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        采動中房屋就地重建時機及區(qū)域研究

        2021-12-18 09:08:54安士凱周大偉徐燕飛白志輝
        金屬礦山 2021年11期
        關(guān)鍵詞:變形區(qū)域

        安士凱 周大偉 李 亮 徐燕飛 白志輝 汪 驍

        (1.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責任公司安徽省礦山生態(tài)修復工程實驗室,安徽 淮南 232033;2.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院,江蘇 徐州 221116;3.冀中能源峰峰集團有限公司,河北 邯鄲 056011)

        我國“三下”壓煤儲量巨大,其中又以村莊下壓煤量占比最大,且隨著東部煤炭資源逐漸枯竭,村莊下壓煤嚴重制約了礦井正常接續(xù)。采煤引起的地表塌陷是礦山企業(yè)面臨的最現(xiàn)實的問題,其引起的地表環(huán)境與村莊損壞對村民的生活帶來了很大影響,人地矛盾突出[1]。目前主要解決方案為:①對壓煤村莊進行搬遷;②對于無法搬遷的村莊,對損害的房屋進行補償,地表穩(wěn)定后再進行維修或重建[2]。近年來,由于地下開采造成的土地塌陷面積增大,礦區(qū)土地資源緊張,導致搬遷村莊選址困難,遷村開采往往難以實現(xiàn)[3]。而待地表穩(wěn)定后重建需要時間較長(工作面壓煤較多,采煤后需要數(shù)年地表才能穩(wěn)定),導致村民長期生活在采煤沉陷區(qū),房屋隨時有采動倒塌的危險。在采動過程中建設(shè)抗變形房屋既能解放村下壓煤,又能在短期內(nèi)改善民眾生活。例如,開灤趙各莊礦、大屯公司龍東煤礦、平頂山礦務局二礦相繼在未穩(wěn)定的采空區(qū)上方對民房實施房屋就地重建,取得了良好的經(jīng)濟社會效益及環(huán)境效益[4-5]。

        采動過程中,房屋重建時機和采取的抗變形結(jié)構(gòu)措施與地表剩余變形量大小密切相關(guān)。本研究在總結(jié)現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上,從煤炭開采地下空間傳遞的角度,研究地表剩余變形的形成機理,給出剩余變形量的計算方法;以峰峰礦區(qū)某礦為例,對采動過程中房屋就地重建時間和空間進行劃分,并根據(jù)劃分的區(qū)域,建設(shè)對應抗變形等級的房屋,從而達到提前進行房屋重建的目的[6-7]。

        1 村莊房屋就地重建時機

        房屋就地重建方式大致有兩種:一是在地表穩(wěn)沉后重建;二是在地表移動過程中重建即為動態(tài)變形過程(采動中)中重建[8-9]。

        1.1 地表穩(wěn)沉后重建

        地表穩(wěn)沉后重建房屋,是指煤炭采出后,采空區(qū)經(jīng)過數(shù)年的地表沉陷達到穩(wěn)沉狀態(tài),穩(wěn)定后的采空區(qū)上方地表進入殘余變形階段,殘余變形量是一個緩慢釋放的過程,對村莊普通低矮房屋影響較?。坏乇矸€(wěn)定后在采空區(qū)上方地表進行房屋就地重建,此時新建房屋采取一定程度的抗變形結(jié)構(gòu)措施,成本遠低于采動過程中的抗變形措施。然而,由于村莊下煤炭開采需要多年,加上地表穩(wěn)定需要時間,導致村民一般數(shù)十年生活在破壞的采空區(qū)上方,生活環(huán)境比較惡劣。因此,地表穩(wěn)定后重建思路可行性不強。

        1.2 采動過程中重建及時機

        (1)采動中就地重建原理。地表采動過程中重建房屋,是指在工作面采動過程中,在地表形變期間內(nèi)(地表穩(wěn)定前)進行房屋重建。地表移動變形由小到大逐步發(fā)展,根據(jù)采動巖體的空隙擴散理論[10-11],煤炭資源采出后,在井下形成的空間以不同的形式釋放,其中能夠釋放的空間基本是確定的。隨著時間的推移,空隙逐漸傳遞到地表形成沉陷,對于某種地質(zhì)采礦條件下的開采活動,其可產(chǎn)生的地表沉陷量是固定的,從空間角度分析,當?shù)乇硪旬a(chǎn)生的沉陷量較大時,剩余的沉陷量相對較小。因此,在采動過程中,根據(jù)地表剩余變形量選擇合適的時機,采用不同的抗變形結(jié)構(gòu)措施,在地表建設(shè)抵抗不同變形等級的抗變形房屋,從而達到在采動中對村莊進行重建的目的,相比地表穩(wěn)定后重建思路,大大提前了村民住進新房的時間,有效地改善了村民的生活。

