煤矿采动损害评价系统的建立及应用

谷小敏，吴作启

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

煤矿采动损害评价系统的建立及应用

谷小敏1，2，吴作启1，2

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

为了正确全面评价采动损害，更好协调地矿关系，指导矿山企业制定合理的开采接续设计,全面研究了我国现行的矿区各类地物的采动损害评价标准和规程，开发了用于采动损害技术经济评价的计算机辅助系统。对徐州矿区张小楼井在刘集镇村庄下采煤设计方案进行采动损害综合补偿评价，计算得到了各设计开采方案条件下各类地物采动损害补偿金额，为矿山生产规划的优选决策提供了客观依据。

采动损害评价；开采沉陷；三下采煤

我国是以煤炭为主要能源的国家，特别是近十年以来，煤炭产量有较大幅度地提高，2014年的煤炭产量已达4.3Gt，从而造成了大量的开采沉陷问题。矿区开采损害问题普遍存在，工农关系受到影响，造成社会矛盾，同时，开采沉陷也给煤矿造成了巨大的经济与生产压力[1]。

因此，通过对煤矿采动损害进行科学评价来指导矿山生产企业做出合理的接续规划是煤炭生产急需解决的重要课题。

针对我国的煤炭开采实际和采动损害规律，开采沉陷领域的学者做了深入研究。崔希民分析了国内外建筑物损害临界变形值确定和损坏等级划分研究现状，归纳了目前国内外关于采动损害评价方法的优缺点[2]；胡炳南针对影响建筑物损坏的指标不灵活、适用性差的缺点，基于模糊理论对权重进行了模糊处理，实现了建筑物在采动影响下的损坏程度模糊综合评判[3]；郭文兵采用模糊等价关系的模糊聚类分析方法对采动影响下建筑物损害程度进行了分类研究，并取得了良好的应用效果[4]；刘立民等利用可拓集进行了采动影响下建筑物损害的物元模型评价[5]；宫凤强和廖孟光等基于未确知测度模型分别从采空区危险性[6]和采空区房屋损坏进行了评价[7]，并取得了理想的实际效果；饶正保等利用GIS的强大数据管理功能实现了沉陷区建筑物损害评价的可视化[8]；邓喀中等从采空区建筑物地基和建筑物附加应力等机理方面开展了采空区建筑物损害研究[9]；吴扬科进行了采空区对高速公路的影响研究[10]；顾和和等研究了高潜水位地区的开采塌陷对耕地的破坏机理研究[11]。但对于包括建筑物在内的采空区多类地物综合采动损害评价的论文相对较少。因此，本文在对煤矿采动损害评价指标及评价模型分析研究的基础上，依据现行国家煤炭生产相关规程建立了一套较完善的采动损害技术经济评价计算机辅助系统，并利用该系统对徐州矿区张小楼井刘集镇瓦房村村庄下采煤进行了综合补偿评价。

1 煤矿采动损害评价模型

1.1 煤矿采动损害评价指标的确定

根据行业工程应用的需求，煤矿采动损害评价内容主要包括地表建筑物、土地资源、公路及各种管路等方面。虽然不同受损对象的损坏形式、特征及程度各不相同，但受损原因主要由地表下沉、水平移动、倾斜变形、曲率变形和水平变形所致[12]。根据上述4类受损对象的受损原因确定其采动损害评价指标如表1所示。

表1 煤矿采动损害评价指标

1.2 煤矿采动损害评价模型

1.2.1 建筑物损坏等级评价及补偿模型

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[13]的相关规定，砖混结构建筑物采动损坏等级分4级，各级别损坏程度与地表变形关系如表2所示。

表2 砖混结构建筑物损坏等级评价

建筑物损害补偿费计算公式为：

式中，A为建筑物的补偿费，元；B为计算基数，指与当地有关部门协商确定的建筑物补偿单价，元/m2；C为建筑物折旧率；Di为建筑物受损自然间的补偿比率；Ei为受损自然间的建筑面积，m2；n为建筑物受损自然间数。

1.2.2 土地损害等级评价及补偿模型

根据《中华人民共和国土地管理法》[14]、《土地复垦方案编制规程》(TD/T 1031.3-2011)[15]的相关规定，土地采动损害等级与地表变形之间的关系及补偿方式如表3所示。

