題正義，張 峰，秦洪巖

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601）

煤礦開采造成了土地破壞、水土流失、建筑物損害等，造成破壞的直接原因在于地下開采引起覆巖及地表的移動(dòng)變形，主要包括下沉、傾斜、水平移動(dòng)變形和曲率等。我國對(duì)地表移動(dòng)進(jìn)行理論系統(tǒng)的研究起步較晚，但近年來已形成獨(dú)立的開采沉陷學(xué)科和較完整的科學(xué)研究方法。劉天泉、張華興[1-2]對(duì)概率積分法在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的大量實(shí)例進(jìn)行全面的總結(jié)和分析，研究了開采引起覆巖并變形破壞演化過程，并給出了裂隙帶的計(jì)算方法；李增琪等[3]構(gòu)建了覆巖變形破壞與地表變形移動(dòng)相關(guān)的彈性力學(xué)模型，利用Fourier轉(zhuǎn)化法求解出解析函數(shù)關(guān)系式；張玉卓等[4]利用線彈性介質(zhì)理論構(gòu)建了覆巖移動(dòng)變形的通用計(jì)算算法TSHD；鄧喀中等[5-6]將覆巖移動(dòng)變化分為4個(gè)階段的時(shí)空演化過程，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)巖移演化的力學(xué)模型；吳立新等[7]針對(duì)地表移動(dòng)變形破壞演化過程進(jìn)行了細(xì)致的研究，并結(jié)合D-InSAR進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)；于廣明等[8-9]發(fā)現(xiàn)了采動(dòng)影響的地表各點(diǎn)下沉特征，利用物理學(xué)解釋巖體內(nèi)部變形破壞規(guī)律，為開采預(yù)計(jì)的理論研究提供了新途徑；崔希民等[10]歸納了建筑物受回采影響的變化特點(diǎn)，排除了影響評(píng)價(jià)的不確定影響因子，提出了更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)分析方法；錢鳴高院士[11]提出了受采動(dòng)影響下覆巖變化的關(guān)鍵層理論，認(rèn)為關(guān)鍵層在覆巖變形破壞過程中起到主導(dǎo)作用，但在重復(fù)采動(dòng)下對(duì)地表沉陷變形大小的影響甚微。綜上研究可看出：重復(fù)采動(dòng)作業(yè)下對(duì)地表及其附著建筑物的損傷方面的研究甚少，特別是建筑物下重復(fù)采動(dòng)的可行性預(yù)計(jì)方面更是少之又少。

以冠山煤礦0901和1001工作面為研究背景，利用概率積分法，建立重復(fù)采動(dòng)作業(yè)下地表移動(dòng)變形疊加的力學(xué)模型，運(yùn)用基于力學(xué)模型所開發(fā)的礦井回采地面沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)軟件和重復(fù)采動(dòng)地面變形疊加系統(tǒng)[12-13]，對(duì)單獨(dú)開采和重復(fù)采動(dòng)下的地面變形進(jìn)行預(yù)計(jì)分析，判斷重復(fù)采動(dòng)是否具有可行性，并設(shè)置地面移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)站，對(duì)煤層開采后的地表移動(dòng)變形值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證預(yù)計(jì)結(jié)果的正確性，為其它礦井重復(fù)采動(dòng)時(shí)的地表變形預(yù)測(cè)以及可行性分析提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

冠山礦位于遼寧省北票煤田中部，礦井走向長度9.2 km，傾斜長度1.35 km，開采深度-780 m，井田現(xiàn)有9#和10#2層煤可采，層間距僅有15 m。井田上部密集分布著民宅、中小校園、醫(yī)院、企業(yè)單位、商服站點(diǎn)、運(yùn)輸?shù)缆?、供電通訊設(shè)施、給排水管道等地面建筑設(shè)施。在這種環(huán)境下實(shí)施開采活動(dòng)，必然會(huì)導(dǎo)致地表的移動(dòng)變形，對(duì)地面附屬建筑設(shè)施的安全使用造成一定的影響，因此，研究建筑物下重復(fù)采動(dòng)作業(yè)的可行性，保證地面建筑設(shè)施安全使用，制定合理的地表沉陷防治措施是該礦亟需解決的首要難題。為此以0901和1001工作面重復(fù)采動(dòng)為例，對(duì)建筑物下重復(fù)采動(dòng)作業(yè)的可行性進(jìn)行研究。工作面基本參數(shù)見表1。

表1 工作面基礎(chǔ)參數(shù)

2 重復(fù)采動(dòng)力學(xué)模型

地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)模型以概率積分法為理論基礎(chǔ)，將礦山整個(gè)巖體比作散狀的非連續(xù)介質(zhì)，將開采引起的巖層移動(dòng)和地表變形、變化過程比作散狀介質(zhì)的游離過程，該游離過程遵從統(tǒng)計(jì)學(xué)特點(diǎn)的隨機(jī)變化規(guī)律，將開采引起的巖體的下沉移動(dòng)比作散狀介質(zhì)下沉的隨機(jī)事件，統(tǒng)計(jì)隨機(jī)事件發(fā)生的數(shù)量，得出各個(gè)散狀介質(zhì)發(fā)生的概率事件總數(shù)，推算出巖體受采動(dòng)影響發(fā)生的沉降可能性和沉降量。