        (2)采動中房屋就地重建時機原則。采動中房屋重建時機,是指當?shù)乇淼氖S嘧冃瘟窟_到對應的抗變形指標時,井下采空區(qū)推進位置即開采時間作為地表重建時機。重建區(qū)域劃分是指井下采空區(qū)開采位置(時間)所對應的地表變形區(qū)域。一般選取某時間點(或者開采位置)根據(jù)地表剩余變形量,按照抗變形指標對房屋重建區(qū)域進行劃分。上述的房屋抗變形指標參考《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》中“磚混(石)結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級”規(guī)定值[12]。如I級損害指標為水平變形2.0 mm/m,傾斜3.0 mm/m,曲率0.2 mm/m2;II級損害指標為水平變形4.0 mm/m,傾斜6.0 mm/m,曲率0.4 mm/m2。因此,當井下開采到某個時刻(對應井下開采到某個位置),采空區(qū)上方的地表剩余變形量不大于I級指標時,則從該時刻起算,該區(qū)域地表即可建設(shè)抗I級損害的抗變形結(jié)構(gòu)房屋,那么將該建房時刻稱之為地表村莊重建時機,該區(qū)域稱為I級重建區(qū)域。同理,可計算采動中II、Ⅲ級甚至IV級房屋就地重建時機及區(qū)域[13]。

        綜上分析可知,采動中房屋就地重建的關(guān)鍵是剩余變形量計算,下文就剩余變形量的產(chǎn)生機理及計算方法進行分析。

        2 開采空間分布及剩余變形量計算

        2.1 開采空間分布規(guī)律

        煤炭資源采出后,在井下形成的采出空間經(jīng)覆巖向上擴散,最后在地表形成范圍更大的沉陷。從空隙擴散角度分析,該過程實際上是空間傳遞及重新分布的過程。井下采出空間在地表穩(wěn)定之后,從地表到巖體內(nèi)部的空間分布形式可分為3類:①地表沉陷空間,穩(wěn)沉前傳遞(釋放)到地表產(chǎn)生的沉陷空間,是地表穩(wěn)定后地表沉陷總量,也稱為地表沉陷盆地;②不可釋放空間,以覆巖中巖石碎脹等形式永久存在于巖層中的空間,該類空間永遠無法傳遞(釋放)到地表;③可釋放空間,是指暫時存在于巖層的裂隙(裂縫帶)和垮落(垮落帶)空隙中,該類空間在外部荷載、積水浸泡、長期風化等因素作用下仍會傳遞(釋放)到地表,引起地表產(chǎn)生移動變形,該類變形是在地表穩(wěn)沉后逐漸釋放的,也稱為殘余變形[14-16]。

        從理論上分析,3類空間綜合等于井下采出空間;從空間占比角度分析,地表沉陷空間所占比例最大,其次是可釋放空間,最小是在巖體內(nèi)的不可釋放空間(圖1)。

        2.2 剩余變形量計算方法

        煤炭開采后,地表可產(chǎn)生的沉陷空間(即穩(wěn)定后的地表最大沉陷空間)基本確定,在動態(tài)過程中,由地表已產(chǎn)生的沉陷變形和地表剩余變形組成。因此,根據(jù)該區(qū)域的最大移動變形值和地表已經(jīng)產(chǎn)生的變形值,可得到地表剩余變形量[17]。

        重建時機選擇及區(qū)域劃分都根據(jù)剩余變形量進行計算,利用該區(qū)域地表最終穩(wěn)態(tài)沉陷變形量減去地表已經(jīng)產(chǎn)生的沉陷變形值(即某時刻地表動態(tài)沉陷值),可得到地表剩余變形量,公式為

        式中,Ws為地表剩余沉降量,mm;W為地表穩(wěn)定后的最終下沉量,mm;W()t為t時刻地表動態(tài)下沉量,mm。W值可根據(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》[12]中的概率積分法模型,采用穩(wěn)態(tài)沉陷參數(shù)進行計算[18-20]。

