張夢(mèng)華

（中國(guó)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(guó)煤炭開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)采[11-12]。羊東礦經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，“三下”壓煤外的煤炭資源已基本采出，加之深部開(kāi)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(kāi)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(guò)研究工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)程當(dāng)成隨機(jī)發(fā)生的過(guò)程，并結(jié)合概率論，將地表與地下巖層的移動(dòng)通過(guò)表達(dá)式的形式展現(xiàn)出來(lái)，該過(guò)程符合迭加原理，通過(guò)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(kāi)采影響傳播角θ0等，這些參數(shù)與很多因素有關(guān)，例如開(kāi)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(kāi)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(kāi)采有一定的邊界，從開(kāi)切眼到開(kāi)采結(jié)束的這段范圍定義為開(kāi)采邊界，而由于下方的開(kāi)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?xún)A向斷面為視角，通過(guò)拐點(diǎn)偏移距求得的此夾角即為開(kāi)采影響傳播角θ0，在走向斷面上，埋深或者是走向邊界的開(kāi)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(kāi)采邊界沿開(kāi)采方向的長(zhǎng)度就叫做拐點(diǎn)偏移距。由于煤層開(kāi)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(kāi)采后地面水暖交換站供熱系統(tǒng)完好，熱交換墻體無(wú)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(wú)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(wú)影響，墻面有細(xì)微裂痕，底板有不超過(guò)15 mm 縫隙，經(jīng)過(guò)修葺后不影響正常使用，達(dá)到了預(yù)期的效果。通過(guò)分析開(kāi)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(kāi)采過(guò)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(kāi)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(wàn)t，其中06202（Ⅰ塊） 工作面已采出6.8 萬(wàn)t，目前羊東礦噸煤銷(xiāo)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(kāi)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(wàn)元，對(duì)一坑自用鐵路線的維護(hù)費(fèi)用為252 萬(wàn)元。估算可獲得的經(jīng)濟(jì)效益為1 990.4 萬(wàn)元。

4 結(jié) 論

（1） 通過(guò)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(wú)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(wú)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。