杨庄煤矿建下保护煤柱开采影响分析

朱子良 薛华俊 马 振

(1.福乐定工业有限责任公司，安徽 淮北 235025; 2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

1 概况

杨庄煤矿属于安徽省淮北矿业(集团)有限公司建设的核定生产能力为220万t/年的现代化大型矿井。杨庄井田上方建筑物密集，建下压煤情况严重，据统计杨庄煤矿建下压煤量达2 000多万吨，严重影响了杨庄煤矿的生产接替。为实现煤矿的增产增效，杨庄煤矿拟对364采区Ⅲ642工作面建下保护煤柱进行开采。为了落实国家有关部门关于煤炭行业绿色安全开采的相关要求，依照国家《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(2000)(下称《规程》)的规定，保证地面村庄居民的人身安全，减小对建筑物的破坏，杨庄煤矿通过采用概率积分法，结合现场实际情况，选取合理的地表移动和变形预计参数，就充填开采和不充填开采两种方案进行了地表下沉的比较计算。

2 村庄建筑物采动损害分析和设防标准

因煤层开采导致的地面沉陷将会引起地表发生一定程度的变形，而受建(构)筑物自身抗采动变形的能力和地表变形值大小的影响，地面建(构)筑物将会因建下煤层开采受到不同程度的破坏。依照国家有关部门公布在《规程》中的要求，规定了地面砖混结构建筑物损坏等级划分标准，其中损坏等级Ⅰ级中规定地表水平变形值ε应小于2.0 mm/m，倾斜值i小于3.0 mm/m，建筑结构基本不需要做维修处理;损坏等级Ⅱ级中规定地表水平变形值ε应小于4.0 mm/m，倾斜值i小于6.0 mm/m，建筑结构需要做小修处理。

在实际村庄下采煤工作中，在引起的地表变形值大小相同的情况下，往往地面建(构)筑物的破坏程度要超过《规程》规定的损坏等级，这是由于我国农村房屋质量普遍较差，抵抗变形能力较低。参考山东省岱庄生建煤矿建(构)筑物下采煤工程实例，当地表拉伸水平变形值ε达到0.9 mm/m～1.5 mm/m左右时，地表建(构)筑物将产生0 mm～4 mm左右宽的裂缝，属于Ⅰ级的破坏范围。岱庄湖东矿井地表上为欢城镇，为楼群建筑物，结合其他矿井村下采煤资料，控制地表拉伸变形在0.9 mm/m的范围之内。

3 预计模型

开采沉陷预计结果是评价“三下”(建筑物、水体和铁路下)采煤可行性的重要资料[2，3]。预计地表移动与变形时，根据我国的实际情况，目前可以采用的预计方法有负指数函数法、数值计算法(有限元法、边界单元法和离散单元法等)、典型曲线法、概率积分法等方法。但在实际工程中，无论选用哪种预计方法，都必须保证选用参数的准确性和可靠性，任何没有通过现场真实资料严格检验的参数或方法，在预计过程中都是不能选用的。

概率积分法是目前唯一一种在《规程》中推荐使用的预计方法，在我国的发展相对来说也是比较成熟的，并且在实际工程中，有着广泛的应用，它是用积分形式表达的以正态分布函数为影响函数的预计地表下沉量的方法，在一般的地表移动和变形预计计算中应用性非常强。概率积分法有预计参数物理意义明确、在参数选取合适的情况下预计精度较高、便于运用计算机实现运算自动化等特点[4]。

预计数学模型如下:

下沉:

倾斜:

曲率:

水平移动:

水平变形:

其中，W为地表充分采动的下沉值;U为地表充分采动水平移动值;r为主要影响半径;x为计算点的相对坐标(考虑了拐点偏移距)。

4 地表移动参数的选取

进行地表移动和变形预计计算，相关预计参数的选取及其赋值的可靠性至关重要，因为它对预计结果的真实性具有决定性作用。特别是针对建下煤层，预计结果对指导其开采具有重大的意义。进行建下煤层开采前，必须进行地表移动和变形预计计算，因为预计计算结果是用来判断建(构)筑物是否因煤层开采而被损坏及判断其被损坏的等级大小，用来决定煤层开采方法的选取，并作为选取保护建(构)筑物措施的重要依据。如果预计参数赋值过大，那么因此计算出的预计结果将过大，这将使在建(构)筑物维修时产生大量不必要的费用;预计参数赋值过小，那么因此计算出的预计结果将较小，这可能会使采取的相关保护措施不到位，而造成建(构)筑物发生破坏，甚至会对地面居民的人身安全构成重大的威胁[5，6]。

地表移动和变形预计参数的选取，主要根据煤层开采方法、顶板管理方法、上覆岩层性质、重复采动次数以及采深采厚比等因素以及对杨庄煤矿地表观测站实测数据整理分析。依照《规程》规定和364采区Ⅲ642工作面所属区域的工程地质条件，确定最终预计参数，如表1所示。

表1 地表沉陷预计参数

5 地表沉陷预计及分析

在杨庄煤矿364采区现有工作面和巷道的基础上，现就充填开采和不充填开采两种方案进行地表下沉的计算和分析。

5.1 不充填开采地表沉陷计算

经模拟，采用巷道开采时，地表下沉等值线图、地表倾斜等值线图、水平变形等值线图如图1～图5所示，地表建筑物破坏区域如图6所示。

图1 巷道开采地表下沉等值线图

图2 东西方向巷道开采水平变形等值线图

图3 南北方向巷道开采水平变形等值线图

图4 东西方向巷道开采倾斜等值线图

图5 南北方向巷道开采倾斜等值线图

图6 巷道开采地表建筑物破坏区域（加粗区域为Ⅱ级破坏区域）

通过概率积分法预计可得巷道矸石充填开采最大下沉值、最大水平变形值、最大倾斜值，如表2所示。

根据预计结果分析可知，Ⅲ642工作面采用不充填巷道开采，地表有部分建筑物达到Ⅱ级破坏。

5.2 充填开采地表沉陷计算

经模拟，采用巷道矸石充填开采时，地表下沉等值线图、地表倾斜等值线图、水平变形等值线图如图7～图11所示。

表2 巷道不充填开采后地表移动变形最大值

图7 地表下沉等值线图

图8 东西方向水平变形等值线图

图9 南北方向水平变形等值线图

图10 东西方向倾斜等值线图

通过概率积分法预计，巷道矸石充填开采最大下沉值、最大水平变形值、最大倾斜值如表3所示。

表3 巷道矸石充填开采后地表移动变形最大值

根据预计结果分析可知，Ⅲ642工作面采用巷道矸石充填开采，地表建筑物基本不受采动影响，破坏范围控制在Ⅰ级以内，无Ⅱ级破坏。

6 结语

通过采用概率计算的方法，对杨庄煤矿364采区Ⅲ642工作面建下保护煤柱充填开采和不充填开采两种方案进行地表下沉的计算，分析可得:Ⅲ642工作面建下保护煤柱采用巷道矸石充填开采，能够有效控制地表沉降，保证地面村庄居民人身安全，对地面建筑物的破坏不构成威胁，能够实现建下保护煤柱绿色安全开采。

[1] 翟树纯，岑志刚.阳邑矿井筒煤柱开采地表变形预计分析[J].中国煤炭，2008，34(4):57-59.

[2] 康建荣，王金庄，温泽民.任意形多工作面多线段开采沉陷预计系统(MSPS)[J].矿山测量，2000(1):24-27.

[3] 朱刘娟，陈俊杰，邹友峰.任意形状工作面开采地表移动变形预计的算法实现[J].辽宁工程技术大学学报，2005，24(3):337-340.

[4] 吴扬科.煤矿开采对高速公路影响的评价[J].河南理工大学学报(自然科学版)，2007，26(4):446-450.

[5] 杨守国.矿山地表移动预计系统及其在铁山南煤矿中的应用研究[D].重庆:重庆大学，2004.

[6] 韩 云.厚松散层下开采地表沉陷规律研究及应用[J].煤矿开采，2008，13(2):85-86.