        某時刻動態(tài)沉陷預計可以采用概率積分模型乘以時間函數(shù)實現(xiàn)。常用方法是在概率積分法穩(wěn)態(tài)預計的基礎(chǔ)上增加一個下沉速度系數(shù)C,來確定動態(tài)過程中的移動變形值與穩(wěn)態(tài)移動變形值的關(guān)系[21-22]。公式為

        式中,Wk為某點在經(jīng)過無限長時間后可達到的最終下沉量為t時刻的地表下沉速度,mm/d。

        由上式可知,下沉速度系數(shù)C為地表下沉速度與該點最終下沉量和該點瞬間下沉量之差的比值[23-24]。對式(2)進行積分,可得:

        因此,只需求出下沉速度系數(shù)C,便可求得地表任意時刻的下沉量。

        下沉速度系數(shù)C與工作面開采速度及采深等因素有關(guān),計算公式為

        式中,v為工作面平均推進速度,m/d;tanβ為主要影響角正切;H為工作面平均采深,m[25-26]。

        基于此,剩余傾斜變形與剩余曲率變形公式可基于剩余下沉公式推導求得,即通過式(3)可以進一步推導得到。剩余傾斜變形利用地表任意一點的下沉公式沿某方向求一次導數(shù)得到i(x , y ,t),剩余曲率變形求二次方向?qū)?shù)獲得k(x , y ,t)。剩余水平移動計算公式為

        式中,B為常數(shù)。

        《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》[12]中的房屋損害等級是以水平變形指標為基礎(chǔ),因此本研究利用上述計算方法,使用Matlab語言編程計算分析水平變形最終變形量、某時刻已經(jīng)產(chǎn)生變形量和剩余變形量之間的關(guān)系,結(jié)果如圖2至圖5所示。

        3 工程實例

        本研究以峰峰礦區(qū)某村莊下采煤房屋就地重建工程為例,對采煤沉陷房屋就地重建的時機和區(qū)域進行分析。峰峰某礦井工作面在村莊正下方開采,工作面第四系厚度約11 m,覆巖巖性中硬,主要采2#煤層(圖6)。該工作面采深800 m,采厚4.5 m,煤層傾角18°,推進速度2 m/d,工作面開采長度為1 200米,寬度為100 m,2018年1月開始回采,2019年9月停采,開采時間600 d。工作面與村莊的對應關(guān)系如圖7所示。

        《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》[12]規(guī)定的地表移動持續(xù)時間計算公式為

        式中,H為采深,m。

        根據(jù)式(6)計算得到該工作面T值為1 469 d(約4 a),工作面停采前經(jīng)歷起始期和部分活躍期,時間約為總時間的40%即為1.6 a,停采后經(jīng)歷大部分活躍期和全部衰退期,時長約為總時間的60%即為2.4 a,因此,該工作面從2019年9月停采后,到2022年2月地表才能穩(wěn)定。由此可見,如果按地表穩(wěn)定后再進行房屋重建思路,采空區(qū)上方村莊需在2022年2月以后才能建房,村民需要在采煤沉陷區(qū)生活4.2 a,才有望住上新房,這對于提升村民生活質(zhì)量不利。

        3.1 地表穩(wěn)定后各點最大移動變形計算

        根據(jù)該礦實測數(shù)據(jù)分析,得到地表沉陷參數(shù)為:下沉系數(shù)q=0.80,主要影響角正切值tanβ=3.5,水平移動系數(shù)b=0.3,開采影響傳播角θ=84°,拐點偏移距S=0.1H。采用概率積分法穩(wěn)態(tài)預測模型計算得到該工作面開采地表穩(wěn)定后地表各點的最大移動變形量,主斷面的移動變形曲線如圖2至圖5所示。

        采用上述動態(tài)預測模型(即概率積分模型乘以時間函數(shù)得到的動態(tài)預測模型)計算得到工作面推進到不同位置(時刻)時地表各點已產(chǎn)生的移動變形值(動態(tài)值),主斷面已產(chǎn)生的動態(tài)移動變形值如圖2至5所示。

