充填條件下地表建筑物抗變形能力評價

●李 濤 金珠鵬 鞏憲輝 劉 偉 劉煒楠 王海洋

一、引言

我國政府致力于推進礦產資源領域供給側結構性改革，能源消費結構得到不斷改善和優化①，但據我國能源結構實際情況，可以預計的是在未來相當一段時間內，煤炭在我國能源消費結構中仍占主體地位。煤炭工業的健康發展事關我國能源安全和經濟的可持續發展。很多礦井隨著開采年限的延長和水平的延伸，正在逐步進入殘采階段，部分礦井已進入衰退期。然而，據統計我國“三下”壓煤超過140億噸，在我國一些城鎮和村莊建筑物下、鐵路下、水體下壓著大量的煤炭資源②。地下開采會引起地表的移動變形，采煤工作面若采用全部垮落法處理采空區，煤體采出后上覆巖層在重力作用下劇烈變形移動，老頂斷裂下沉至全部采空區，造成地表劇烈變形、下沉，形成大型塌陷坑。充填開采時，在煤炭被采出后向采空區輸送充填料漿進行充填，相當于將原本煤炭所占據的空間換成了充填材料，減少覆巖移動空間，從而有效控制覆巖移動及地表變形。礦山充填開采已成為控制地表變形破壞的主要方法之一，對地表建筑物抗變形能力進行評價是充填開采首先需要解決的問題，才能指導后續礦井充填料漿的配比設計等工作。

原野③等學者提出為了解決當前日益突出的礦山充填開采問題，首先對地表保護對象進行辨識分析，并結合紗嶺金礦實際開采方案設計，最終采用FLAC3D數值模擬軟件，對深部充填開采地表變形規律進行了分析研究。結果表明，在充填開采過程中，地表變形值滿足國家對建筑物相關標準要求。并且不會導致地下含水層破壞，能夠保證充填過程的生產安全。孫偉波④等人針對陜北煤田生態環境脆弱、地質疏松的自然條件，提出用條帶充填法控制地表變形，數值模擬結果表明，在控制充填條帶寬度和充填體強度的條件下，條帶充填法能有效地保證地表安全，減少地下采煤對水資源的破壞。溫興林⑤等為了研究建筑物下深部煤層膏體充填開采后對地表高壓輸電線塔的危險性，采用理論分析、概率積分計算和現場實測相結合的方法，對730采區各工作面開采后所造成的地表移動變形進行了預計，根據預計結果提出了對高壓線塔的維修和加固措施，確保高壓輸電線和高壓線塔的安全運行。

研究礦井“建下”壓煤10149.0萬t，占總儲量的69.4%,可采儲量僅剩635.6萬t，已經嚴重制約了礦井生產和長遠發展。地表涉及到一個鎮、9個村，村莊搬遷成本較高，耗時耗力，難以實現。為了延長礦井服務年限，計劃采用高濃度膠結充填開采回采城區下深部壓煤。現準備對研究礦井12#煤層進行回采，12#煤層平均埋深746m，平均煤厚2m，平均傾角在10°，地表為唐山市古冶區，地面主要建（構）筑群有國道、鐵路、工業廣場、客運站、加油站、石榴河、零售網點、居民住宅區及一些天然氣、暖氣管道和供電系統，建筑物的抗變形能力差異較大。需要對充填開采時地表建筑物的抗變形能力進行評價，得出充填開采時地表建筑物移動變形上限值，以指導后續充填開采時充填料漿的配比設計，保護地表建筑物安全。

二、采區地質條件

1.采區概況。該礦井可采煤層5個，分別為7#、8#、9#、11#和12#煤，累計煤層厚度約為10.9m。研究礦井位于河北省唐山市境古冶區境內。交通便利，距市區約22km，井田開采范圍內設有專用的鐵路與京山鐵路接軌，主要的公路運輸路線為205國道，可通往全國各地，水路經過秦皇島港、塘沽港及京唐港通往華東和國外。

礦井井田位于開平煤田東北隅的西南部，井田內地勢較平坦。東北部及井口較高，海拔高度+50m左右，西部和西南部較低，海拔高度+30m～+40m，井田范圍內由于人工地下采礦活動的影響，原地形部分已遭破壞。井田屬山前沖積平原地貌，井田面積約為27.8km2，礦井走向長度為8.22km，傾斜長度為4.0km。礦井開采深度為49m至-1200m。充填區域井上下對照圖略。

由于研究區域潛水位較高，因此煤柱開采要控制下沉量，地表房屋保護等級較高，因此煤柱開采還要控制變形量?？刂屏说乇硐鲁亮浚艽蟪潭壬峡刂屏说乇碜冃??？紤]到11水平煤層分布與建筑物分布的關系及本區地質采礦條件特點和村莊保護要求，對研究礦井11水平東翼12#煤層1121采區進行高濃度膠結充填開采，首采區布置在采區最上部。

2.煤層賦存地質條件。礦井位于開平煤田的開平向斜東北隅的西南部，出露及揭露的地層由老到新有：奧陶系中統馬家溝組，石炭系中統唐山組、上統開平組和趙各莊組，二疊系下統大苗莊組和唐家莊組、上統古冶組和洼里組、第四系。含有八個煤層，分別為5#、6#、7#、8#、9#、11#、12#煤層，煤層的總厚度為16m，其中7#、8#、9#、11#、12#煤層為可采煤層，總厚為10.9m。各可采煤層的基本特點，包括各煤層的最大、最小厚度、平均厚度，各可采煤層的層間距，結構等情況見表1。

