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摘要：本文根据山西省沁水县端氏煤矿3101工作面开采后地表塌陷预测，分析工业场地可能受地表塌陷影响的各建构筑物，受地表下沉、曲率、倾斜、水平变形、水平移动等方面影响的地表变形情况，结合“三下采煤规程”，给出了各建构筑物影响等级，提出是否需要维修的结论。采用地表塌陷软件来预测分析各建构筑物的影响，为将来同类型情况提供技术保障，指导建构筑物下采煤的影响预测工作。
关键词：端氏煤矿3101工作面地表塌陷破坏等级研究
Abstract：According to the prediction of mining subsidence in Shanxi province Qinshui County Duanshi coal mine 3101 working face, analysis of industrial site probably affected by the influence of surface collapse of the construction of buildings,the surface by surface subsidence deformation, curvature, inclination, horizontal deformation, horizontal movement and other aspects, combined with the "三下 coal mining regulations, gives the construction impact level and put forward the conclusion of the need to repair. Use the surface subsidence software to predict the influence of each building and provide technical surpport for the future of the same type and prediction of the guidance of coal mining under buildings.
Keywords：Duanshi coal mine3101 working facesurface subsidencedestructive levelresearch
中图分类号：X752 文献标识码：A 文章编号：
1 煤矿基本情况
1.1 端氏煤矿概况
端氏煤矿位于晋城市沁水县端氏镇端氏村东部，是沁水县第一家采用综合机械化采煤工艺的矿井，也是现代化程度最高的矿井。井田面积9.4km2，可采煤层有3#、9#、15#三层，现主采3#煤层，地质储量6833.5万吨，可采储量4187.2万吨，年生产能力120万吨。
1.2 3101工作面概况
根据矿方提供的《端氏煤矿3号煤层采掘工程平面图》，3101上分层工作面位于工业场地东部，工作面北部86m范围位于工业场地下部，位于工业场地下部采空区面积2313m2。3101上分层工作面开采时间为2009年4月～2009年9月，开采3号煤采厚2.7m，采深约290m，工作面长度为800m，宽度为140m。年推进速度为1600m/a。采用综采分层开采工艺，全部垮落法管理顶板[1]。
2 地表塌陷模式及参数选取
2.1 地表移动变形预测模式
根据端氏煤矿井田地质、煤层赋存条件、采煤方法等开采技术条件，以及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中所列预测方法，本次预测采用概率积分法进行地表变形预测。
端氏井田为近水平煤层，按半无限开采缓斜倾煤层地表下沉主断面地表移动和变形值计算公式。概率积分法预测模式如下：
1、对主剖面地表移动变形，充分采动时按下面公式计算：
下沉：
倾斜：
曲率：
水平移动：
水平变动：
2、非充分采动时按下面公式计算：
下沉：
倾斜：
曲率：
水平移动：
水平变形：
3、计算倾向主剖面公式同上，仅需以y代x ，以rl （或r2）代r即可。
