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煤矿采动损害评价系统的建立及应用 谷小敏1， 2，吴作启1， 2 1. 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013; 2. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 煤炭科学研究总院 ，北京 100013 ［ 摘 要］为了正确全面评价采动损害，更好协调地矿关系，指导矿山企业制定合理的开采接 续设计，全面研究了我国现行的矿区各类地物的采动损害评价标准和规程，开发了用于采动损害技术 经济评价的计算机辅助系统。对徐州矿区张小楼井在刘集镇村庄下采煤设计方案进行采动损害综合补 偿评价，计算得到了各设计开采方案条件下各类地物采动损害补偿金额，为矿山生产规划的优选决策 提供了客观依据。 ［ 关键词］采动损害评价; 开采沉陷; 三下采煤 ［ 中图分类号］ TD823. 83［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201704- 0075- 04 Building and Application of Mining Damage uation System in Coal Mine GU Xiao- min1， 2，WU Zuo- qi1， 2 1. Safety Institute，Coal Science and Technology Research Institute Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China; 2. Coal Resource High Efficient Mining ＆ Clean Utilization State Key Laboratory China Coal Research Institute ，Beijing 100013，China Abstract In order to comprehensive and fully uated mining damage，and the relationship between local and mine would be coor- dinated，guided for rational mining sustainable designing of mining enterprise，all kinds mining damage uation standards and pro- cedures of surface features in domestic were studied fully，and then computer aided system of mining damage techno- economic apprais- al was developed. Mining damage synthesize compensate uation of mining designing scheme was done ，which mining under Liu- jizhen village of Zhangxiaolou mine in Xuzhou coal mine area，it refers for optimization decision of mine production planning. Key words mining damage uation system; mining subsidence ; “three unders”mining ［ 收稿日期］ 2017－02－08［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 04. 019 ［ 基金项目］ 国家科技重大专项 2016ZX05045001－004 ; 国家自然科学基金 51404139 ［ 作者简介］ 谷小敏 1982－ ，女，河北石家庄人，助理研究员，硕士，主要从事采空区勘查与治理方面的工作。 ［ 引用格式］ 谷小敏，吴作启 . 煤矿采动损害评价系统的建立及应用 ［J］． 煤矿开采，2017，22 4 75－78，9. 我国是以煤炭为主要能源的国家，特别是近十 年以来，煤炭产量有较大幅度地提高，2014 年的 煤炭产量已达 4. 3Gt，从而造成了大量的开采沉陷 问题。矿区开采损害问题普遍存在，工农关系受到 影响，造成社会矛盾，同时，开采沉陷也给煤矿造 成了巨大的经济与生产压力 ［1 ］。 因此，通过对煤矿采动损害进行科学评价来指 导矿山生产企业做出合理的接续规划是煤炭生产急 需解决的重要课题。 针对我国的煤炭开采实际和采动损害规律，开 采沉陷领域的学者做了深入研究。