充填条件下地表建筑物抗变形能力评价

●李 涛 金珠鹏 巩宪辉 刘 伟 刘炜楠 王海洋

一、引言

我国政府致力于推进矿产资源领域供给侧结构性改革，能源消费结构得到不断改善和优化①，但据我国能源结构实际情况，可以预计的是在未来相当一段时间内，煤炭在我国能源消费结构中仍占主体地位。煤炭工业的健康发展事关我国能源安全和经济的可持续发展。很多矿井随着开采年限的延长和水平的延伸，正在逐步进入残采阶段，部分矿井已进入衰退期。然而，据统计我国“三下”压煤超过140亿吨，在我国一些城镇和村庄建筑物下、铁路下、水体下压着大量的煤炭资源②。地下开采会引起地表的移动变形，采煤工作面若采用全部垮落法处理采空区，煤体采出后上覆岩层在重力作用下剧烈变形移动，老顶断裂下沉至全部采空区，造成地表剧烈变形、下沉，形成大型塌陷坑。充填开采时，在煤炭被采出后向采空区输送充填料浆进行充填，相当于将原本煤炭所占据的空间换成了充填材料，减少覆岩移动空间，从而有效控制覆岩移动及地表变形。矿山充填开采已成为控制地表变形破坏的主要方法之一，对地表建筑物抗变形能力进行评价是充填开采首先需要解决的问题，才能指导后续矿井充填料浆的配比设计等工作。

原野③等学者提出为了解决当前日益突出的矿山充填开采问题，首先对地表保护对象进行辨识分析，并结合纱岭金矿实际开采方案设计，最终采用FLAC3D数值模拟软件，对深部充填开采地表变形规律进行了分析研究。结果表明，在充填开采过程中，地表变形值满足国家对建筑物相关标准要求。并且不会导致地下含水层破坏，能够保证充填过程的生产安全。孙伟波④等人针对陕北煤田生态环境脆弱、地质疏松的自然条件，提出用条带充填法控制地表变形，数值模拟结果表明，在控制充填条带宽度和充填体强度的条件下，条带充填法能有效地保证地表安全，减少地下采煤对水资源的破坏。温兴林⑤等为了研究建筑物下深部煤层膏体充填开采后对地表高压输电线塔的危险性，采用理论分析、概率积分计算和现场实测相结合的方法，对730采区各工作面开采后所造成的地表移动变形进行了预计，根据预计结果提出了对高压线塔的维修和加固措施，确保高压输电线和高压线塔的安全运行。

研究矿井“建下”压煤10149.0万t，占总储量的69.4%,可采储量仅剩635.6万t，已经严重制约了矿井生产和长远发展。地表涉及到一个镇、9个村，村庄搬迁成本较高，耗时耗力，难以实现。为了延长矿井服务年限，计划采用高浓度胶结充填开采回采城区下深部压煤。现准备对研究矿井12#煤层进行回采，12#煤层平均埋深746m，平均煤厚2m，平均倾角在10°，地表为唐山市古冶区，地面主要建（构）筑群有国道、铁路、工业广场、客运站、加油站、石榴河、零售网点、居民住宅区及一些天然气、暖气管道和供电系统，建筑物的抗变形能力差异较大。需要对充填开采时地表建筑物的抗变形能力进行评价，得出充填开采时地表建筑物移动变形上限值，以指导后续充填开采时充填料浆的配比设计，保护地表建筑物安全。

二、采区地质条件

1.采区概况。该矿井可采煤层5个，分别为7#、8#、9#、11#和12#煤，累计煤层厚度约为10.9m。研究矿井位于河北省唐山市境古冶区境内。交通便利，距市区约22km，井田开采范围内设有专用的铁路与京山铁路接轨，主要的公路运输路线为205国道，可通往全国各地，水路经过秦皇岛港、塘沽港及京唐港通往华东和国外。

矿井井田位于开平煤田东北隅的西南部，井田内地势较平坦。东北部及井口较高，海拔高度+50m左右，西部和西南部较低，海拔高度+30m～+40m，井田范围内由于人工地下采矿活动的影响，原地形部分已遭破坏。井田属山前冲积平原地貌，井田面积约为27.8km2，矿井走向长度为8.22km，倾斜长度为4.0km。矿井开采深度为49m至-1200m。充填区域井上下对照图略。

由于研究区域潜水位较高，因此煤柱开采要控制下沉量，地表房屋保护等级较高，因此煤柱开采还要控制变形量。控制了地表下沉量，很大程度上控制了地表变形。考虑到11水平煤层分布与建筑物分布的关系及本区地质采矿条件特点和村庄保护要求，对研究矿井11水平东翼12#煤层1121采区进行高浓度胶结充填开采，首采区布置在采区最上部。

2.煤层赋存地质条件。矿井位于开平煤田的开平向斜东北隅的西南部，出露及揭露的地层由老到新有：奥陶系中统马家沟组，石炭系中统唐山组、上统开平组和赵各庄组，二叠系下统大苗庄组和唐家庄组、上统古冶组和洼里组、第四系。含有八个煤层，分别为5#、6#、7#、8#、9#、11#、12#煤层，煤层的总厚度为16m，其中7#、8#、9#、11#、12#煤层为可采煤层，总厚为10.9m。各可采煤层的基本特点，包括各煤层的最大、最小厚度、平均厚度，各可采煤层的层间距，结构等情况见表1。