4、计算充分采动时，地表移动变形最大值用下列公式计算
最大下沉值：Wcm=m·q·cosα（mm）
最大倾斜值：icm=（mm/m）
最大曲率值：Kcm=±1.52（10-3/m）
最大水平移动值：Ucm=b·Wcm（mm）
最大水平变形值：εcm=±1.52·b（mm/m）[2]
2.2 地表移动变形基本参数
1、开采规程中规定的参数
《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中地表移动基本参数见表1。
表1开采规程中地表移动变形基本参数表
2、邻近矿井岩移观测参数
晋城煤业集团寺河矿为研究地表移动规律，也为今后“三下”压煤开采和留设保护煤柱提供基础数据，在3302工作面上方建立了地表移动观测站，通过3302地表运动观测获得地表移动角、边界角、超前影响角、最大下沉速度滞后角、地表移动参数等参数。
3302综采工作面采用大采高支架一次采全高，实际采厚约为5200mm。工作面走向长2506m，采面宽度223.5m，工作面标高500～649m，观测线附近地面标高变化+948～+1120m之间，开采深度198～362m之间，平均开采深度280m。
通过求参和综合分析，确定按实际采厚5200mm拟合求参的情况下，最终计算出概率积分法预计参数为：
下沉系数q= 0.77；
水平移动系数b= 0.21；
主要影响角正切tgβ = 2.31；
开采影响传播角θ=90.0°；
拐点偏移距平均为S=0.10H。[3]
3、本矿地表移动变形基本参数选取
根据端氏煤矿地层综合柱状图，井田内煤层覆岩为中硬岩层。结合晋城煤田区域地质构造和地层情况，类比寺河煤矿岩移观测结果，确定本次3101上分层工作面开采地表移动变形基本参数为：
①下沉系数：q=0.77
②水平移动系数：b=0.21
③开采影响传播角：θ=90°—（0.5~0.6）α=87.8°，為煤层倾角，=4°
④主要影响角正切：tgβ=2.31
⑤拐点偏距：S=0.10H（m）
⑥主要影响半径：r=H/tgβ
3101上分层工作面地表移动变形基本参数见表2。
表2 煤层地表移动变形基本参数表（倾角α=4°）
3 地表移动变形预测
3.1 3101工作面开采的地表移动变形预计
端氏煤矿3101上分层工作面布置于3号煤层上部，3号煤层回采工作面走向长度为800m，倾斜长度140m，年推进速度为1600m/a，井下开采后一般引起的地表移动变形范围比开采范围大。工作面开采后走向主要影响半径r=126m，拐点偏距S=29m。当开采范围的倾斜长度Lq、走向长度Lz都＞两倍的主要影响半径（即Lq≥2(r+s) ，Lz≥2(r+s)）时，其采动影响达到充分采动条件，反之未达到充分采动条件。
3101上分层工作面开采达到充分采动条件的尺寸为Lq=Lz≥2(r+s) =2×(126+29) =155m。工作面推进方向长度为1600m/a＞2(r+s)，工作面的倾斜长度为Lq=140m <2(r+s)，所以，沿工作面方向未达到充分采动条件，故3101上分层工作面开采后为非充分采动。根据地表移动变形规律，非充分采动时下沉变形等各种变形值均达不到最大值，但符合一般地表移动变形规律。
表3 开采后的地表移动最大值计算结果
通过中国矿业大学开发的《煤矿地表沉陷预测软件》（hpMSPS0）预测，3101上分成工作面开采后产生的地表下沉等值线图见图1。
图1 地表下沉等值线图
3.2 地表最大下沉速度
最大下沉速度与开采深度、工作面推进速度、煤层顶板岩层性质等因素有关。最大下沉速度由下计算：
vcm=k.wcm.c/H0(mm/d)
式中：vcm——最大下沉速度(mm/d)；
k——下沉系数(K=1.7)；
c——工作面推进速度（m/d）；
H0——平均采深（m）。
3101上分层工作面推进速度为1600m/a，下沉最充分的点的下沉速度，vcm=12.158(mm/d)
3.2 地表移动延续时间
工作面开采后，地表移动延续时间由下式计算：
T=2.5*h(d)
式中：T——地表移动延续时间（d）；
H——开采深度（m）
平均采深为H=290m，移动延续时间为：T=725天＝2.0年。
3101工作面开采沉陷后2.0年达到稳定沉陷，3101工作面从2009年4月开采，到2009年9月停采，应在2011年10月达到稳定沉陷。因此，目前已稳定约1.8年。