        根據(jù)剩余變形量定義和式(1)計算得到地表各點的剩余變形量,主斷面剩余移動變形值如圖2至5所示。

        3.2 房屋重建時機及區(qū)域

        按照本文2.2節(jié)給出的動態(tài)剩余變形量計算方法計算出每月的剩余變形量,其中統(tǒng)計出的最大值見表1。結(jié)合房屋損害指標,得到工作面推進到362 m時,地表剩余變形量不大于I級破壞指標,即2018年6月30日后,工作面上方即可進行房屋重建。同理可得到Ⅱ、Ⅲ級可建時機及區(qū)域,如表2所示。當工作面推進到300、500、700、900 m時,本研究基于地表剩余變形量繪制的Ⅰ至Ⅲ級損害指標可建區(qū)域如圖7所示。

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        由圖7可知:隨著工作面向前推進,地表剩余變形量逐漸減小,部分II級及III級損害量逐漸變?yōu)镮級損害區(qū)域,I級可建設(shè)區(qū)域面積逐漸增大,II、III及IV級損害區(qū)域面積逐漸減小,直到地表穩(wěn)定。

        由于III級及以上區(qū)域地表建房難度大,且成本較高,與I級及II級相比,提前的時間有限,因此,本研究在此不做討論。本研究從可建區(qū)域面積、建房成本和難度角度,對I級和II級可建區(qū)域進行分析。在建房面積上,按小于Ⅱ級損害指標時總體比按I級損害指標增加6%~10%左右;在建房時間上,兩者差距不到2個月;從成本角度分析,相比穩(wěn)定后建房,采動中建房成本要增加,按I級指標成本增加約15%,按Ⅱ級損害指標成本增加約30%,同時就抗變形房屋的實際使用效果來說,抗I級變形的房屋質(zhì)量更可控,建成以后的房屋再次出現(xiàn)裂縫的可能性較小。綜上分析,按Ⅱ級指標建房面積有限,成本卻大幅度增加,建房的實際使用效果不可控,再次出現(xiàn)裂縫的可能性較大。因此,建議按照I級損害指標建房。需要說明的是,在實際實施過程中,除了對建筑物采取抗變形結(jié)構(gòu)措施外,需要考慮附屬設(shè)施的抗變形能力,并采取一定的抗變形措施,保證附屬設(shè)施可以有效抵抗建設(shè)區(qū)的剩余變形。

        綜上分析,如果采用穩(wěn)定后重建思路,即到2022年2月以后才可以建房,村民需要在受損房屋居住4.2 a(2018-01—2022-02);如果采用采動過程中建房思路,2018年6月30日即可在I級可建區(qū)域就地重建,隨著時間推移,每年都可陸續(xù)建房。建房時間由4.2 a提前到0.5 a(即6個月),提前了3.7 a,時間提前率為88.1%,可以極大地改善農(nóng)民的生活環(huán)境和質(zhì)量。

        4 結(jié)論

        (1)村莊壓煤開采受破壞村莊房屋就地重建一般有地表穩(wěn)定后重建和采動過程中就地重建兩種思路。穩(wěn)定后重建房屋只受到殘余變形影響,無需采取抗變形結(jié)構(gòu)措施,成本低,但耗時長,村民生活環(huán)境及質(zhì)量長期受到影響。本研究跟據(jù)采動過程中村莊房屋就地重建思路,從煤炭開采地下空間傳遞及分布規(guī)律的角度出發(fā),推導了地表剩余變形量計算方法,并對采動過程中房屋就地重建的時空分布進行劃分,建設(shè)對應抗變形等級的房屋。采用該方法既能大大提前房屋重建時間,縮短重建周期,又能夠極大地改善村民生活。

        (2)采用地表剩余變形量選擇房屋就地重建的時機和區(qū)域,分析了井下開采空間傳遞及分布規(guī)律,將地下空間分為地表沉陷空間(即地表沉陷盆地所占空間)、不可釋放空間(即巖石碎脹所占空間)和可釋放空間,并揭示了剩余變形量的產(chǎn)生機理。據(jù)此結(jié)合概率積分法模型和時間函數(shù)推導了剩余變形量的計算方法。

        (3)以峰峰礦區(qū)為例,采用所提方法對采動過程中房屋就地重建的時機和區(qū)域進行了分析計算。結(jié)果表明:與地表穩(wěn)定后就地重建相比,采動過程中房屋重建時間效率大幅度提升,有助于大幅改善當?shù)卮迕裆瞽h(huán)境及質(zhì)量。

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