獲得的經(jīng)濟(jì)效益為1 990.4 萬元。

4 結(jié) 論

（1） 通過概率積分法對(duì)羊東礦的地表變形情況進(jìn)行預(yù)計(jì)，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(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果，結(jié)合《規(guī)范》劃分病害等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，推斷交換站外側(cè)的樓房受到IV 級(jí)破壞，磚墻上會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重交叉或貫通裂縫，甚至墻體嚴(yán)重外鼓、歪斜，需要進(jìn)行及時(shí)維修。

（3） 將判斷結(jié)果應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)目前地面沉降與水平位移都在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)，墻體無大的破壞情況，地面水暖交換站內(nèi)機(jī)電設(shè)備基礎(chǔ)無損害變形。并對(duì)可獲得的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行估算，有效地提高了煤炭回收率。