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摘 要 根据密集建筑物下特殊开采对地表建筑物的影响特征，结合地层赋存情况及观测数据，分析地表实际移动变形值小于预计值的起因，掌握地表移动变形规律，指导采掘工程合理布置。
关键词 特殊开采；地面观测；地表移动变形规律
中图分类号 TD823 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）121-0189-01
建筑物下特殊开采是目前煤矿合理开发煤炭资源较普遍的采煤方法，掌握地表实际移动变形参数，观测地面建筑物的破坏状态，以合理地调整矿井采掘布署，提高煤炭资源的回收率。
1 矿井概况
山东红旗矿业有限公司红旗煤矿，位于新泰市泉沟镇泉沟村，核定生产能力15万吨/年，属新汶煤田泉沟二井田，煤系地层基本上向东方向倾斜，倾角平均13°左右。由于距莲花山大断层较近，地层走向在北部变为北北西向。
根据《矿井地质规程》的分类标准，红旗煤矿的断层复杂程度为Ⅳa类，即大中型断层相当发育，断层相互切割比较严重，规律性不强。
根据矿井煤层赋存情况，自2004年以来，采用双翼开采方式开采七采区11、13层煤，11层煤均厚2.0 m，直接顶为泥质岩，节理发育，层理明显，直接底为中细砂岩互层。13层煤均厚1.80 m，顶板为石灰岩，裂隙较发育，直接底为泥质岩。采区地面地势平坦，采区地面东翼有高崖头村，南翼有刘上汪村，开采时均会受到采动影响。
2 特殊开采方案的实施
2.1 村下采煤问题的提出
根据红旗煤矿压煤采区的地质条件和开采条件，11、13层煤开采后其最大移动变形参数为：Wfm=2340 mm；ifm=13.64 mm/m；Kfm=0.19×10-3/m；Ufm=672 mm；Efm=9.2 mm/m。对于砖石结构建筑物的破坏，均可达到Ⅲ－Ⅳ级，需进行大修或重建，对于小企业来说无法承担巨大的经济费用。
为减少资源浪费，红旗煤矿与山东省煤炭科学研究所共同对建筑物下采煤方法进行设计，确定采用倾向条带全部垮落法。
2.2 开采方案的确定
根据我矿的实际情况，提出诸多开采方案设计，最后确定采用倾向条带法进行开采。
2.2.1 采宽和留宽的确定
在确定条带尺寸时，必须遵守两个基本原则：一是开采后的条带煤柱应有足够的强度和稳定性，以承受煤层上覆岩层的压力，从而达到减小地表移动变形的目的；二是条带开采的每一个采出宽度，其尺寸应限制在不使地表出现不均匀的波浪形的下沉盆地。
①采宽b的确定：
根据红旗煤矿地质采矿资料分析确定：
②留宽的确定：
根据红旗煤矿所采煤层直接顶破碎易冒的特点，采后采空区能被冒落矸石基本充填。煤柱按三向受力状态计算：
为使煤柱更稳定，取30米。
2.2.2 煤柱稳定性验算
①煤柱实际承受的载荷值计算：
②煤柱能够承受的载荷值：
③煤柱安全系数：
④采出率验算：
从以上计算和分析，并结合我矿实际情况，确定采用留宽30米，采宽30 m的方法。
2.3 开采后地表移动变形值预计
为了准确预计地表建筑物产生的移动和变形，经叠加计算，选出地表下沉盆地走向主断面上的移动和变形值进行分析。
倾向条带开采后，地表下沉盆地走向主断面上的移动和变形预计值分别为：W＝218 mm；I＝1.59 mm/m；K＝0.032×10-3/m；U＝78 mm；E＝1.536 mm/m。
可以看出，条带开采后预计最终最大移动变形值，对于砖石结构建筑物的破坏，有三分之二控制在一级破坏范围内，三分之一控制在二级破坏范围内，只需小修或不修，可以达到控制地表移动变形的目的。
2.4 地面观测点的布置设计
为验证条带采煤法开采后所引起的地表移动变形的预计值，为今后开采提供科学依据，及时掌握地面建筑物的破坏程度，我们对采区地表进行观测点的布置设计。
