建筑物下ZFN87013工作面开采地表变形预计

2019-03-21王丙迎

煤 2019年3期

王丙迎

(西山煤电有限责任公司屯兰煤矿，山西太原 030200)

随着煤炭资源的回收，全国大部分老矿井都面临着“三下”压煤，在“三下”压煤中建筑物下的资源又是压煤量最大的，大约占总压煤量的48%左右[1-2]。在回收建筑物下压煤时最重要的是对地表建筑物的保护，控制其变形在安全的范围之内，根据查阅国家规程、地方标准以及著作论述等对地表建筑物损伤等级的界定，其中一级保护标准要求建筑物的倾斜值小于等于3.0 mm/m、曲率值小于等于0.2×10-3/m、水平变形值小于等于2.0 mm/m、扭曲变形值小于等于0.1×10-3/m、剪切变形值小于等于1 mm/m[1,3,4]。

在建筑物下工作面回收资源之前必须对采后的地表变形进行预计，判断其变形值是否满足规程和标准的要求。地表变形预计的算法很多，有数值模拟法、概率积分法、剖面曲线法和主断面拟合函数法等，其中概率积分法是众多方法中应用最广，应用效果最好的算法[5-6]。本文采用概率积分法对ZFN87013工作面采后的地表变形进行预计。

1 工程背景

东宁煤矿ZFN87013工作面位于东宁庄下，东宁庄常住人口大约1500人，地表建筑物多为砖混结构板房，建筑时间都在20年之内，抗震抗变形能力较强。在庄内还有一所东宁庄幼儿园，幼儿园内学生大约在校50人左右。ZFN87013工作面埋深在230～245 m之间，工作面走向长度约210 m，倾斜长度约147 m，煤层倾角4.5°，属于近水平煤层。工作面覆岩岩性为中硬岩层，采动裂隙发育较大，而且发育速度较快，地表有大约30 m的表土层，表土层主要以泥沙岩为主。

通过实测和调研东宁矿的生产状况，掌握地质采矿条件，确定了下沉预计各个参数，平均采深为239 m、下沉系数0.67、水平移动系数0.31、拐点偏距0.047倍采深、主要影响角正切值1.7。应用以上确定的预计参数，采用概率积分法对采后地表变形进行预计分析。

2 地表变形预计方法

概率积分法的建模原理是将上覆岩层视为均质散体，当下方采空后，上方的覆岩会以自由散落的形式向下方移动，移动过程中遵循概率论基本原理，即根据各散体位置向某一位置的散落可能性进行概率化，在此原理之上建立了计算覆岩下沉过程中的计算模型，概论积分法可以对下沉值、倾斜值、曲率值、水平移动值、水平变形值、扭曲变形值和剪切变形值进行预计[1,6,7]。

下沉值计算模型：

(1)

倾斜值计算模型：

(2)

曲率值计算模型：

(3)

水平移动值计算模型：

(4)

水平变形值计算模型：

(5)

扭曲变形计算模型：

(6)

剪切变形计算模型：

(7)

式中:x为计算点坐标；W0为最大下沉值；r为主要影响半径；b为水平移动系数；lx为分段测点在x方向上的间距；ly为分段测点在y方向上的间距；Δi为倾斜值变化量；ΔU(x) 为x方向的水平位移变化量；ΔU(y) 为y方向的水平位移变化量。

3 垮落法开采地表变形预计及分析

基于以上的概率积分法计算模型，应用MATLAB软件对ZFN87013工作面采后地表变形进行预计分析。根据地表变形理论在走向和倾向相比较，较长的断面发生的地表变形值较大，所以在ZFN87013工作面走向主断面设置了20个地表变形预计点，各个预计点间距离相等。预计结果如表1所示，将表1中的数据绘制出断面变形曲线，如图1所示。

从图1和表1可以看出20个预计点七个变形值的变化范围和趋势，从下沉值可以看出下沉盆地是一个尖底而不是平底，说明没有达到充分采动，其中最大下沉值为1.344 0 m，同时也得到了其它各个变形值的最大值，倾斜最大值为0.522 9 mm/m、曲率最大值为0.005 6×10-3/m、水平移动最大值为0.832 2 m、水平变形最大值为0.374 1 mm/m、扭曲最大值为0.007 7×10-3/m、剪切最大值为0.414 6 mm/m。将各个变形值最大值与一级标准变形值对比，列于表2。

相关标准和规定中对下沉值和水平移动值没有进行规定，因为如果建(构)筑物在水平方向和垂直方向发生移动，是不会对建筑物产生损伤的，所以只对其它5个变形值进行规定。从表2中可以看出，倾斜值、曲率值、水平变形值、扭曲值和剪切值都在一级保护标准范围内。可见虽然采用垮落法开采会对地表建筑物产生一定的影响，但各个变形值都控制在了一级范围，地表建筑物可以正常使用，ZFN87013工作面开采可行。

4 结语

1) 查阅国家规程、地方标准和各著作，确定了地表建筑物为砖混结构时其一级保护标准的各个变形值要求分别为：倾斜值小于等于3.0 mm/m、曲率值小于等于0.2×10-3/m、水平变形值小于等于2.0 mm/m、扭曲变形值小于等于0.1×10-3/m、剪切变形小于等于1 mm/m。

2) 采用概率积分法和MATLAB软件对ZFN87013工作面采后的地表变形进行预计，得到下沉最大值为1.344 0 m，倾斜最大值为0.522 9 mm/m、曲率最大值为0.005 6×10-3/m、水平移动最大值为0.832 2 m、水平变形最大值为0.374 1 mm/m、扭曲最大值为0.007 7×10-3m、剪切最大值为0.414 6 mm/m。

对比一级标准和预计结果，可以得出ZFN87013工作面开采可行，可保证村庄的建筑物安全。