從統(tǒng)計(jì)學(xué)理論作為著眼點(diǎn)，將整個(gè)采區(qū)化整為零，分為多個(gè)無限小的單元，每個(gè)小單元在采動(dòng)的過程中就會(huì)形成各自的單元下沉盆地，將所有無限小的單元開采進(jìn)行疊加處理，就會(huì)自動(dòng)生成整個(gè)采區(qū)的移動(dòng)下沉盆地。

2.1 走向和傾向地表變形預(yù)計(jì)

運(yùn)用概率積分法得到的走向x方向變形值為：

式中：l、W0（x）、i0（x）、K0（x）、U0（x）、ε0（x）、W0my、Cym分別為走向方向上的長度、下沉值、傾斜值、曲率值、水平移動(dòng)值、水平變形值、充分采動(dòng)傾向主斷面的最大下沉值和采動(dòng)程度系數(shù)；W0表示走向和傾向均為充分采動(dòng)時(shí)的地表最大下沉值；t1、t2為下山、下山方向上回采界線參數(shù)。

傾向方向的方向變形值即將y代替x，與走向方向各參數(shù)的意義相同。

2.2 走向和傾向變形值疊加

利用距離冪次反比法對(duì)2次開采過程工作面重疊區(qū)域的變形值進(jìn)行疊加運(yùn)算，得到修正后的變形值Zd：

式中：Zi為重疊區(qū)域第1次開采時(shí)采樣點(diǎn)收集到的變形值；di為第2次搜索過程中采樣點(diǎn)距離重疊區(qū)域中第1次采樣點(diǎn)圓心的距離；n為采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

重復(fù)采動(dòng)過程后累加得到各個(gè)采樣點(diǎn)的移動(dòng)變形值Z：

式中：Zx為開采前重疊區(qū)域范圍內(nèi)各個(gè)采樣點(diǎn)的原始移動(dòng)變形值。

依次將重復(fù)采動(dòng)過程中出現(xiàn)其它采樣點(diǎn)作為圓心，不同半徑下的采樣點(diǎn)全部被搜索、采樣完畢，變形值疊加合成，完成所有變形值疊加過程得到的最終的變形值，即為重復(fù)采動(dòng)下地表任一點(diǎn)的變形值。對(duì)地表任意點(diǎn)A（x，y），從x軸的正向逆時(shí)針到指定方向的角度值為φ，則點(diǎn)A沿方向的移動(dòng)和變形值的預(yù)計(jì)公式為：

式中：W（x，y）為水平下沉值；i（x，y，φ）為傾斜值；K（x，y，φ）為曲率值；U（x，y，φ）為水平移動(dòng)值；ε（x，y，φ）為變形值。

3 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)及開采可行性分析

由冠山礦長期開采積累的經(jīng)驗(yàn)和資料，得到的該礦開采沉陷參數(shù)見表2。

表2 開采沉陷分析參數(shù)表

3.1 地表移動(dòng)變形值預(yù)計(jì)

將0901、1001工作面基本資料和開采沉陷分析參數(shù)輸入基于概率積分法的礦井回采地面沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)和重復(fù)采動(dòng)地面變形疊加系統(tǒng)，分別對(duì)各工作面進(jìn)行走向、傾向的各個(gè)變形值進(jìn)行計(jì)算。提取單工作面走向、傾向各變形值數(shù)據(jù)，再利用重復(fù)采動(dòng)地表變形疊加系統(tǒng)進(jìn)行多工作面走向、傾向各變形值疊加計(jì)算，得到各點(diǎn)疊加后的移動(dòng)變形值，運(yùn)用surfer8.0圖形處理軟件繪制各個(gè)移動(dòng)變形值變形的等值線。地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)流程如圖1。以地表下沉值為例，繪制2個(gè)工作面全部采出后地表移動(dòng)變形的等值線（圖2）。

圖1 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)流程

圖2 0901、1001全部采出后地表下沉的等值線圖

從圖2可以看出，0901和1001工作面全部采出后，地表下沉的等值線呈盆地式分布，下沉值在10~610 mm之間；傾斜變形的等值線在工作面上下邊界地表處傾斜變形值最大，傾斜變形的范圍0.1~2.1 mm/m。

3.2 開采可行性分析

對(duì)工作面進(jìn)行單采和重復(fù)采動(dòng)下的各個(gè)變形值提取，列出各個(gè)變形值的最大值，以此作為開采可行性分析依據(jù)。地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)指標(biāo)最大值見表3。

表3 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)指標(biāo)最大值

3.2.1 可行性判定標(biāo)準(zhǔn)