崔希民分析了国 内外建筑物损害临界变形值确定和损坏等级划分研 究现状，归纳了目前国内外关于采动损害评价方法 的优缺点 ［2 ］; 胡炳南针对影响建筑物损坏的指标 不灵活、适用性差的缺点，基于模糊理论对权重进 行了模糊处理，实现了建筑物在采动影响下的损坏 程度模糊综合评判 ［3 ］; 郭文兵采用模糊等价关系 的模糊聚类分析方法对采动影响下建筑物损害程度 进行了分类研究，并取得了良好的应用效果 ［4 ］; 刘立民等利用可拓集进行了采动影响下建筑物损害 的物元模型评价 ［5 ］; 宫凤强和廖孟光等基于未确 知测度模型分别从采空区危险性 ［6 ］和采空区房屋 损坏进行了评价 ［7 ］，并取得了理想的实际效果; 饶正保等利用 GIS 的强大数据管理功能实现了沉陷 区建筑物损害评价的可视化 ［8 ］; 邓喀中等从采空 区建筑物地基和建筑物附加应力等机理方面开展了 采空区建筑物损害研究 ［9 ］; 吴扬科进行了采空区 对高速公路的影响研究 ［10 ］; 顾和和等研究了高潜 水位地区的开采塌陷对耕地的破坏机理研究 ［11 ］。 但对于包括建筑物在内的采空区多类地物综合采动 损害评价的论文相对较少。因此，本文在对煤矿采 动损害评价指标及评价模型分析研究的基础上，依 据现行国家煤炭生产相关规程建立了一套较完善的 采动损害技术经济评价计算机辅助系统，并利用该 系统对徐州矿区张小楼井刘集镇瓦房村村庄下采煤 进行了综合补偿评价。 57 第 22 卷 第 4 期 总第 137 期 2017 年 8 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 4 Series No. 137 August2017 ChaoXing 1煤矿采动损害评价模型 1. 1煤矿采动损害评价指标的确定 根据行业工程应用的需求，煤矿采动损害评价 内容主要包括地表建筑物、土地资源、公路及各种 管路等方面。虽然不同受损对象的损坏形式、特征 及程度各不相同，但受损原因主要由地表下沉、水 平移动、倾斜变形、曲率变形和水平变形所致 ［12 ］。 根据上述 4 类受损对象的受损原因确定其采动损害 评价指标如表 1 所示。 表 1煤矿采动损害评价指标 受损对象评价指标受损对象评价指标 建筑物 倾斜变形 曲率变形 水平变形 公路 地表下沉 倾斜变形 曲率变形 水平变形 土地 地表下沉 倾斜变形 水平变形 管路 倾斜变形 水平移动 1. 2煤矿采动损害评价模型 1. 2. 1建筑物损坏等级评价及补偿模型 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 ［13 ］的相关规定，砖混结构建 筑物采动损坏等级分 4 级，各级别损坏程度与地表 变形关系如表 2 所示。 表 2砖混结构建筑物损坏等级评价 损坏 等级 地表变形值 水平变形/ mmm －1 曲率变形/ 10 －3 m －1 倾斜变形/ mmm －1 损坏 分类 处理 方式 补偿比 率/ Ⅰ≤2. 0≤0. 2≤3. 0 极轻微 损坏 粉刷1～5 轻微 损坏 简单 维修 6～15 Ⅱ≤4. 0≤0. 4≤6. 0 轻度 损坏 小修16～30 Ⅲ≤6. 0≤0. 6≤10. 0 中度 损坏 中修31～65 Ⅳ＞6. 0＞0. 6＞10. 0 严重 损坏 大修66～85 极严重 损坏 拆建 86～100 建筑物损害补偿费计算公式为 A ∑ n i 1 B 1 － C DiEi 式中，A 为建筑物的补偿费，元;B 为计算基数， 指与当地有关部门协商确定的建筑物补偿单价， 元/m2; C 为建筑物折旧率; Di为建筑物受损自然 间的补偿比率; Ei为受损自然间的建筑面积，m2; n 为建筑物受损自然间数。 1. 2. 2土地损害等级评价及补偿模型 根据 中华人民共和国土地管理法 ［14 ］ 、土 地复垦方案编制规程 TD/T 1031. 3－2011 ［15 ］的 相关规定，土地采动损害等级与地表变形之间的关 系及补偿方式如表 3 所示。 表 3土地损害等级评价 土地类型损害等级 水平变形/ mmm －1 倾斜变形/ mmm －1 地表下沉/m 沉陷后潜水 位埋深/m 补偿方式 水田 轻度≤3. 0≤4. 0≤1. 0≥1. 0减产补偿 中度3. 0～6. 04. 0～10. 01. 0～2. 00～1. 0复垦补偿 重度＞6. 0＞10. 0＞2. 0＜0绝产补偿 水浇地 轻度≤4. 0≤6. 0≤1. 5≥1. 5减产补偿 中度4. 0～8. 06. 0～12. 01. 5～4. 00. 5～1. 5复垦补偿 重度＞8. 0＞12. 0＞4. 0＜0. 5绝产补偿 旱地 轻度≤8. 0≤20. 0≤2. 0≥1. 5减产补偿 中度8. 0～16. 020. 0～50. 02. 0～6. 00. 5～1. 5复垦补偿 重度＞16. 0＞50. 0＞6. 0＜0. 5绝产补偿 林、草地 轻度≤10. 0≤20. 0≤3. 0≥1. 0减产补偿 中度10. 0～20. 020. 0～50. 03. 0～8. 00. 3～1. 0复垦补偿 重度＞20. 