谷小敏，吳作啟

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)的建立及應(yīng)用

谷小敏1，2，吳作啟1，2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

為了正確全面評(píng)價(jià)采動(dòng)損害，更好協(xié)調(diào)地礦關(guān)系，指導(dǎo)礦山企業(yè)制定合理的開(kāi)采接續(xù)設(shè)計(jì),全面研究了我國(guó)現(xiàn)行的礦區(qū)各類(lèi)地物的采動(dòng)損害評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，開(kāi)發(fā)了用于采動(dòng)損害技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)。對(duì)徐州礦區(qū)張小樓井在劉集鎮(zhèn)村莊下采煤設(shè)計(jì)方案進(jìn)行采動(dòng)損害綜合補(bǔ)償評(píng)價(jià)，計(jì)算得到了各設(shè)計(jì)開(kāi)采方案條件下各類(lèi)地物采動(dòng)損害補(bǔ)償金額，為礦山生產(chǎn)規(guī)劃的優(yōu)選決策提供了客觀依據(jù)。

采動(dòng)損害評(píng)價(jià)；開(kāi)采沉陷；三下采煤

我國(guó)是以煤炭為主要能源的國(guó)家，特別是近十年以來(lái)，煤炭產(chǎn)量有較大幅度地提高，2014年的煤炭產(chǎn)量已達(dá)4.3Gt，從而造成了大量的開(kāi)采沉陷問(wèn)題。礦區(qū)開(kāi)采損害問(wèn)題普遍存在，工農(nóng)關(guān)系受到影響，造成社會(huì)矛盾，同時(shí)，開(kāi)采沉陷也給煤礦造成了巨大的經(jīng)濟(jì)與生產(chǎn)壓力[1]。

因此，通過(guò)對(duì)煤礦采動(dòng)損害進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)來(lái)指導(dǎo)礦山生產(chǎn)企業(yè)做出合理的接續(xù)規(guī)劃是煤炭生產(chǎn)急需解決的重要課題。

針對(duì)我國(guó)的煤炭開(kāi)采實(shí)際和采動(dòng)損害規(guī)律，開(kāi)采沉陷領(lǐng)域的學(xué)者做了深入研究。崔希民分析了國(guó)內(nèi)外建筑物損害臨界變形值確定和損壞等級(jí)劃分研究現(xiàn)狀，歸納了目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于采動(dòng)損害評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)[2]；胡炳南針對(duì)影響建筑物損壞的指標(biāo)不靈活、適用性差的缺點(diǎn)，基于模糊理論對(duì)權(quán)重進(jìn)行了模糊處理，實(shí)現(xiàn)了建筑物在采動(dòng)影響下的損壞程度模糊綜合評(píng)判[3]；郭文兵采用模糊等價(jià)關(guān)系的模糊聚類(lèi)分析方法對(duì)采動(dòng)影響下建筑物損害程度進(jìn)行了分類(lèi)研究，并取得了良好的應(yīng)用效果[4]；劉立民等利用可拓集進(jìn)行了采動(dòng)影響下建筑物損害的物元模型評(píng)價(jià)[5]；宮鳳強(qiáng)和廖孟光等基于未確知測(cè)度模型分別從采空區(qū)危險(xiǎn)性[6]和采空區(qū)房屋損壞進(jìn)行了評(píng)價(jià)[7]，并取得了理想的實(shí)際效果；饒正保等利用GIS的強(qiáng)大數(shù)據(jù)管理功能實(shí)現(xiàn)了沉陷區(qū)建筑物損害評(píng)價(jià)的可視化[8]；鄧喀中等從采空區(qū)建筑物地基和建筑物附加應(yīng)力等機(jī)理方面開(kāi)展了采空區(qū)建筑物損害研究[9]；吳揚(yáng)科進(jìn)行了采空區(qū)對(duì)高速公路的影響研究[10]；顧和和等研究了高潛水位地區(qū)的開(kāi)采塌陷對(duì)耕地的破壞機(jī)理研究[11]。但對(duì)于包括建筑物在內(nèi)的采空區(qū)多類(lèi)地物綜合采動(dòng)損害評(píng)價(jià)的論文相對(duì)較少。因此，本文在對(duì)煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)模型分析研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家煤炭生產(chǎn)相關(guān)規(guī)程建立了一套較完善的采動(dòng)損害技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對(duì)徐州礦區(qū)張小樓井劉集鎮(zhèn)瓦房村村莊下采煤進(jìn)行了綜合補(bǔ)償評(píng)價(jià)。

1 煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)模型

1.1 煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

根據(jù)行業(yè)工程應(yīng)用的需求，煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)內(nèi)容主要包括地表建筑物、土地資源、公路及各種管路等方面。雖然不同受損對(duì)象的損壞形式、特征及程度各不相同，但受損原因主要由地表下沉、水平移動(dòng)、傾斜變形、曲率變形和水平變形所致[12]。根據(jù)上述4類(lèi)受損對(duì)象的受損原因確定其采動(dòng)損害評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。

表1 煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2 煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)模型