表3 土地损害等级评价

减产补偿费计算公式为：

J1=J青+J附

式中，J1为减产补偿费，元；J青为青苗补偿费，元；J附为附着物补偿费，元；Si为受损面积，m2；Mi为单位面积前3a平均年产值，元/m2；Mi′为开采损害后单位面积年产值，元/m2；Mi″为附着物单位面积补偿费，元/m2。

复垦补偿费计算公式为：

J2=J1+S复×a

式中，J2为复垦补偿费，元；S复为需要复垦的土地面积，m2；a为单位面积复垦费用，元/ m2。

绝产补偿费计算公式为：

式中，J3为绝产补偿费，元；k±为土地补偿系数；k安为安置补助费倍数；Mi″′为单位面积绝产补偿费用，元/m2。

土地损害补偿总费用计算公式为：

J土=J1+J2+J3

1.2.3 公路损坏评价及补偿模型

根据国家交通部颁布的现行《公路路基设计规范》(JTGD30-2015)[16]行业标准，软土地区路基允许工后沉降控制指标如表4所示，公路采动损坏等级与地表变形之间的关系及处理方式如表5所示。

表4 公路路基允许工后沉降

表5 公路损坏等级评价

公路采动损害补偿费计算公式为：

J路=JL+J绿+J交

式中，J路为公路损害补偿费，元；JL为公路损害路面、路基补偿费，元；J绿为公路绿化带补偿费，元；J交为公路损害交通安全设施补偿费，元；Ni为损害路面、路基补偿标准，元；Ni′为损害绿化带补偿标准，元；Ni″为损害交通安全设施补偿标准，元；Pi为相应公路设施损害数量。

1.2.4 管路损坏评价及补偿模型

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[13]的相关规定，矿区管路采动损坏等级与地表变形之间的关系及处理方式如表6所示。

表6 管路损坏等级评价

管路采动损害补偿费计算公式为：

J管=J地面+J地下

式中，J管为管路补偿费，元；J地面为地面管路补偿费，元；J地下为地下管路补偿费，元；G为地面管路单位长度补偿费，元/m；L为地面管路维修长度，m；G′为地下管路单位长度补偿费，元/m；L′为地下管路维修长度，m。

2 煤矿采动损害评价计算机辅助系统的建立

煤矿采动损害评价计算机辅助系统采用Matlab作为开发平台，建立了建筑物损坏等级评价及补偿、土地损害等级评价及补偿、公路损坏等级评价及补偿、管路损坏等级评价及补偿共4个评价模块，各模块实现了采动损害的等级评价及经济补偿计算。采动损害技术经济评价系统架构见图1。

图1 煤矿采动损害评价系统架构设计

该系统具有功能完备、计算速度快、界面友好等特点。

3 实例应用

徐州矿区张小楼井计划对刘集镇瓦房村保护煤柱进行开采，开采前使用以上采动损害技术经济评价系统对不同开采接续方案的村庄采动损害进行损害补偿预评价。张小楼井地层分布由老至新概述为：寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、第四系。含煤地层为石炭系、二叠系，共分3个含煤组：石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组。现主采煤层为山西组7煤层和9煤层。其中，7煤层设计开采工作面6个，9煤层设计开采工作面9个，具体设计工作面的基本信息及概率积分法预计参数如表7所示，采煤方法均为机械化综采，长壁全陷。计算中考虑了周边已有采空区的采动影响情况，已有采空区具体信息略。

表7 采空区块段信息及概率积分法预计参数

对7、9煤层刘集镇瓦房村保护煤柱全部开采后的地表下沉、倾斜变形、水平变形和曲率变形等进行了计算，通过计算得出7煤层6个设计工作面和9煤层9个设计工作面全部开采条件下地表最大下沉值为3342.3mm，地表最大倾斜变形值为+6.5mm/m，最大水平拉伸变形为+4.13mm/m，最大水平压缩变形为-9.10mm/m，最大曲率变形为0.031 /m。根据地表变形等值线与各类地物的相对位置关系确定各类地物的损坏等级及处理方式，应用煤矿采动损害评价系统对该采空区造成的村庄及土地、道路、管路等损坏进行技术与经济的评价结果如表8所示。