0＞50. 0＞8. 0＜0. 3绝产补偿 减产补偿费计算公式为 J1 J 青 J 附 J青∑ n i 1 Si Mi － M i J附∑ n i 1 Si M i″ 式中，J1为减产补偿费，元; J青为青苗补偿费， 元; J附为附着物补偿费，元; Si为受损面积，m2; Mi为单位面积前 3a 平均年产值，元/m2; Mi 为开 采损害后单位面积年产值，元/m2; Mi″ 为附着物单 位面积补偿费，元/m2。 复垦补偿费计算公式为 J2 J 1 S 复 a 67 总第 137 期煤矿开采2017 年第 4 期 ChaoXing 式中，J2为复垦补偿费，元; S复为需要复垦的土 地面积，m2; a 为单位面积复垦费用，元/ m2。 绝产补偿费计算公式为 J3 ∑ n i 1 Si M i″ k土 k 安 J附 式中，J3为绝产补偿费，元; k为土地补偿系数; k安为安置补助费倍数; Mi″ 为单位面积绝产补偿费 用，元/ m2。 土地损害补偿总费用计算公式为 J土 J 1 J 2 J 3 1. 2. 3公路损坏评价及补偿模型 根据国家交通部颁布的现行 公路路基设计 规范 JTG D30－2015 ［16 ］行业标准，软土地区路 基允许工后沉降控制指标如表 4 所示，公路采动损 坏等级与地表变形之间的关系及处理方式如表 5 所 示。 表 4公路路基允许工后沉降 道路等级 工程位置 桥台与路堤 相邻处 涵洞、 通道处 一般路堤 高速公路、一级公路≤0. 10m≤0. 20m≤0. 30m 二级公路≤0. 20m≤0. 30m≤0. 50m 表 5公路损坏等级评价 公路 等级 损坏 等级 指标 地表下 沉/mm 倾斜变形/ mmm －1 曲率变 形/m －1 水平变形/ mmm －1 处理 方式 高速路、 一级公路 I＜300＜3＜0. 2＜2不修理 Ⅱ≥300 ≥3 ≥0. 2≥2 修理 二级公路 I＜500＜5＜0. 4＜4不修理 Ⅱ≥500 ≥5 ≥0. 4≥4 修理 公路采动损害补偿费计算公式为 J路 J L J 绿 J 交 JL∑ n i 1 Ni P i J绿∑ n i 1 Ni Pi J交∑ n i 1 Ni″ Pi 式中，J路为公路损害补偿费，元; JL为公路损害路 面、路基补偿费，元; J绿为公路绿化带补偿费， 元; J交为公路损害交通安全设施补偿费，元; N i为 损害路面、路基补偿标准，元; Ni 为损害绿化带 补偿标准，元; Ni″ 为损害交通安全设施补偿标准， 元; Pi为相应公路设施损害数量。 1. 2. 4管路损坏评价及补偿模型 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 ［13 ］的相关规定，矿区管路采 动损坏等级与地表变形之间的关系及处理方式如表 6 所示。 表 6管路损坏等级评价 损坏 等级 地面干管 水平变形/ mmm －1 倾斜变形/ mmm －1 地下管道 水平变形/ mmm －1 倾斜变形/ mmm －1 处理 方式 I＜10＜6＜4＜5不修理 Ⅱ＞10＞6＞4＞5修理 管路采动损害补偿费计算公式为 J管 J 地面 J 地下 J地面∑ n i 1 Gi L i J地下∑ n i 1 Gi Li 式中，J管为管路补偿费，元; J地面为地面管路补偿 费，元; J地下为地下管路补偿费，元; G 为地面管 路单位长度补偿费，元/m;L 为地面管路维修长 度，m; G 为地下管路单位长度补偿费，元/m; L 为地下管路维修长度，m。 2煤矿采动损害评价计算机辅助系统的建立 煤矿采动损害评价计算机辅助系统采用 Matlab 作为开发平台，建立了建筑物损坏等级评价及补 偿、土地损害等级评价及补偿、公路损坏等级评价 及补偿、管路损坏等级评价及补偿共 4 个评价模 块，各模块实现了采动损害的等级评价及经济补偿 计算。采动损害技术经济评价系统架构见图 1。 图 1煤矿采动损害评价系统架构设计 该系统具有功能完备、计算速度快、界面友好 等特点。 3实例应用 徐州矿区张小楼井计划对刘集镇瓦房村保护煤 柱进行开采，开采前使用以上采动损害技术经济评 价系统对不同开采接续方案的村庄采动损害进行损 害补偿预评价。张小楼井地层分布由老至新概述 为 寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、第四系。 含煤地层为石炭系、二叠系，共分 3 个含煤组 石 77 谷小敏等 煤矿采动损害评价系统的建立及应用2017 年第 4 期 ChaoXing 炭系上统太原组、二叠系下统山西组和下石盒子 组。现主采煤层为山西组 7 煤层和 9 煤层。其中， 7 煤层设计开采工作面 6 个，9 煤层设计开采工作 面 9 个，具体设计工作面的基本信息及概率积分法 预计参数如表 7 所示，采煤方法均为机械化综采， 长壁全陷。计算中考虑了周边已有采空区的采动影 响情况，已有采空区具体信息略。 