截至2017年底，井田内参与储量计算的煤层共五个。矿井资源总量14626.0万t，其中保有地质储量14626.0万t，7#煤层资源储量3192.7万t，8#煤层资源储量1318.6万t，9#煤层资源储量5010.2万t，11#煤层资源储量2076.6万t，12#煤层资源储量3027.9万t。井田东翼古冶区压煤4755.8万t。7#煤层为局部可采煤层，8#、9#、11#、12#煤层为稳定可采煤层，8#、9#煤层大部分地段为厚煤层，7#、8#、9#、12#煤层为中厚煤层，11#煤层为薄煤层。东翼主要可采煤层为12#煤层，研究区域7#、8#、11#煤层无采掘工程，上覆9#煤层已经基本回采完毕。12#煤层为较稳定可采煤层，煤层结构较简单，含夹石一层，夹石厚度为0.1m～0.3m，深部灰分较低，厚度为0.4m～2.9m，平均2.0m，煤层顶板是灰黑炭质泥岩，结构紧密，细腻均一，在井田内较为稳定，具有划痕油质光泽，断口呈贝壳状，是研究矿井较好的标志层之一。底板为灰黑色细砂岩，结构致密，岩性均一。

表1可采煤层厚度、层间距、稳定性、结构一览表

矿井采用充填开采的建筑物下压煤主要集中在12#煤层11东和12水平范围，预计采出543.8万t，详见表2。

表2建筑物下压煤预计采出量汇总表（12#煤层）

三、地面建筑物分布情况及抗变形能力评价

1.地面建筑物分布情况。研究区域地面主要建（构）筑群包括矿井工业广场、区政府大楼、运煤专用铁路、汽车站、中国石化加油站、石榴河、各类公司、零售网点及中高层居民住宅区等。各类建筑物平面布置方式、空间尺寸、构造结构类型多种多样，建筑质量也相差较大，房屋的抗变形能力参差不齐。另外，研究区域内地表还存在一些管网系统，如水管、天然气、暖气管道等，这些主体管线的设置一般情况下采取地下铺设。建筑物与管网系统均为唐山大地震以后新建，设计具有一定的抗变形能力。

地表主要建筑为中高层居民楼、政府办公大楼等，框架结构。特殊地物主要有铁路、铁路桥、加油站、水、电、天然气、暖气管道，这些主体管线的设置一般采取地下铺设，地下管线走向沿道路或与主体建筑平行布置，线路顺直。

按照采动影响范围内各类建筑物的用途和重要性，对地表典型建筑物进行保护等级划分，将加油站、铁路桥列为一级保护对象，将汽车站、政府大楼和居民楼列为二级保护对象。水平变形和倾斜变形是影响建筑物稳定性的主要因素，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中，对地表移动变形影响建筑物划分了等级⑥，其中一级保护对象水平变形小于2mm/m，倾斜变形小于3mm/m。

采动影响范围内地表埋有各类管管道，布置方式不一，允许变形值也不尽相同，为了尽可能保护地表管网系统的安全，以天然气管道为例，天然气管道的地表允许和极限变形值见表3⑦。

2.地面建筑物抗变形能力评价。建筑物本身抵抗采动变形的能力和地表变形值的大小决定着受开采影响的损坏程度，根据研究矿井地表建筑物和管网系统的分布情况，对矿区东翼采动影响范围内各建(构)物与地表管线进行了抗变形能力分析，见表4。

为保证地表建筑物以及管线的安全，充填开采对地表开采沉陷的影响必须在保护等级要求范围之内，因此取上限水平变形值为2mm/m，倾斜变形值为3mm/m，曲率变形值为0.20mm/m2。充填开采料浆的配制过程中，要以这三个指标为上限依据进行充填料浆配比设计，以保证充填开采时充填体强度满足要求可以控制顶板岩层和地表变形值在安全范围内。

表3天然气管道的地表允许和极限变形值

表4研究矿井地表建筑物、管线抗变形能力

四、结论

1.充填开采区域地表主要建（构）筑群包括区政府大楼、运煤专用铁路、汽车站、中国石化加油站、石榴河、零售网点、中高层居民住宅区和地表天然气管道管网等。各类建筑物平面布置方式、空间尺寸、构造结构类型多种多样，房屋的抗变形能力参差不齐，需要进行抗变形能力评价。

2.为保证地表建筑物以及管线的安全，充填开采对地表开采沉陷的影响必须在保护等级要求范围之内，因此取上限水平变形值为2mm/m，倾斜变形值为3mm/m，曲率变形值为0.20mm/m2，进而指导充填料浆的配比设计。

注释：

①中华人民共和国自然资源部.中国矿产资源报告,2018[M].北京:地质出版社,2018.

②徐法奎,李凤明.我国“三下”压煤及开采中若干问题浅析[J].煤炭经济研究,2005(05):26-27.

③原野,王贺,解联库,等.深部充填开采覆岩移动规律及其对地表构筑物影响性研究[J].中国矿业,2016,25(S2):240-245.

④Sun Wei Bo,Wang Yan,Qiu Hua Fu,Ding Zi Wei.Numerical simulation study of strip filling for water-preserved coal mining.[J].Environmental science and pollution research international,2020,27(12).

⑤温兴林,李兴东,王如猛,等.深部厚煤层充填开采地表高压线塔安全分析研究[J].煤炭技术,2018,37(11):13-16.

⑥建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南[M].煤炭工业出版社,煤炭科学研究总院,2017

⑦穆驰.采动地表移动变形对长输管道影响评价研究[D].西安科技大学,2017.