村庄下双对拉工作面开采的.doc

村庄下双对拉工作面开采的 地表和房屋变形* 吴 侃 周 鸣 葛家新 于丰德 摘要 通过北宿煤矿村庄下双对拉工作面开采的地表移动观测，探讨了地表移动变形与房屋变形及其裂缝发育宽度之间的关系，获得了预测房屋裂缝宽度的典型曲线.该曲线可以对房屋裂缝的发育规律作出较为精确的定量预测，对房屋将出现的最大破坏程度有充分的估计.最后，给出了动态下沉系数和水平移动系数的修正公式. 关键词 双对拉工作面，典型曲线，变形，裂缝 中图分类号 TD 325.2 Ground and Building Deation for Mining Under Village Using Two Double-Unit Faces Wu Kan Zhou Ming Department of Mining Engineering, CUMT, Xuzhou 221008 Ge Jiaxin Yu Fengde Beisu Coal Mine, Zhoucheng 273516 Abstract Based on in-situ measurement of ground movement for mining under village in Beisu Coal Mine using two double-unit faces, the relationship between the deation and fissure width of buildings and the movement of ground is investigated. And a typical curve of predicting the fissure width of buildings is gained. The quantitative prediction of the fissure width induced by coal mining can be made more accurately. Finally, corrective ulas for dynamic subsidence factor and horizontal movement coefficient are given. Key words two double-unit faces， typical curve， deation， fissure 村庄位于北宿煤矿六采区中部上方.该采区拟开采16上和17两层煤，累计采厚约2m，村庄下压煤278.1万t.本区煤层为走向近东西、向北西倾斜的单斜构造，煤层倾角平均为5，埋藏深度为260～350m，第四系冲积层平均厚55m. 村庄有住户495户，建筑面积约5万m2，占地21hm2.房屋为一层砖木结构毛石基础，砖墙和机瓦屋面，门和窗采用平砌砖碹和钢筋砖过梁.一般3间或4间连在一起，长度不超过20m. 根据采前普查，495户中有120户的房屋已存在1～15mm宽的裂缝，占总住户的24.2％.495户中，房屋一级破坏（裂缝宽小于4mm）的占16.2％，二级破坏（裂缝宽4～15mm）占8％. 1 开采及地面观测方案 通过计算机决策系统的分析，村庄下采用双对拉工作面开采技术最优［1］4个工作面（总长440m）同时推进图1，使整个村庄仅受动态移动变形的影响，而后落入移动盆地平底部分，房屋受开采的影响最小.在采煤过程中，对地表和房屋移动变形以及房屋裂缝宽度的发育进行了全面观测，测点布置方式见图2所示（局部）. 图1 村庄下双对拉工作面开采示意 Fig.1 Plan of mining under village 图2 测点布置方式示意（局部） Fig.2 Layout of observation points 2 房屋移动变形与地表移动变形的关系 2.1 房屋下沉与地表下沉的关系 我国建筑物下采煤的大量实践获得的房屋下沉与地表下沉的定量关系通常用下式表示［2］ Wf＝RWd , 1 式中Wf为房屋下沉；Wd为地表下沉；R为常数.式1对于地表沉陷稳定后的情况是比较合适的，但在动态过程中不存在上述关系. 通过对房屋和地表对应点动态观测结果的统计分析，可以获得如下定量关系 2 式中v为地表下沉速度，mm/d；Δ为常数，d（在北宿煤矿的条件下，Δ＝7d）. 式2表明，在动态下沉过程中，房屋下沉滞后于地表下沉.地表下沉速度越快，滞后也越明显. 2.2 房屋变形与地表变形的关系 观测资料表明在房屋产生裂缝（即在地表移动变形达到临界变形值之前，房屋测点测得的拉伸变形很小，且在地表拉伸变形逐渐增大时，房屋拉伸变形几乎不变；当房屋产生裂缝之后，包含裂缝的两测点间的拉伸变形明显增大，有的可达到地表最大拉伸变形的2倍多；随着地表由拉伸变形转变为压缩变形，房屋的拉伸变形逐渐减小.地表移动稳定后，位于盆地平底、开采过程中新产生裂缝的房屋，一般有一永久性的微小拉伸变形存在；而对于采前已有裂缝的房屋，一般有一永久性的微小压缩变形存在. 3 房屋裂缝宽度预计 房屋裂缝宽度随时间变化的实测曲线见图3.为了便于今后村庄下采煤时对裂缝宽度作出预测，将观测得到的裂缝发育宽度无因次化，由无因次曲线取平均后得裂缝发育宽度的典型曲线图4.