羊东矿保护煤柱开采地表变形研究

张梦华

（中国煤炭地质总局 水文物测队，河北 邯郸 056000）

0 引 言

目前我国煤炭开发率相对较低，而造成这种结果的原因就包括“三下”压煤量众多[1-8]，部分矿井便致力于解放三下压煤。矿井有一部分处在建筑物下，造成开采难度增大，制约了煤炭回收率[9]。很多建筑物为村庄内建筑物，对村庄下压煤进行开采影响着居民的生活。而一些工业工厂同时处在矿井之上，开采活动对工厂设备及正常运转起到影响[10]。因此要合理利用这些煤炭资源，设法将煤炭安全合理采出，避免煤炭资源流失，从而提高煤炭回收率。由于长期开采羊东矿羊渠河井田已面临煤炭资源的枯竭，井下存在大量煤柱，对煤柱进行开采可有效增大经济效益，进而维持矿区的运行，部分煤柱留设在工业广场下，可适量对这些煤柱进行开采[11-12]。羊东矿经过多年的开采，“三下”压煤外的煤炭资源已基本采出，加之深部开采的困难性，导致可回收的井下煤炭资源逐渐减少。但羊东矿煤质优良，为了提高煤炭的采出率，保证煤炭质量，维持矿井正常运行，拟开采一坑工业广场煤柱。

本文采用概率积分模型对地表变形值进行预计分析，通过研究工业广场保护煤柱开采所导致的重要建构筑物采动损害特征，分析工业广场保护煤柱开采中重要建构筑物的影响程度以及墙体、地面变形情况，在此基础上制定相应的维护措施，从而控制开采对地表的影响，保护地表建筑物，实现煤炭合理有效开采。

1 概率积分法理论计算

1.1 概率积分法基本原理

由于煤层的开采，上方岩层的移动具有不确定性和随机性，概率积分法就是将岩层移动的过程当成随机发生的过程，并结合概率论，将地表与地下岩层的移动通过表达式的形式展现出来，该过程符合迭加原理，通过积分方法较为准确的将影响地表变形的各参数代入，从而计算地表变形的各项指标，有效的对地表变形进行预测[13-15]。

最大下沉值公式为：

式中：M 为煤层平均厚度，m；q 为下沉系数；α为煤层倾角，°；b 为水平移动系数；r 为主要影响半径，m。

1.2 概率积分法参数选取

根据概率积分法预计的基本原理及计算公式，概率积分法预计所需的几个预计参数为下沉系数q、主要影响角正切值tanβ、水平移动系数b、拐点偏移距S 和开采影响传播角θ0等，这些参数与很多因素有关，例如开采环境、地质条件、煤矿赋存情况等。其中下沉系数q 与煤层厚度、岩性、表土厚度、开采条件、地质条件等因素有关，其计算方法为地表最大下沉值与采厚之比。当煤层达到充分采动后，水平方向上地表存在最大水平移动值，竖直方向上地表存在最大下沉值，这两者之比即为水平移动系数b，此系数与众多因素有关，包括埋深、采高、煤层倾角、松散层厚度等。煤层开采有一定的边界，从开切眼到开采结束的这段范围定义为开采边界，而由于下方的开采，地表也存在着影响边界，两边界点连线与水平方向存在一定角度，以倾向断面为视角，通过拐点偏移距求得的此夹角即为开采影响传播角θ0，在走向断面上，埋深或者是走向边界的开采深度与主要影响半径之比即为主要影响角正切tanβ，由于覆岩岩性的不同，tanβ 的值也存在着差异。地表下沉曲线拐点即地表影响边界按θ0的连线与采区相交，该交点与煤层开采边界沿开采方向的长度就叫做拐点偏移距。由于煤层开采，采空区形成，顶板出现悬顶，悬臂作用导致了拐点偏移距的形成，由于拐点偏移距的形成，地表下沉曲线的形状也随之变化。

根据冀中能源峰峰集团有限公司村庄下采煤多年来观测和总结的成果，峰峰矿区羊东矿全采充分采动情况下的地表移动参数取值为：下沉系数q=0.78；主要影响正切值tanβ=2.1；拐点偏移距S=0.1 H；开采影响传播角θ0＝87°；水平移动系数b=0.3。

2 计算结果分析

根据羊东矿实际地质资料，将各参数分别代入式（1） ～式（4） 得到最大下沉值为1.7 m，最大水平位移值为0.51 mm/m，最大倾斜值为16 mm/m，曲率为0.68（10-3/m）。按照《建构筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中，对于长度或变形区段内长度小于20 m 的砖混结构建构筑物损坏等级划分标准确定羊东矿一坑厂区建（构） 筑物受损的级别标准，见表1。

表1 砖混结构建构筑物损坏等级计算标准Table 1 Standard table for damage grade calculation of brick-concrete structure buildings

根据预计结果，结合《规范》中砖混结构看变形指标，交换站外侧的楼房受到IV 级破坏，砖墙上会出现严重交叉或贯通裂缝，甚至墙体严重外鼓、歪斜，需要进行及时维修。内部交换站的地基处理较好，供热水管承受的变形值小于其允许变形值，为保安全供水管接头处需经常巡视监测，发现破坏及时处理。同时对地表进行实时监测，如发现 裂缝及时修补。

3 应用效果与经济效益

羊东矿一坑工业广场煤柱范围内已开采06202（Ⅰ块） 工作面，造成的地面沉降与水平位移都在预计范围内；开采后地面水暖交换站供热系统完好，热交换墙体无大的破坏情况；地面水暖交换站内机电设备基础无损害变形，厂房内地面沉降在预计范围内，对机电设备正常运转无影响，墙面有细微裂痕，底板有不超过15 mm 缝隙，经过修葺后不影响正常使用，达到了预期的效果。通过分析开采后地面水暖交换站及周边墙体出现破坏的原因，有针对性的对井筒进行提前维修，同时在煤柱开采过程中经常对地面水暖交换站及内部设施进行检查维修。

一坑工业广场煤柱预计开采06202 工作面，包含06202（Ⅰ块） 工作面和06202（Ⅱ块） 工作面，合计回采煤量20.3 万t，其中06202（Ⅰ块） 工作面已采出6.8 万t，目前羊东矿吨煤销售价格为530元/t，吨煤上交税金为100 元/t，吨煤直接成本为300 元/t，吨煤其他费用为22 元/t，煤柱开采对一坑工业广场地面水暖交换站的破坏修葺费用预计为2 万元，对一坑自用铁路线的维护费用为252 万元。估算可获得的经济效益为1 990.4 万元。

4 结 论

（1） 通过概率积分法对羊东矿的地表变形情况进行预计，得到地表最大下沉值为1.7m，最大水平位移值为0.51 mm/m，最大倾斜值为16 mm/m，曲率为0.68（10-3/m）。

（2） 根据预计结果，结合《规范》划分病害等级的标准，推断交换站外侧的楼房受到IV 级破坏，砖墙上会出现严重交叉或贯通裂缝，甚至墙体严重外鼓、歪斜，需要进行及时维修。

（3） 将判断结果应用于现场，发现目前地面沉降与水平位移都在预计范围内，墙体无大的破坏情况，地面水暖交换站内机电设备基础无损害变形。并对可获得的经济效益进行估算，有效地提高了煤炭回收率。