按照《三下規(guī)程》中的建筑物下開采規(guī)范條例要求，選擇最高損壞等級(jí)（I級(jí)）允許的各個(gè)變形值作為判定指標(biāo)，對(duì)工作面單獨(dú)開采和重復(fù)開采的可行性進(jìn)行判定。I級(jí)損壞等級(jí)：水平變形ε≤2.0 mm/m，曲率k≤0.2×10-3/m，傾斜變形i≤3.0 mm/m。在此破壞等級(jí)范圍內(nèi)，建筑物發(fā)生極輕微破壞或者輕微破壞，不修或者簡單維修就可以正常使用[14]。

3.2.2 建筑物下開采可行性分析

由表3的地表變形預(yù)計(jì)值可知，單采0901或者單采1001工作面時(shí)，傾斜變形i≤3.0 mm/m，水平變形ε≤2.0 mm/m，最大曲率值k≤0.2×10-3/m，各個(gè)變形值的最大值都在I級(jí)損壞標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，因此單采0901和1001工作面不會(huì)對(duì)建筑造成明顯損壞，地表建筑不需要維修或者經(jīng)過簡單維修就能安全使用。

0901和1001工作面全采后預(yù)計(jì)最大下沉值610 mm，最大傾斜變形值2.1 mm/m小于I級(jí)損壞標(biāo)準(zhǔn)（3.0 mm/m），最大水平變形值1.8 mm/m小于I級(jí)損壞標(biāo)準(zhǔn)（2.0 mm/m），最大曲率值0.009×10-3/m小于I級(jí)損壞標(biāo)準(zhǔn)（0.2×10-3/m）規(guī)定變形值范圍內(nèi)。從預(yù)計(jì)結(jié)果可知，2個(gè)工作面全采后可以保證地表移動(dòng)變形都在I級(jí)損壞標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。因此，重復(fù)采動(dòng)開采方案是可行的。

4 地面移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)

地面移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)站是“三下”開采中觀測(cè)地面變形最可靠、最直接、最實(shí)用的方法。建立地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)站不僅能夠有效地檢測(cè)地表變形預(yù)計(jì)的準(zhǔn)確性，還能對(duì)地表建筑物及時(shí)的進(jìn)行加固和維護(hù)，保證建筑物的安全使用。

4.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)線的設(shè)置

根據(jù)表土層巖移監(jiān)測(cè)要求和2個(gè)工作面全采后預(yù)計(jì)影響的最大范圍，在位置可以變動(dòng)的低谷地帶的主斷面上布置2條數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)線。

根據(jù)冠山礦煤層的埋藏深度（＞300 m）以及礦山開采沉陷學(xué)中對(duì)測(cè)點(diǎn)距離選取的規(guī)定[15]，選取25 m作為測(cè)點(diǎn)之間的間距?？紤]到預(yù)計(jì)結(jié)果可能存在的誤差，在監(jiān)測(cè)線兩端預(yù)計(jì)盆地的邊界兩側(cè)各布置1個(gè)點(diǎn)，在每個(gè)端部設(shè)置3個(gè)控制點(diǎn)，用于控制其他觀測(cè)點(diǎn)，控制點(diǎn)間距50 m。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)線參數(shù)見表4。

表4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)線參數(shù)

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

測(cè)站對(duì)開采0901工作面和全采后觀測(cè)單采和全采測(cè)線上測(cè)點(diǎn)下沉成盆地形狀，單采0901工作面測(cè)線Ⅰ上最大下沉值為330 mm，全采后測(cè)線Ⅰ上測(cè)點(diǎn)最大下沉值為711 mm，均在預(yù)計(jì)系統(tǒng)預(yù)計(jì)結(jié)果范圍內(nèi)且在I級(jí)損壞等級(jí)規(guī)定變形值范圍內(nèi)。驗(yàn)證重復(fù)采動(dòng)是可行的。測(cè)線Ⅰ在單采0901工作面和全采后測(cè)量各個(gè)測(cè)點(diǎn)下沉值如圖3。

圖3 測(cè)線1觀測(cè)的單采0901和全采后的地表下沉值

5 結(jié)論

1）利用概率積分法建立重復(fù)采動(dòng)作業(yè)下各個(gè)變形值疊加的力學(xué)模型，運(yùn)用基于力學(xué)模型的礦井回采地面沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)和重復(fù)采動(dòng)地面變形疊加系統(tǒng)對(duì)地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)計(jì)。預(yù)計(jì)結(jié)果表明：單采0901、單采1001以及全采0901和1001工作面地面移動(dòng)變形的最大下沉值、最大傾斜值、最大移動(dòng)變形值和最大曲率變形值均在I級(jí)破壞范圍之內(nèi)，房屋只會(huì)產(chǎn)生輕微的破壞，冠山礦村莊建筑物下重復(fù)采動(dòng)是安全可行的。

2）通過建立地面移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)站，對(duì)單采0901和全采2個(gè)工作面后的地表變形進(jìn)行觀測(cè)，得到重復(fù)采動(dòng)下地表變形的各個(gè)指標(biāo)均在I級(jí)破壞范圍之內(nèi)，驗(yàn)證力學(xué)模型和預(yù)計(jì)系統(tǒng)預(yù)計(jì)的準(zhǔn)確性，保證地表建筑物的安全使用。