煤矿采动损害评价系统对该采空区造成的村庄损坏进行技术与经济的评价结果中总补偿金额为1556.14万元，其中建筑物损坏补偿金额为720.80万元，土地损害补偿金额为299.51万元，公路损坏补偿金额为496.83万元，管路损坏补偿金额为39.60万元。由计算结果可知建筑物损坏补偿仍然占所有采动损害补偿中比例最大，且建筑物损坏直接关系到居民的生命安全和根本利益，故建筑物损坏评价在各类地物采动损害评价中处于最重要地位。由于该评价地区处于我国东部较发达地区，农村基础设施发展较为完善，道路损坏补偿相对较大，土地损坏及管路损坏补偿次之。

表8 煤矿采动损害评价结果

4 结 论

(1)通过选择合理的采动损害评价指标和适当的补偿标准建立了煤矿采动损害评价模型，实现了计算机软件的开发。

(2)应用建立的煤矿采动损害评价系统，对徐州矿区张小楼井在刘集镇瓦房村下采煤设计方案进行了评价，得出了相应的损害评价结果及补偿结果。

(3)工程实例的计算结果表明建筑物损坏补偿仍占采动损害补偿的主体，道路、土地和管路损坏补偿次之。

[1]张华兴.煤矿开采损害的评价与防护[J].煤矿开采，2015，20(3)：1-2，20.

[2]崔希民，张 兵，彭 超.建筑物采动损害评价研究现状与进展[J].煤炭学报，2015，40(8)：1718-1728.

[3]胡炳南.建筑物采动破坏程度的模糊综合评判[J].煤矿开采，1993(3)：23-27.

[4]郭文兵，刘义新，李小双.采动影响下建筑物损害程度的模糊聚类分析[J].采矿与安全工程学报，2007，24(3)：288-292.

[5]刘立民，刘汉龙，连传杰.建筑物采动损坏等级评价的物元模型及其应用[J].煤炭学报，2004，29(1)：17-21.

[6]宫凤强，李夕兵，董陇军，等.基于未确定测度理论的采空区危险性评价研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(2)：323-330.

[7]廖孟光，戴华阳，段龙飞.基于未确定理论的采动区房屋损坏评价[J].测绘通报，2015 (4)：25-29.

[8]饶正保，王旭春，卢 雷.基于GIS的沉陷区建筑物损害可视化评价方法[J].青岛理工大学学报，2006，27(1)： 24-27.

[9]邓喀中，郭广礼，谭志祥.采动区建筑物地基、基础协同作用特性研究[J].煤炭学报，2001，26(6)：601-605.

[10]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，2007，26(4)：446-450.

[11]顾和和，胡振琪，刘德辉，等.高潜水位地区开采塌陷对耕地的破坏机理研究[J].煤炭学报，1998，23(5)：522-525.

[12]何国清，杨 伦，凌庚娣，等.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991.

[13]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要巷道保护煤柱留设与压煤开采规程[S].北京：煤炭工业出版社，2000.

[14]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.土地复垦方案编制规程(TD/T 1031..3—2011)[S].北京：中国标准出版社，2011.

[15]中交第二公路勘察设计研究院有限公司.公路路基设计规范(JTG D30—2015)[S].北京：人民交通出版社，2015.

[责任编辑：徐乃忠]

Building and Application of Mining Damage Evaluation System in Coal Mine

GU Xiao-min1,2，WU Zuo-qi1,2

(1.Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100013，China； 2.Coal Resource High Efficient Mining & Clean Utilization State Key Laboratory(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China)

In order to comprehensive and fully evaluated mining damage，and the relationship between local and mine would be coordinated，guided for rational mining sustainable designing of mining enterprise，all kinds mining damage evaluation standards and procedures of surface features in domestic were studied fully，and then computer aided system of mining damage techno-economic appraisal was developed.Mining damage synthesize compensate evaluation of mining designing scheme was done ,which mining under Liujizhen village of Zhangxiaolou mine in Xuzhou coal mine area，it refers for optimization decision of mine production planning.

mining damage evaluation system；mining subsidence；“three unders”mining

2017-02-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.019

国家科技重大专项(2016ZX05045001-004)；国家自然科学基金(51404139)

谷小敏(1982-)，女，河北石家庄人，助理研究员，硕士，主要从事采空区勘查与治理方面的工作。

谷小敏，吴作启.煤矿采动损害评价系统的建立及应用[J].煤矿开采，2017，22(4)：75-78，9.

TD

A

1006-6225(2017)04-0075-04