图中x为距开切眼的距离，r为主要影响半径.同样，将地表水平变形曲线也无因次化，求出水平变形典型曲线，见图4.两者的典型曲线系数裂缝宽度分布系数kL和水平变形分布系数kε见表1.裂缝发育有如下规律性 图3 裂缝宽度随时间变化的曲线 Fig.3 Change of the width of cracks with time 图4 裂缝宽度与水平变形典型曲线 Fig.4 The typical curves of crack width and horizontal strain 1 在地表变形达到房屋破坏的临界变形值（主要是拉伸变形）后，房屋产生微小裂缝.之后，随着地表拉伸变形值的增大，裂缝宽度也加大. 2 房屋裂缝宽度最大值滞后地表拉伸变形最大值 7～10d出现.即地表出现拉伸变形最大值后7～10d，裂缝宽度才达到最大.这与前面分析得到的房屋下沉滞后于地表下沉的结论是一致的. 3 在裂缝宽度达到最大值后,随着拉伸变形值的减小,裂缝逐渐闭合.当地表处于拉伸与压缩变形交替时,裂缝宽度仅占其最大宽度的20. 4 从地表开始出现压缩变形至达到其最大值，裂缝闭合非常缓慢.这一阶段的最大闭合量不超过裂缝最大宽度的10％. 5 地表从最大压缩变形至变形结束（仅盆地平底部分有残余变形），裂缝宽度又有所增大（反弹）并趋于稳定.裂缝最后的宽度约为裂缝最大宽度的24％（平均值）. 表1 水平变形与裂缝宽度典型曲线分布系数 Table 1 The coefficients of the typical curves kL 0.265 0.303 0.379 0.502 0.671 0.865 1.000 0.806 kε 0.400 0.500 0.600 0.710 0.850 1.000 0.900 0.720 kL 0.518 0.304 0.213 0.135 0.113 0.154 0.177 0.240 kε 0.520 0.350 0.020 -0.600 -0.980 -0.900 -0.700 -0.500 利用以上的典型曲线图4），就可以进行裂缝宽度的预测.预测步骤1 预计水平变形最大值ε0；2 观测房屋产生裂缝后某一时刻的裂缝宽度L以及该时刻对应的水平变形值（实测或预计）ε；3 计算水平变形与水平变形最大值之比kε＝ε/ε0；4 由kε查表1，得对应的kL；5 计算可能产生的最大裂缝宽度LmaxL/kL；6 计算水平变形ε为任一值时裂缝发育的宽度LkLLmax.以上通过实测资料建立的预测裂缝宽度的典型曲线方法，可以对房屋裂缝的发育规律作出较为精确的定量预测，从而对房屋将出现的最大破坏程度有充分的估计，确保村庄下采煤安全可靠. 4 下沉系数和水平移动系数的动态修正公式 从概率积分法的原理分析，在实施预计时，应该满足充分采动或接近充分采动的条件.因此，为了对动态过程（从极不充分采动或非充分采动到充分采动）也能作出准确的预计，需要对预计参数（主要是下沉和水平移动系数）进行修正.工作面大小（采动程度）的不同，对应的预计参数也不同，应该是采动程度系数的函数.根据地表移动观测结果，可得到下沉系数的修正系数YW与采动程度系数n之间的关系，见图5. 图5 下沉修正系数与采动程度系数之间的关系 Fig.5 Correction coefficient of subsidence factor as a function of full-extraction factor 采动程度系数其中n1为走向采动程度系数，n1＝L1/2rn11时，取n11；n2为倾向采动程度系数，n2＝L2/2rn21时，取n21.L1，L2分别为采空区沿走向和倾向的实际长度，r为主要影响半径.经拟合，下沉系数的修正系数可以用以下分段函数表示 式中qd为动态下沉系数；q为充分采动时下沉系数. 用相同的分析方法，可得水平移动系数的修正系数Yu的函数表达式 式中bd为动态水平移动系数；b为充分采动时水平移动系数. 实际预计时，qdYWq .而由于最大水平移动值U0bW0，故bdbYu/YW. 由于建立了下沉系数和水平移动系数的动态修正公式，从而提高了移动变形的预计精度，动态移动变形预计时效果更明显. 5 结 论 村庄下采用双对拉工作面开采，保护村庄房屋的效果是十分明显的.根据调查，采前已存在的房屋裂缝在开采过程中明显扩大，但是在开采结束后基本恢复至原状；新产生的裂缝宽度很小，最大宽度大多数不超过4 mm，对裂缝的动态发育规律可以作出比较准确的预测；1/3以上的房屋在整个开采过程中没有任何损坏. 由于观测数据完整，覆盖了从非充分采动到充分采动，再到超充分采动的整个过程，因此，据此建立的裂缝预测模型和预计参数的修正公式具有典型性，可以在类似地质、采矿条件下推广使用. *国家自然科学基金重点项目（596304030） 作者简介 吴 侃，男，1963年生，副教授，工学博士 作者单位吴 侃 周 鸣中国矿业大学采矿工程系 徐州 221008） 葛家新 于丰德北宿煤矿 邹城 273516 参考文献 1 吴 侃，何国清，曹立明.建筑物下采煤专家系统初步研究.煤炭学报，1993，18（5）21～25 2 周国铨，崔继宪，刘广容等.建筑物下采煤.北京煤炭工业出版社，1983.76～77 收稿日期1998-04-14