开采沉陷对地面建筑物的影响研究

姚文华 宋选民

（太原理工大学采矿工艺研究所，山西省太原市，030024）

在我国，“三下”压煤量占的比例是非常可观的，其中大部分是位于建筑物下。进行地下开采煤炭时，自然会破坏相应岩层的原始应力，进而导致应力的重新分布，在这个过程中，岩体会产生移动、变形、下沉等，向上波及地表，最终会在地表形成移动盆地，从而使地面建筑物等地物地貌发生倒塌、裂缝、下沉等现象。为了充分开采地下矿产资源，并对地面建筑物等的影响程度做更进一步的了解，及时对地表的沉陷状况进行预测就显得十分必要。预测地表沉陷的方法有很多，包括概率积分法、典型曲线法等，但只有概率积分法应用比较成熟，本文采用概率积分法对开采沉陷进行了预计。

依据该方法，再结合相应煤矿的地质条件、开采方式、地表及岩层的移动特征，就可通过计算得出开采沉陷引起的地表最大下沉值、最大倾斜值、最大曲率、最大水平值和最大水平变形值，从而确定地表沉陷影响范围。

1 地质概况

苏村煤矿10＃煤层10101工作面位于矿井的西部，郭家山村以东一带，为该采区的首采工作面，地形沟谷纵横，标高为1192～1300 m，煤层底板标高为890～950 m，煤层埋藏深度为242～410 m，工作面走向长800 m，工作面倾斜长157 m，面积95770 m2，煤层倾角2～10°，平均6°左右。煤层平均厚度为6.11 m，工作面机采高度为2.2 m，放顶煤高度为3.91 m，采放比为1∶1.77。根据矿方提供的钻孔柱状图可知，表土松散层厚度为83.85 m，基岩厚度为310.95 m。

2 依据原有留设煤柱计算的沉陷范围

苏村煤矿在10101工作面设计时，根据规程的相关要求留设有保护煤柱。图1为开采塌陷范围计算图，根据图1可确定在留有该煤柱情况下，工作面开采引起的沉陷范围。

式中：h——松散层厚度，m；

φ——松散层移动角，（°）；

H——基岩厚度，m；

δ——基岩移动角，（°）。

图1 开采塌陷范围计算图

结合前面地质概况知表土松散层厚度h为83.85 m，基岩厚度H 为310.95 m；根据以往对苏村煤矿10＃塌陷区动态观测计算，松散层移动角φ为45°，基岩移动角δ为72°，代入上面公式中，可算得沉陷范围为184.88 m，即以10101工作面上方对应的地表为中心，辐射周围184.88 m范围内都是受影响区域。

3 预计模型

3.1 预计模型的建立

依据10101工作面的地质条件、开采方式等，对工作面开采引起的地表移动变形，决定采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（以下简称规程）的概率积分法及相应编制的计算机软件（山区煤矿开采地表移动变形预计系统MMSPS软件，简称VB程序）进行计算、模拟。

3.2 参数的选取

苏村煤矿所在的井田位于河东煤田中部，区域地层自东而西由老至新为太古界、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新生界上第三系及第四系地层。区域内主要地层为石炭系和二叠系，以中奥陶系地层为基底。而苏村煤矿位于河东煤田离石矿区境内，井田内地表几乎全为上第三系上新统（N2），第四系中、上更新统（Q2＋3），全新统（Q4）所覆盖，仅在较大的沟谷有零星的二叠系下统下石盒子组（P1X）出露。因而可知，井田内主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。

本文主要计算的是10＃煤层10101工作面开采对地表的影响。通过与同类地质条件和开采条件相似的煤矿作比较，选用以下数值作为本矿的地表移动变形预计参数，其中下沉系数选用为0.8，主要影响角正切值选为2.0，水平移动系数选为0.3，拐点偏移距选为±0.10 H（H 为基岩厚度），影响传播角选为87°。

3.3 计算结果

通常地面建筑物等的破坏程度是由采空区地表沉陷范围内地表移动变形值的大小确定的。通常将地表点的下沉和水平移动称为开采沉陷引起的移动；将因地表相邻点下沉、水平移动不均衡引起的垂直面上的倾斜、曲率和水平面上的水平变形（含拉伸和压缩）称为开采沉陷不均衡引起的变形。

结合上述计算模型及参数选取，输入《山区煤矿开采地表移动变形预计系统MMSPS》软件程序进行计算模拟，可得10101工作面上方地表移动变形最大值结果。下沉变形最大值＋4518 mm；水平移动最大值与计算参考的等值线的方向相同的为＋1544 mm，相反的为－1295 mm；倾斜移动最大值与计算参考的等值线的方向相同的为＋36.21 mm／m，相反的为－40.65 mm／m；曲率变形最大值上凸为＋0.51×10－3／m，下凹为－0.75×10－3／m；水平变形最大值拉伸为＋17.26 mm／m，压缩为27.16 mm／m。

3.4 预计模型确定的沉陷范围

根据上面的计算结果，输入相应的VB程序模拟，可得地表移动变形对应的开采沉陷等值线图（包括地表下沉、倾斜、曲率、水平移动及变形等一系列等值线图）。依据模拟的地表移动变形等值线图即可圈定10101工作面开采引起的沉陷范围，即以10101工作面上方对应的地表为中心，辐射周围167.11 m范围内都是受影响区域。

3.5 建筑物损坏等级分析

结合规程中的相关要求，建筑物受损害等级判定见表1。

如果预计的地表变形值小于表中允许变形值就可保证正常使用，否则就会受到损害。

表1 建筑物损坏等级

根据上面的计算结果及模拟出的等值线图可知，下沉10 mm的等值线（实际工作中地表下沉的最外边界常以下沉10 mm的点圈定的）距离10101工作面的水平距离最远为167.11 m；水平变形为±2.0 mm／m、曲率变形为±0.2×10－3／m及倾斜变形为±3.0 mm／m的3条等值线中距离10101工作面的水平距离最远的是水平变形为±2.0 mm／m的等值线，其距离工作面为 91.6 mm；水平变形为±4.0 mm／m、曲率变形为±0.4×10－3／m及倾斜变形为±6.0 mm／m的3条等值线中距离10101工作面的水平距离最远的是倾斜变形为±6.0 mm／m的等值线，其距离工作面为63.7 m；水平变形为±6.0 mm／m、曲率变形为±0.6×10－3／m及倾斜变形为±10.0 mm／m 的3条等值线中距离10101工作面的水平距离最远的是水平变形为±6.0 mm／m的等值线，其距离工作面为62.3 m。

4 结论

（1）从原有留设煤柱计算的沉陷范围可知，沉陷影响范围为184.88 m；而根据概率积分法及VB程序模拟计算的沉陷影响范围为167.11m。比较两种方法可得10101工作面开采引起的合理沉陷范围为176 m，即以10101工作面上方对应的地表为中心，辐射周围176 m范围内都是受影响区域。

（2）根据计算结果及上面的建筑物损坏等级表可得，10101工作面西南方向（方位角为185～270°范围内）对应的村庄房屋距10101工作面的水平距离在91.6～176 m范围内为I级损坏等级，即极轻微损坏；在63.7～91.6 m范围内为II级损坏等级，即轻度损坏；在62.3～63.7 m范围内为Ⅲ级损坏等级，即中度损坏；在62.3 m范围内为Ⅳ级损坏等级，即严重损坏。

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