马晋虎

(晋煤集团沁秀煤业有限公司岳城煤矿，山西 晋城 048205)

岳城煤矿拟开采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面，其北部存在部分建筑物，为了分析工作面开采后是否对这些建筑物造成损坏，对该工作面开采进行地表移动变形预计，并对地表建筑物的影响范围及影响程度进行计算分析评价。

1 待采工作面概况及其与附近民房的位置关系

1.1 待采工作面概况

岳城煤矿Ⅲ2301、Ⅲ2302工作面开采标高为+320～+400 m，地表标高为+608～689 m，对应开采深度为208～369 m，煤层倾角平均为4°，煤层厚度平均为6.02 m，采用分层开采方法，上分层开采高为3 m，下分层采高为3.02 m，顶板管理方法为全部垮落法。工作面西低东高，煤层底板落差达80 m，工作面沿煤层走向布置，沿煤层倾向回采。其中Ⅲ2301(上)工作面倾斜长度为180 m、走向长度为1176 m，Ⅲ2302(上)工作面倾斜长度为180 m、走向长度为1035 m，Ⅲ2301(上)工作面与Ⅲ2302(上)工作面之间煤柱为30 m；Ⅲ2301(下)工作面倾斜长度为185 m、走向长度为1149 m，Ⅲ2302(下)工作面倾斜长度为173 m、走向长度为1 121 m，Ⅲ2301(下)工作面与Ⅲ2302(下)工作面之间煤柱为25 m，其具体相对位置图见图1。

1.2 待采工作面地质条件

岳城煤矿Ⅲ2301、Ⅲ2302工作面开采区域地表大部被第四系黄土覆盖，根据钻孔资料得知奥陶系灰岩为含煤岩系沉积基底，开采区域自上而下有第四系、二叠系、石炭系和奥陶系岩层。待采工作面区域地质构造以褶曲为主，但均较宽缓，大多呈北北东向，褶曲核部易发育断层、节理。断层规模与落差小，零星分布有陷落柱。待采工作面开采区域主采3#煤层，3#煤位于二叠系下统山西组下部，上距K8砂岩27.76～46.75 m，平均34.91 m；下距K7砂岩0～3.14 m，平均1.06 m。待采工作面区域3#煤层直接顶板岩性变化较大，主要以粉砂岩和砂质泥岩为主，次为细至中粒砂岩，个别地段可见炭质泥岩伪顶；煤层底板主要为泥岩、细粒砂岩，局部为粉砂岩和泥岩。

1.3 待采工作面地表建筑物情况

岳城煤矿Ⅲ2301、Ⅲ2302工作面北侧有郑村镇移民新村住宅楼房，建筑物为6层楼房，待采Ⅲ2302工作面距住宅楼最近距离约为120 m，如图2工作面上方卫星拍照所示。

2 待采工作面开采引起的地表移动变形预计

2.1 预计方法

概率积分法是以正态分布函数为影响函数用积分式表示岩层与地表下沉盆地的方法，具有使用方便，适应性强，预计精度高等特点，可适用于任意形状工作面、地表任意点的移动和变形预计[1-2]。同时，概率积分法具有一定的理论基础，预计参数通过实测资料求得，且对一个矿区参数相对稳定，参数变化遵循一定的规律[3]。因此在我国得到了广泛应用，成为目前煤矿开采引起的地表移动变形的主要预计方法。

岳城煤矿曾在Ⅲ1308(上)工作面上方地表设置地表移动观测站，通过分析观测站的实测资料和结果，该区域地表沉陷规律符合概率积分法。

2.2 预计参数的确定

根据概率积分法预计的基本原理，预计所需的几个预计参数为：下沉系数q、主要影响角正切tanβ、水平移动系数b、拐点偏移距s和开采影响传播角θ等[4]。

2.2.1 地表移动观测站实测资料

根据Ⅲ1308(上)工作面地表岩移观测站的实测资料，采用曲线拟合法，得到了概率积分法主要参数，如表1所示。

表1 地表移动预计参数

2.2.2 根据工作面上覆岩层结构确定预计参数

(1)上覆岩层岩性的确定方法

根据待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面附近区域的钻孔资料，按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》，结合本区域上覆岩层岩性的综合评价系数P、地质条件、开采技术条件等确定待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面上覆岩层岩性特征。

其中，系数P取决于覆岩岩性及其厚度，可用式(1)表示：

(1)

式中,mi为覆岩i分层的法线厚度，m；Qi为覆岩i分层岩性评价系数。

(2)待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面上覆岩层岩性综合评价系数的确定

待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面附近比较有代表性的钻孔有9-6和9-7号钻孔，根据钻孔柱状图的岩层进行计算P值，得到覆岩综合评价系数分别为0.72和0.60，平均值取0.66。

(3)根据上覆岩岩层综合评价系数P求参数

根据算得的覆岩综合评价系数P值，并参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》中岩性综合评价系数P与岩性影响系数D的对应关系表，岳城煤矿上覆岩层岩性影响系数D为1.94[5]。由此可知岳城煤矿上覆岩层岩性综合评定为中硬偏软弱岩层。