截至2017年底，井田內參與儲量計算的煤層共五個。礦井資源總量14626.0萬t，其中保有地質儲量14626.0萬t，7#煤層資源儲量3192.7萬t，8#煤層資源儲量1318.6萬t，9#煤層資源儲量5010.2萬t，11#煤層資源儲量2076.6萬t，12#煤層資源儲量3027.9萬t。井田東翼古冶區壓煤4755.8萬t。7#煤層為局部可采煤層，8#、9#、11#、12#煤層為穩定可采煤層，8#、9#煤層大部分地段為厚煤層，7#、8#、9#、12#煤層為中厚煤層，11#煤層為薄煤層。東翼主要可采煤層為12#煤層，研究區域7#、8#、11#煤層無采掘工程，上覆9#煤層已經基本回采完畢。12#煤層為較穩定可采煤層，煤層結構較簡單，含夾石一層，夾石厚度為0.1m～0.3m，深部灰分較低，厚度為0.4m～2.9m，平均2.0m，煤層頂板是灰黑炭質泥巖，結構緊密，細膩均一，在井田內較為穩定，具有劃痕油質光澤，斷口呈貝殼狀，是研究礦井較好的標志層之一。底板為灰黑色細砂巖，結構致密，巖性均一。

表1可采煤層厚度、層間距、穩定性、結構一覽表

礦井采用充填開采的建筑物下壓煤主要集中在12#煤層11東和12水平范圍，預計采出543.8萬t，詳見表2。

表2建筑物下壓煤預計采出量匯總表（12#煤層）

三、地面建筑物分布情況及抗變形能力評價

1.地面建筑物分布情況。研究區域地面主要建（構）筑群包括礦井工業廣場、區政府大樓、運煤專用鐵路、汽車站、中國石化加油站、石榴河、各類公司、零售網點及中高層居民住宅區等。各類建筑物平面布置方式、空間尺寸、構造結構類型多種多樣，建筑質量也相差較大，房屋的抗變形能力參差不齊。另外，研究區域內地表還存在一些管網系統，如水管、天然氣、暖氣管道等，這些主體管線的設置一般情況下采取地下鋪設。建筑物與管網系統均為唐山大地震以后新建，設計具有一定的抗變形能力。

地表主要建筑為中高層居民樓、政府辦公大樓等，框架結構。特殊地物主要有鐵路、鐵路橋、加油站、水、電、天然氣、暖氣管道，這些主體管線的設置一般采取地下鋪設，地下管線走向沿道路或與主體建筑平行布置，線路順直。

按照采動影響范圍內各類建筑物的用途和重要性，對地表典型建筑物進行保護等級劃分，將加油站、鐵路橋列為一級保護對象，將汽車站、政府大樓和居民樓列為二級保護對象。水平變形和傾斜變形是影響建筑物穩定性的主要因素，《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中，對地表移動變形影響建筑物劃分了等級⑥，其中一級保護對象水平變形小于2mm/m，傾斜變形小于3mm/m。

采動影響范圍內地表埋有各類管管道，布置方式不一，允許變形值也不盡相同，為了盡可能保護地表管網系統的安全，以天然氣管道為例，天然氣管道的地表允許和極限變形值見表3⑦。

2.地面建筑物抗變形能力評價。建筑物本身抵抗采動變形的能力和地表變形值的大小決定著受開采影響的損壞程度，根據研究礦井地表建筑物和管網系統的分布情況，對礦區東翼采動影響范圍內各建(構)物與地表管線進行了抗變形能力分析，見表4。

為保證地表建筑物以及管線的安全，充填開采對地表開采沉陷的影響必須在保護等級要求范圍之內，因此取上限水平變形值為2mm/m，傾斜變形值為3mm/m，曲率變形值為0.20mm/m2。充填開采料漿的配制過程中，要以這三個指標為上限依據進行充填料漿配比設計，以保證充填開采時充填體強度滿足要求可以控制頂板巖層和地表變形值在安全范圍內。

表3天然氣管道的地表允許和極限變形值

表4研究礦井地表建筑物、管線抗變形能力

四、結論

1.充填開采區域地表主要建（構）筑群包括區政府大樓、運煤專用鐵路、汽車站、中國石化加油站、石榴河、零售網點、中高層居民住宅區和地表天然氣管道管網等。各類建筑物平面布置方式、空間尺寸、構造結構類型多種多樣，房屋的抗變形能力參差不齊，需要進行抗變形能力評價。

2.為保證地表建筑物以及管線的安全，充填開采對地表開采沉陷的影響必須在保護等級要求范圍之內，因此取上限水平變形值為2mm/m，傾斜變形值為3mm/m，曲率變形值為0.20mm/m2，進而指導充填料漿的配比設計。

注釋：

①中華人民共和國自然資源部.中國礦產資源報告,2018[M].北京:地質出版社,2018.

②徐法奎,李鳳明.我國“三下”壓煤及開采中若干問題淺析[J].煤炭經濟研究,2005(05):26-27.

③原野,王賀,解聯庫,等.深部充填開采覆巖移動規律及其對地表構筑物影響性研究[J].中國礦業,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溫興林,李興東,王如猛,等.深部厚煤層充填開采地表高壓線塔安全分析研究[J].煤炭技術,2018,37(11):13-16.

⑥建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南[M].煤炭工業出版社,煤炭科學研究總院,2017

⑦穆馳.采動地表移動變形對長輸管道影響評價研究[D].西安科技大學,2017.