4 对工业场地建构筑物的影响分析
4.1 开采规程规定的破坏等级分级
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中所列建筑物的破坏等级及处理措施见表4。[2]
表4 砖混结构建筑物损坏等级
注：建筑物的损坏等级按自然间为评判对象，根据各自然间的损坏情况按表分别进行
4.2 工业场地建构筑物受影响等级
3101上分层工作面开采后各建构筑物破坏等级见表5。
表5 建构筑物破坏等级
由表可知：工业场地受影响的建构筑物共9座，其中：材料库、主厂房、配电室，破坏等级为Ⅰ级，可不用维修；办公楼及浴室、锅炉房、机修车间、浓缩车间，破坏等级为Ⅱ级，应进行小修；消防水池破坏等级为Ⅲ级，应进行中修。
5 残余塌陷影响预测
5.1 地表塌陷移动期分段
根据《“三下采煤”规程》定义：在移动过程的延续时间内，地表下沉速度大于50mm/月（1.7mm/d）（煤层倾角小于45°），或大于30mm/月（煤层倾角大于45°）的时候称为活跃期。从地表移动期开始到活跃期开始的阶段称为初始期。从活跃期结束到移动期结束的阶段称为衰退期。
5.2 衰退期及残余变形概述
一般情况下，在塌陷活跃期内达到最大地表变形程度的75～85％，活跃期即为地表移动延续时间；在此之后的若干年间，为衰退期，衰退期的长短由煤层顶板岩性、地质环境、气候降雨等外界因素决定，一般时间在20年之内。
衰退期内产生的地表变形俗称“残余变形”。根据晋城煤业集团寺河煤矿地表岩移观测，残余变形约占总变形的18％。端氏煤矿残余变形情况预测见表6。
表6 地表残余变形预测结果表
5.3 工业场地建构筑物受残余变形影响等级
工业场地各建构筑物受残余变形破坏等级见表7和图2。
表2建构筑物受残余变形破坏等级
由表可知：工業场地受影响的建构筑物共9座，材料库、主厂房、配电室、办公楼及浴室、锅炉房、机修车间、浓缩车间、消防水池，破坏等级为Ⅰ级，可不修。
参考文献：
[1] 《山西省沁水县永安煤矿接替井补充勘探地质报告》，晋城市煤田地质勘探队，2006年12月；
[2] 《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，煤炭工业出版社，2000年6月；
[3]《寺河矿地表移动参数测定与研究》，晋城无烟煤集团寺河煤矿，2007年10月。
关键词：端氏煤矿3101工作面地表塌陷破坏等级研究
Abstract：According to the prediction of mining subsidence in Shanxi province Qinshui County Duanshi coal mine 3101 working face, analysis of industrial site probably affected by the influence of surface collapse of the construction of buildings,the surface by surface subsidence deformation, curvature, inclination, horizontal deformation, horizontal movement and other aspects, combined with the "三下 coal mining regulations, gives the construction impact level and put forward the conclusion of the need to repair. Use the surface subsidence software to predict the influence of each building and provide technical surpport for the future of the same type and prediction of the guidance of coal mining under buildings.