软弱偏中硬岩层的概率积分法参数参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》附录3，并按经验公式分析求得，地表移动参数取值如下：

①下沉系数q

q=0.5(0.9+P)=0.78

(2)

②主要影响角正切tanβ

tanβ=(D+0.003 2H)(1-0.003 8α)=2.76

(3)

式中，D为岩性影响系数，其数值与综合评价系数P有关。

③开采影响传播角θ0

开采影响传播角θ0与煤层倾角α的关系为：

θ0=90-0.6α=88°[6]

(4)

④水平移动系数b

开采水平煤层的水平移动系数b变化较小，一般b=0.3，开采倾斜煤层的水平移动系数bc为：

bc=b(1+0.008 6·α)

(5)

式中,α为煤层倾角(°)

⑤拐点偏距S

坚硬、中硬和软弱覆岩的拐点偏移距依据预计开采覆岩的性质确定。对于岳城煤矿待采工作面来说，其岩性为中硬偏软弱岩性，拐点偏移距为0.05H。

根据以上公式，根据岳城煤矿的地质采矿条件，经过综合计算分析，可确定概率积分法预计参数。

2.2.3 预计参数的确定

根据以上分析，待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面均采用分层开采，开采上分层时为初次开采，开采下分层时为重复开采。因此，确定工作面预计参数时应考虑重复采动的影响。

经过综合分析比较，为确定待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面上分层初次开采概率积分法地表移动预计参数，如表2所示。

表2 待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面上分层初次开采地表移动预计参数

为确定待采Ⅲ2301和Ⅲ2302下分层重复开采概率积分法地表移动预计参数，根据我国部分矿区的统计，重复采动时，地表移动参数的变化如下：

(1)下沉系数

(6)

式中，q初、q复1、q复2分别为初采、第一次复采、第二次复采的下沉系数；a为下沉“活化”系数。

经过计算，待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面下分层重复开采下沉系数为0.75×(1+0.2)=0.9。

(2)水平移动系数

重复采动条件下，水平移动系数与初次采动相同，即：

b复=b初

(7)

经过计算，待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面下分层重复开采水平移动系数为0.26。

(3)主要影响范围角正切

重复采动tanβ较初次采动增加0.3～0.8。

经过综合考虑计算，待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面下分层重复开采主要影响角正切为2.2+0.3=2.5。

(4)拐点偏移距

重复采动时拐点偏移距与上、下工作面的相对位置有关。

因此根据上述计算分析，得到待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面下分层开采时重复采动地表移动预计参数，见表3。

表3 待采Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面下分层开采时重复采动地表移动预计参数

2.3 地表移动变形预计结果及分析

根据上述所确定的预计方案，对工作面开采后地表任意点的移动和变形值进行了计算，经过计算并将预计结果采用Surfer可视化，分别给出地表下沉等值线图如图3所示,地表水平变形等值线图如图4、图5所示。

图3 待采工作面开采后地表下沉等值线图

图4 待采工作面开采后沿走向地表水平变形等值线图

图5 待采工作面开采后沿倾向地表水平变形等值线图

根据上述预计的下沉等值线图中10 mm边界线可知，Ⅲ2301和Ⅲ2302工作面开采后采动影响范围约为151 m，已经波及至附近民房。

根据上述预计结果，工作面开采后，引起建筑物最大下沉值约98 mm；最大倾斜值约3 mm/m；最大水平变形值约4 mm/m。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》的有关规定，对照砖石结构建筑物的损害等级标准结果，采动影响其北部建筑物的损害等级为Ⅰ～Ⅱ级[6]。

3 结论及建议

3.1 结 论

(1)在现场调查和收集岳城煤矿待采工作面地质采矿技术资料和岩层与地表移动观测站实测资料的基础上，分析总结了岳城煤矿待采工作面开采岩层与地表移动规律及概率积分法参数，为准确进行地表移动和变形预计以及附近民房的影响评价奠定了基础。

(2)结合岳城煤矿待采工作面具体的地质采矿条件，采用概率积分法对待采工作面开采后地表移动和变形进行了预计，给出了待采工作面开采后引起的地表移动和变形最大值，并给出引起建筑物最大下沉约98 mm；最大倾斜值约3 mm/m；最大水平变形值约4 mm/m。

(3)根据预计结果得到工作面开采后采动影响范围约为151 m，进入其北部附近建筑物范围内约30 m，建筑物最大损害等级为Ⅱ级。

3.2 建 议

(1)对预计影响区域的建筑物，要分析其地基、基础、结构等，综合确定建筑物的抗变形能力，并根据变形预计结果和抗变形能力，合理对回采工作面设计进行优化。

(2)在待采工作面回采期间根据建筑物变形相关规范，在建筑物四角、长边中点和连接处在建筑物设置观测点，并在对应的地面上埋设地表移动监测点。通过建筑物移动观测数据和地表移动观测数据，研究区域内地表移动量和建筑物移动量之间的转换关系，并根据地表及建筑物变形情况对建筑物进行加固措施。

(3)在待采工作面回采期间，采用新型覆岩离层加固注浆技术，对关键层及亚关键层进行注浆加固，降低回采造成的地表移动变形量，从而确保地表建筑物的安全。