根据地面的投影位置，考虑采深和主要影响半径，在采区上部地面沿走向每隔50 m布置一个观测点，每隔100 m布置一条观测线，共布置六条线243个点，控制范围870000 m2，其中一条观测线布置在采区预计下沉盆地走向主断面上。在倾向上，各点对应，形成网络，以便对地表移动变形进行有效的观测控制。
3 地表移动变形值减小原因分析
3.1 地表移动变形的控制效果
我矿七采区自2002年起，对开采的11、13层煤依据特殊开采设计采用倾向条带采煤法，至2009年开采已结束。开采过程按照特采设计施工，并对地面建筑物进行多次观测，根据特采设计提供的地表移动变形规律，我们对地表移动变形进行观测，结果基本符合地表移动变形三个阶段的规律。2011年，在地表移动变形活动基本趋于稳定后，我们对此区域进行最终观测，实际移动变形值为：W＝189 mm；I＝0.66 mm/m；K＝0.025×10-3/m；U＝63 mm；E＝0.325 mm/m。
3.2 地表移动变形值减小起因分析
根据地表移动变形规律，井下开采结束两年后，地表移动变形趋于稳定。从实际观测值看，地表移动变形参数均小于地表移动变形的预计值，地面建筑物的破坏程度也都小于预计等级。对此进行计算和分析，得出以下结论：
1）施工中严格按照特采设计要求留足煤柱，层与层之间的煤柱在法线方向上严格对齐，使地面上出现的下沉盆地分布均匀。回采工作面布置时，使地面建筑物避开下沉盆地的拐点处，减小变形对建筑物的破坏，保证所留设煤柱的支撑强度。
2）地层赋存结构的特殊性是减小地表移动变形的主要因素之一，我矿开采的煤层埋藏较深，其上部有200-300米厚的第三系红色粘土岩覆盖，阻碍地表移动变形。煤层直接顶以砂岩为主，冒落后块度较大，使岩石的碎胀系数增大，基本能充实采空区，减轻地层下沉，减小地表移动变形。
3）地面建筑物的分布不均匀。开采区域内的地表部分为农田，减少了建筑物的压煤面积，使受到影响的建筑物数量减少。
3.4 结果应用
根据多年的开采经验和分析，地表移动变形基本控制在预计范围内，仅有16%的建筑物达到二级破坏，降低预计的赔偿费用，并取得可观经济效益，为矿井安全可持续发展奠定良好的
基础。
关键词 特殊开采；地面观测；地表移动变形规律
中图分类号 TD823 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）121-0189-01
建筑物下特殊开采是目前煤矿合理开发煤炭资源较普遍的采煤方法，掌握地表实际移动变形参数，观测地面建筑物的破坏状态，以合理地调整矿井采掘布署，提高煤炭资源的回收率。
1 矿井概况
山东红旗矿业有限公司红旗煤矿，位于新泰市泉沟镇泉沟村，核定生产能力15万吨/年，属新汶煤田泉沟二井田，煤系地层基本上向东方向倾斜，倾角平均13°左右。由于距莲花山大断层较近，地层走向在北部变为北北西向。
根据《矿井地质规程》的分类标准，红旗煤矿的断层复杂程度为Ⅳa类，即大中型断层相当发育，断层相互切割比较严重，规律性不强。
根据矿井煤层赋存情况，自2004年以来，采用双翼开采方式开采七采区11、13层煤，11层煤均厚2.0 m，直接顶为泥质岩，节理发育，层理明显，直接底为中细砂岩互层。13层煤均厚1.80 m，顶板为石灰岩，裂隙较发育，直接底为泥质岩。采区地面地势平坦，采区地面东翼有高崖头村，南翼有刘上汪村，开采时均会受到采动影响。
2 特殊开采方案的实施
2.1 村下采煤问题的提出
根据红旗煤矿压煤采区的地质条件和开采条件，11、13层煤开采后其最大移动变形参数为：Wfm=2340 mm；ifm=13.64 mm/m；Kfm=0.19×10-3/m；Ufm=672 mm；Efm=9.2 mm/m。对于砖石结构建筑物的破坏，均可达到Ⅲ－Ⅳ级，需进行大修或重建，对于小企业来说无法承担巨大的经济费用。
为减少资源浪费，红旗煤矿与山东省煤炭科学研究所共同对建筑物下采煤方法进行设计，确定采用倾向条带全部垮落法。
