开采沉陷预测的标准化

张华兴

(1.天地科技股份有限公司，北京 100013；2.中国煤炭学会 煤矿开采损害技术鉴定委员会，北京 100013)

煤炭是我国的主体能源，煤矿开采促进了国民经济的发展，但同时也引起地表沉陷，可能给地面建(构)筑物、水体、铁路和土地等带来一定程度损害。

开采沉陷的预测结果不仅涉及“三下”采煤设计的成败，而且对设计的优劣有重大的影响，为规范开采沉陷的预测，煤炭行业煤矿专用设备标准化技术委员会组织中国煤炭学会煤矿开采损害技术鉴定委员会、天地科技股份有限公司、中国矿业大学等单位编制完成了《煤矿开采沉陷预测方法》标准，本标准制定是在原国家煤炭工业局颁布的《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》)给出的预测方法基础上，结合近几年开采沉陷研究成果及计算技术的发展编制完成的，主要针对煤矿开采涉及的沉陷预测方法、参数选取、预测原则等内容，以期能为煤矿“三下”压煤开采设计、开采损害鉴定、采空区稳定评价及土地复垦方案制定提供可对比的计算依据。

1 标准所涉及的内容

《煤矿开采沉陷预测方法》标准除标准规定的范围、引用文件、术语和定义外，主要对地表移动计算方法、地表移动计算原则和地表移动预测参数三方面内容进行了标准化规定。

尽管在计算方法上可采用典型曲线法、负指数函数法、概率积分法和数值计算分析法，但明确了最为常用的方法为概率积分法，而概率积分法适用于缓倾斜、倾斜煤层开采地表移动分布曲线符合正态分布规律的地表移动与变形计算，并给出了概率积分计算的地表移动与变形最大值计算公式，包括地表最大下沉值、地表最大水平移动值、最大倾斜变形值、最大曲率变形值和最大水平变形值；给出了水平(或缓倾斜)煤层任意形状工作面面积分计算公式、水平(或缓倾斜)煤层矩形工作面计算公式和倾斜煤层任意形状工作面线积分计算公式，包括地表移动盆地主断面和任意点的移动与变形计算；提出了条带开采地表移动变形、充填开采的地表移动变形、残余变形和动态变形的计算可采用概率积分法进行，条带开采的地表移动变形计算可采用各条带工作面开采影响叠加和采用条带工作面开采区域(包括开采条带与留设条带)计算两种方法，无论采用哪种方法，预测参数应根据采出率及开采宽度、留设煤柱宽度进行调整；而充填开采的地表移动变形、残余变形的计算主要是对预测中下沉系数的调整，充填开采预测参数的调整依据充填材料、充实率、充填工艺等条件分析确定；残余变形预测参数的调整是依据开采方法、开采时间、残余空间等分析确定。动态变形依据时间函数确定。

标准对地表移动计算进行了原则性的规定，包括计算原则、符号取值原则、数据取位原则和盆地边界确定原则。在计算原则中，明确了地表移动与变形计算可采用叠加计算原理；计算块段可按实际开采工作面划分，也可将邻近的工作面进行合并，对于倾角、采厚变化较大的工作面应分割划分；提出了对已有实测资料的矿区，应首先参考本区的预测参数，无实测资料的矿区，可参考类似地质采矿条件矿区的预测参数，依据预计区的地质采矿条件确定。对于符号取值遵循了《规程》的相关规定。对于数据取位给出了明确的标准，包括地质采矿条件数据取位、预测参数数据取位和计算结果数据取位，从而为计算结果的对比奠定了基础，各项取位要求见表1、表2和表3。对于开采盆地边界的确定明确了以最终下沉10mm的点确定地表移动盆地边界。

表1 地质采矿条件数据取位要求

表2 预测参数数据取位要求

表3 计算结果数据取位要求

地表移动预测参数则从依据实测数据求取预测参数和预测参数的选取两方面进行了标准化规定，由于参数的选取对计算结果的影响较大，这一规定将有助于计算结果准确性的提高。在预测参数选取方面，标准给出了参数的选取原则，依据岩性选取预测参数和依据地质、采矿条件及岩性评价系数选取预测参数的具体方法，特别是特殊条件下沉系数选取方法(包括非充分采动下沉系数选取、条带开采下沉系数计算和残余变形下沉系数计算)为开采沉陷的应用推广提供了最为基本的条件。

2 标准中沉陷预测技术的提高

《煤矿开采沉陷预测方法》标准是在《规程》的基础上，总结了近几年开采沉陷技术的发展和开采沉陷预测中存在的普遍问题而提出的，与《规程》相比，主要有以下的改进：

(1)《规程》中对开采沉陷预测的要求进行了明确的规定，但开采沉陷的预测方法和参数均为附录，仅作为参考，而标准中明确了计算方法、参数选取及预测中的数据取位，从而提高了预测结果的可靠性和可对比性。

(2)明确规定了无论是实测还是计算，开采沉陷的边界是以下沉10mm线作为开采影响边界，从而避免了由于对开采沉陷理解的不同而产生的混淆。

(3)明确了条带开采移动变形、充填开采沉陷和残余变形均可采用概率积分法进行计算，并给出了条带开采下沉系数的计算公式(公式1和公式2)和残余变形下沉系数计算公式(公式3)。

(1)

(2)

(3)

式中，M为煤层法向开采厚度，m；q为全采下沉系数；q条为条带开采下沉系数；ρ为条带开采采出率；b为条带开采宽度，m；a为条带留宽，m；H为条带开采深度，m；q残为残余下沉系数；k为调整系数，一般取0.5～1.0；t为距开采结束时间，a。

(4)给出了利用实测数据求取预测参数的方法，提出了对观测数据的拟合求取预测参数宜采用程序拟合，而预测参数分析程序宜采用最小二乘法原则，也可采用预测参数趋近法则。

3 结束语

开采沉陷预测已得到了大家的认可，其结果也被越来越多的行业所采用，由于缺少应有的标准，使得预测结果参差不齐，希望《煤矿开采沉陷预测方法》标准的制定，能够提高对开采沉陷理论的准确应用。

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