Keywords：Duanshi coal mine3101 working facesurface subsidencedestructive levelresearch
中图分类号：X752 文献标识码：A 文章编号：
1 煤矿基本情况
1.1 端氏煤矿概况
端氏煤矿位于晋城市沁水县端氏镇端氏村东部，是沁水县第一家采用综合机械化采煤工艺的矿井，也是现代化程度最高的矿井。井田面积9.4km2，可采煤层有3#、9#、15#三层，现主采3#煤层，地质储量6833.5万吨，可采储量4187.2万吨，年生产能力120万吨。
1.2 3101工作面概况
根据矿方提供的《端氏煤矿3号煤层采掘工程平面图》，3101上分层工作面位于工业场地东部，工作面北部86m范围位于工业场地下部，位于工业场地下部采空区面积2313m2。3101上分层工作面开采时间为2009年4月～2009年9月，开采3号煤采厚2.7m，采深约290m，工作面长度为800m，宽度为140m。年推进速度为1600m/a。采用综采分层开采工艺，全部垮落法管理顶板[1]。
2 地表塌陷模式及参数选取
2.1 地表移动变形预测模式
根据端氏煤矿井田地质、煤层赋存条件、采煤方法等开采技术条件，以及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中所列预测方法，本次预测采用概率积分法进行地表变形预测。
端氏井田为近水平煤层，按半无限开采缓斜倾煤层地表下沉主断面地表移动和变形值计算公式。概率积分法预测模式如下：
1、对主剖面地表移动变形，充分采动时按下面公式计算：
下沉：
倾斜：
曲率：
水平移动：
水平变动：
2、非充分采动时按下面公式计算：
下沉：
倾斜：
曲率：
水平移动：
水平变形：
3、计算倾向主剖面公式同上，仅需以y代x ，以rl （或r2）代r即可。
4、计算充分采动时，地表移动变形最大值用下列公式计算
最大下沉值：Wcm=m·q·cosα（mm）
最大倾斜值：icm=（mm/m）
最大曲率值：Kcm=±1.52（10-3/m）
最大水平移动值：Ucm=b·Wcm（mm）
最大水平变形值：εcm=±1.52·b（mm/m）[2]
2.2 地表移动变形基本参数
1、开采规程中规定的参数
《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中地表移动基本参数见表1。
表1开采规程中地表移动变形基本参数表
2、邻近矿井岩移观测参数
晋城煤业集团寺河矿为研究地表移动规律，也为今后“三下”压煤开采和留设保护煤柱提供基础数据，在3302工作面上方建立了地表移动观测站，通过3302地表运动观测获得地表移动角、边界角、超前影响角、最大下沉速度滞后角、地表移动参数等参数。
3302综采工作面采用大采高支架一次采全高，实际采厚约为5200mm。工作面走向长2506m，采面宽度223.5m，工作面标高500～649m，观测线附近地面标高变化+948～+1120m之间，开采深度198～362m之间，平均开采深度280m。
通过求参和综合分析，确定按实际采厚5200mm拟合求参的情况下，最终计算出概率积分法预计参数为：
下沉系数q= 0.77；
水平移动系数b= 0.21；
主要影响角正切tgβ = 2.31；
开采影响传播角θ=90.0°；
拐点偏移距平均为S=0.10H。[3]
3、本矿地表移动变形基本参数选取
根据端氏煤矿地层综合柱状图，井田内煤层覆岩为中硬岩层。结合晋城煤田区域地质构造和地层情况，类比寺河煤矿岩移观测结果，确定本次3101上分层工作面开采地表移动变形基本参数为：
①下沉系数：q=0.77
②水平移动系数：b=0.21
③开采影响传播角：θ=90°—（0.5~0.6）α=87.8°，為煤层倾角，=4°
④主要影响角正切：tgβ=2.31
⑤拐点偏距：S=0.10H（m）
⑥主要影响半径：r=H/tgβ
3101上分层工作面地表移动变形基本参数见表2。
表2 煤层地表移动变形基本参数表（倾角α=4°）
3 地表移动变形预测
3.1 3101工作面开采的地表移动变形预计