表 7采空区块段信息及概率积分法预计参数 采空区名称开采标高/m 开采均 厚/m 煤层倾 角/ 概率积分法 预计参数 75223－1255～－12882. 510. 4 75221－1220～－12682. 510. 6 75219－1186～－12322. 511. 8 75222－1231～－12652. 58. 7 75220－1195～－12342. 59. 2 75218－1150～－12072. 512. 5 95221－1268～－13053. 510. 1 95219－1235～－12793. 59. 1 95217－1200～－12503. 510. 8 95215－1160～－12123. 510. 2 95220－1260～－12903. 58. 6 95218－1227～－12603. 59. 0 95216－1187～－12313. 511. 2 95214－1134～－11993. 517. 2 95212－1099～－11353. 510. 1 q0. 79 tanβ1. 9 b0. 31 θ90－0. 5α S0. 1H 重采系数 1. 1 地面标高 36m 对 7、9 煤层刘集镇瓦房村保护煤柱全部开采 后的地表下沉、倾斜变形、水平变形和曲率变形等 进行了计算，通过计算得出 7 煤层 6 个设计工作面 和 9 煤层 9 个设计工作面全部开采条件下地表最大 下沉值为 3342. 3mm，地表最大倾斜变形值为 6. 5mm/m，最大水平拉伸变形为4. 13mm/m，最 大水平压缩变形为－9. 10mm/m，最大曲率变形为 0. 031 /m。根据地表变形等值线与各类地物的相对 位置关系确定各类地物的损坏等级及处理方式，应 用煤矿采动损害评价系统对该采空区造成的村庄及 土地、道路、管路等损坏进行技术与经济的评价结 果如表 8 所示。 煤矿采动损害评价系统对该采空区造成的村庄 损坏进行技术与经济的评价结果中总补偿金额为 1556. 14 万元，其中建筑物损坏补偿金额为 720. 80 万元，土地损害补偿金额为 299. 51 万元，公路损 坏补偿金额为 496. 83 万元，管路损坏补偿金额为 39. 60 万元。由计算结果可知建筑物损坏补偿仍然 占所有采动损害补偿中比例最大，且建筑物损坏直 接关系到居民的生命安全和根本利益，故建筑物损 坏评价在各类地物采动损害评价中处于最重要地 位。由于该评价地区处于我国东部较发达地区，农 村基础设施发展较为完善，道路损坏补偿相对较 大，土地损坏及管路损坏补偿次之。 表 8煤矿采动损害评价结果 受损 对象 种类 损坏 等级 处理 方式 数量 补偿金 额/万元 共计 /万元 建筑物 砖混 结构 轻度 损坏 小修29937m2449. 05 中度 损坏 中修8362m2271. 75 720. 80 土地 菜地 旱地 轻度 减产 补偿 75691. 72m232. 88 轻度 减产 补偿 84000. 42m235. 19 中度 复垦 补偿 8000. 04m2148. 05 重度 绝产 补偿 6942. 4m283. 39 299. 51 道路 沥青路面Ⅱ修理15896m2238. 44 沙土路面Ⅱ修理51678m2258. 39 496. 83 管路 供水管路Ⅱ修理1900m26. 60 排水管路Ⅱ修理1300m13. 00 供热管路Ⅱ修理0m0 39. 60 4结论 1通过选择合理的采动损害评价指标和适 当的补偿标准建立了煤矿采动损害评价模型，实现 了计算机软件的开发。 2应用建立的煤矿采动损害评价系统，对 徐州矿区张小楼井在刘集镇瓦房村下采煤设计方案 进行了评价，得出了相应的损害评价结果及补偿结 果。 3工程实例的计算结果表明建筑物损坏补 偿仍占采动损害补偿的主体，道路、土地和管路损 坏补偿次之。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 张华兴 . 煤矿开采损害的评价与防护 ［J］． 煤矿开采，2015， 20 3 1－2，20. ［ 2］ 崔希民，张兵，彭超 . 建筑物采动损害评价研究现状与 进展 ［J］． 煤炭学报，2015，40 8 1718－1728. ［ 3］ 胡炳南 . 建筑物采动破坏程度的模糊综合评判 ［J］． 煤矿开 采，1993 3 23－27. ［ 4］ 郭文兵，刘义新，李小双 . 采动影响下建筑物损害程度的模 糊聚类分析 ［J］． 采矿与安全工程学报，2007，24 3 288 －292. ［ 5］ 刘立民，刘汉龙，连传杰 . 建筑物采动损坏等级评价的物元 模型及其应用 ［J］． 煤炭学报，2004，29 1 17－21. ［ 6］ 宫凤强，李夕兵，董陇军，等 . 基于未确定测度理论的采空 区危险性评价研究 ［J］． 岩石力学与工程学报，2008，27 2 323－330. ［ 7］ 廖孟光，戴华阳，段龙飞 . 基于未确定理论的采动区房屋损 坏评价 ［J］． 测绘通报，2015 4 25－29. 下转 9 页 87 总第 137 期煤矿开采2017 年第 4 期 ChaoXing