2.2 开采方案的确定
根据我矿的实际情况，提出诸多开采方案设计，最后确定采用倾向条带法进行开采。
2.2.1 采宽和留宽的确定
在确定条带尺寸时，必须遵守两个基本原则：一是开采后的条带煤柱应有足够的强度和稳定性，以承受煤层上覆岩层的压力，从而达到减小地表移动变形的目的；二是条带开采的每一个采出宽度，其尺寸应限制在不使地表出现不均匀的波浪形的下沉盆地。
①采宽b的确定：
根据红旗煤矿地质采矿资料分析确定：
②留宽的确定：
根据红旗煤矿所采煤层直接顶破碎易冒的特点，采后采空区能被冒落矸石基本充填。煤柱按三向受力状态计算：
为使煤柱更稳定，取30米。
2.2.2 煤柱稳定性验算
①煤柱实际承受的载荷值计算：
②煤柱能够承受的载荷值：
③煤柱安全系数：
④采出率验算：
从以上计算和分析，并结合我矿实际情况，确定采用留宽30米，采宽30 m的方法。
2.3 开采后地表移动变形值预计
为了准确预计地表建筑物产生的移动和变形，经叠加计算，选出地表下沉盆地走向主断面上的移动和变形值进行分析。
倾向条带开采后，地表下沉盆地走向主断面上的移动和变形预计值分别为：W＝218 mm；I＝1.59 mm/m；K＝0.032×10-3/m；U＝78 mm；E＝1.536 mm/m。
可以看出，条带开采后预计最终最大移动变形值，对于砖石结构建筑物的破坏，有三分之二控制在一级破坏范围内，三分之一控制在二级破坏范围内，只需小修或不修，可以达到控制地表移动变形的目的。
2.4 地面观测点的布置设计
为验证条带采煤法开采后所引起的地表移动变形的预计值，为今后开采提供科学依据，及时掌握地面建筑物的破坏程度，我们对采区地表进行观测点的布置设计。
根据地面的投影位置，考虑采深和主要影响半径，在采区上部地面沿走向每隔50 m布置一个观测点，每隔100 m布置一条观测线，共布置六条线243个点，控制范围870000 m2，其中一条观测线布置在采区预计下沉盆地走向主断面上。在倾向上，各点对应，形成网络，以便对地表移动变形进行有效的观测控制。
3 地表移动变形值减小原因分析
3.1 地表移动变形的控制效果
我矿七采区自2002年起，对开采的11、13层煤依据特殊开采设计采用倾向条带采煤法，至2009年开采已结束。开采过程按照特采设计施工，并对地面建筑物进行多次观测，根据特采设计提供的地表移动变形规律，我们对地表移动变形进行观测，结果基本符合地表移动变形三个阶段的规律。2011年，在地表移动变形活动基本趋于稳定后，我们对此区域进行最终观测，实际移动变形值为：W＝189 mm；I＝0.66 mm/m；K＝0.025×10-3/m；U＝63 mm；E＝0.325 mm/m。
3.2 地表移动变形值减小起因分析
根据地表移动变形规律，井下开采结束两年后，地表移动变形趋于稳定。从实际观测值看，地表移动变形参数均小于地表移动变形的预计值，地面建筑物的破坏程度也都小于预计等级。对此进行计算和分析，得出以下结论：
1）施工中严格按照特采设计要求留足煤柱，层与层之间的煤柱在法线方向上严格对齐，使地面上出现的下沉盆地分布均匀。回采工作面布置时，使地面建筑物避开下沉盆地的拐点处，减小变形对建筑物的破坏，保证所留设煤柱的支撑强度。
2）地层赋存结构的特殊性是减小地表移动变形的主要因素之一，我矿开采的煤层埋藏较深，其上部有200-300米厚的第三系红色粘土岩覆盖，阻碍地表移动变形。煤层直接顶以砂岩为主，冒落后块度较大，使岩石的碎胀系数增大，基本能充实采空区，减轻地层下沉，减小地表移动变形。
3）地面建筑物的分布不均匀。开采区域内的地表部分为农田，减少了建筑物的压煤面积，使受到影响的建筑物数量减少。
3.4 结果应用
根据多年的开采经验和分析，地表移动变形基本控制在预计范围内，仅有16%的建筑物达到二级破坏，降低预计的赔偿费用，并取得可观经济效益，为矿井安全可持续发展奠定良好的
基础。