端氏煤矿3101上分层工作面布置于3号煤层上部，3号煤层回采工作面走向长度为800m，倾斜长度140m，年推进速度为1600m/a，井下开采后一般引起的地表移动变形范围比开采范围大。工作面开采后走向主要影响半径r=126m，拐点偏距S=29m。当开采范围的倾斜长度Lq、走向长度Lz都＞两倍的主要影响半径（即Lq≥2(r+s) ，Lz≥2(r+s)）时，其采动影响达到充分采动条件，反之未达到充分采动条件。
3101上分层工作面开采达到充分采动条件的尺寸为Lq=Lz≥2(r+s) =2×(126+29) =155m。工作面推进方向长度为1600m/a＞2(r+s)，工作面的倾斜长度为Lq=140m <2(r+s)，所以，沿工作面方向未达到充分采动条件，故3101上分层工作面开采后为非充分采动。根据地表移动变形规律，非充分采动时下沉变形等各种变形值均达不到最大值，但符合一般地表移动变形规律。
表3 开采后的地表移动最大值计算结果
通过中国矿业大学开发的《煤矿地表沉陷预测软件》（hpMSPS0）预测，3101上分成工作面开采后产生的地表下沉等值线图见图1。
图1 地表下沉等值线图
3.2 地表最大下沉速度
最大下沉速度与开采深度、工作面推进速度、煤层顶板岩层性质等因素有关。最大下沉速度由下计算：
vcm=k.wcm.c/H0(mm/d)
式中：vcm——最大下沉速度(mm/d)；
k——下沉系数(K=1.7)；
c——工作面推进速度（m/d）；
H0——平均采深（m）。
3101上分层工作面推进速度为1600m/a，下沉最充分的点的下沉速度，vcm=12.158(mm/d)
3.2 地表移动延续时间
工作面开采后，地表移动延续时间由下式计算：
T=2.5*h(d)
式中：T——地表移动延续时间（d）；
H——开采深度（m）
平均采深为H=290m，移动延续时间为：T=725天＝2.0年。
3101工作面开采沉陷后2.0年达到稳定沉陷，3101工作面从2009年4月开采，到2009年9月停采，应在2011年10月达到稳定沉陷。因此，目前已稳定约1.8年。
4 对工业场地建构筑物的影响分析
4.1 开采规程规定的破坏等级分级
根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中所列建筑物的破坏等级及处理措施见表4。[2]
表4 砖混结构建筑物损坏等级
注：建筑物的损坏等级按自然间为评判对象，根据各自然间的损坏情况按表分别进行
4.2 工业场地建构筑物受影响等级
3101上分层工作面开采后各建构筑物破坏等级见表5。
表5 建构筑物破坏等级
由表可知：工业场地受影响的建构筑物共9座，其中：材料库、主厂房、配电室，破坏等级为Ⅰ级，可不用维修；办公楼及浴室、锅炉房、机修车间、浓缩车间，破坏等级为Ⅱ级，应进行小修；消防水池破坏等级为Ⅲ级，应进行中修。
5 残余塌陷影响预测
5.1 地表塌陷移动期分段
根据《“三下采煤”规程》定义：在移动过程的延续时间内，地表下沉速度大于50mm/月（1.7mm/d）（煤层倾角小于45°），或大于30mm/月（煤层倾角大于45°）的时候称为活跃期。从地表移动期开始到活跃期开始的阶段称为初始期。从活跃期结束到移动期结束的阶段称为衰退期。
5.2 衰退期及残余变形概述
一般情况下，在塌陷活跃期内达到最大地表变形程度的75～85％，活跃期即为地表移动延续时间；在此之后的若干年间，为衰退期，衰退期的长短由煤层顶板岩性、地质环境、气候降雨等外界因素决定，一般时间在20年之内。
衰退期内产生的地表变形俗称“残余变形”。根据晋城煤业集团寺河煤矿地表岩移观测，残余变形约占总变形的18％。端氏煤矿残余变形情况预测见表6。
表6 地表残余变形预测结果表
5.3 工业场地建构筑物受残余变形影响等级
工业场地各建构筑物受残余变形破坏等级见表7和图2。
表2建构筑物受残余变形破坏等级
由表可知：工業场地受影响的建构筑物共9座，材料库、主厂房、配电室、办公楼及浴室、锅炉房、机修车间、浓缩车间、消防水池，破坏等级为Ⅰ级，可不修。
参考文献：
[1] 《山西省沁水县永安煤矿接替井补充勘探地质报告》，晋城市煤田地质勘探队，2006年12月；
[2] 《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，煤炭工业出版社，2000年6月；
[3]《寺河矿地表移动参数测定与研究》，晋城无烟煤集团寺河煤矿，2007年10月。