1.2.1 建筑物損壞等級(jí)評(píng)價(jià)及補(bǔ)償模型

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》[13]的相關(guān)規(guī)定，磚混結(jié)構(gòu)建筑物采動(dòng)損壞等級(jí)分4級(jí)，各級(jí)別損壞程度與地表變形關(guān)系如表2所示。

表2 磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)評(píng)價(jià)

建筑物損害補(bǔ)償費(fèi)計(jì)算公式為：

式中，A為建筑物的補(bǔ)償費(fèi)，元；B為計(jì)算基數(shù)，指與當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)協(xié)商確定的建筑物補(bǔ)償單價(jià)，元/m2；C為建筑物折舊率；Di為建筑物受損自然間的補(bǔ)償比率；Ei為受損自然間的建筑面積，m2；n為建筑物受損自然間數(shù)。

1.2.2 土地?fù)p害等級(jí)評(píng)價(jià)及補(bǔ)償模型

根據(jù)《中華人民共和國(guó)土地管理法》[14]、《土地復(fù)墾方案編制規(guī)程》(TD/T 1031.3-2011)[15]的相關(guān)規(guī)定，土地采動(dòng)損害等級(jí)與地表變形之間的關(guān)系及補(bǔ)償方式如表3所示。

表3 土地?fù)p害等級(jí)評(píng)價(jià)

減產(chǎn)補(bǔ)償費(fèi)計(jì)算公式為：

J1=J青+J附

式中，J1為減產(chǎn)補(bǔ)償費(fèi)，元；J青為青苗補(bǔ)償費(fèi)，元；J附為附著物補(bǔ)償費(fèi)，元；Si為受損面積，m2；Mi為單位面積前3a平均年產(chǎn)值，元/m2；Mi′為開(kāi)采損害后單位面積年產(chǎn)值，元/m2；Mi″為附著物單位面積補(bǔ)償費(fèi)，元/m2。

復(fù)墾補(bǔ)償費(fèi)計(jì)算公式為：

J2=J1+S復(fù)×a

式中，J2為復(fù)墾補(bǔ)償費(fèi)，元；S復(fù)為需要復(fù)墾的土地面積，m2；a為單位面積復(fù)墾費(fèi)用，元/ m2。

絕產(chǎn)補(bǔ)償費(fèi)計(jì)算公式為：

式中，J3為絕產(chǎn)補(bǔ)償費(fèi)，元；k±為土地補(bǔ)償系數(shù)；k安為安置補(bǔ)助費(fèi)倍數(shù)；Mi″′為單位面積絕產(chǎn)補(bǔ)償費(fèi)用，元/m2。

土地?fù)p害補(bǔ)償總費(fèi)用計(jì)算公式為：

J土=J1+J2+J3

1.2.3 公路損壞評(píng)價(jià)及補(bǔ)償模型

根據(jù)國(guó)家交通部頒布的現(xiàn)行《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30-2015)[16]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，軟土地區(qū)路基允許工后沉降控制指標(biāo)如表4所示，公路采動(dòng)損壞等級(jí)與地表變形之間的關(guān)系及處理方式如表5所示。

表4 公路路基允許工后沉降

表5 公路損壞等級(jí)評(píng)價(jià)

公路采動(dòng)損害補(bǔ)償費(fèi)計(jì)算公式為：

J路=JL+J綠+J交

式中，J路為公路損害補(bǔ)償費(fèi)，元；JL為公路損害路面、路基補(bǔ)償費(fèi)，元；J綠為公路綠化帶補(bǔ)償費(fèi)，元；J交為公路損害交通安全設(shè)施補(bǔ)償費(fèi)，元；Ni為損害路面、路基補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，元；Ni′為損害綠化帶補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，元；Ni″為損害交通安全設(shè)施補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，元；Pi為相應(yīng)公路設(shè)施損害數(shù)量。

1.2.4 管路損壞評(píng)價(jià)及補(bǔ)償模型

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》[13]的相關(guān)規(guī)定，礦區(qū)管路采動(dòng)損壞等級(jí)與地表變形之間的關(guān)系及處理方式如表6所示。

表6 管路損壞等級(jí)評(píng)價(jià)

管路采動(dòng)損害補(bǔ)償費(fèi)計(jì)算公式為：

J管=J地面+J地下

式中，J管為管路補(bǔ)償費(fèi)，元；J地面為地面管路補(bǔ)償費(fèi)，元；J地下為地下管路補(bǔ)償費(fèi)，元；G為地面管路單位長(zhǎng)度補(bǔ)償費(fèi)，元/m；L為地面管路維修長(zhǎng)度，m；G′為地下管路單位長(zhǎng)度補(bǔ)償費(fèi)，元/m；L′為地下管路維修長(zhǎng)度，m。

2 煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的建立

煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)采用Matlab作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，建立了建筑物損壞等級(jí)評(píng)價(jià)及補(bǔ)償、土地?fù)p害等級(jí)評(píng)價(jià)及補(bǔ)償、公路損壞等級(jí)評(píng)價(jià)及補(bǔ)償、管路損壞等級(jí)評(píng)價(jià)及補(bǔ)償共4個(gè)評(píng)價(jià)模塊，各模塊實(shí)現(xiàn)了采動(dòng)損害的等級(jí)評(píng)價(jià)及經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償計(jì)算。采動(dòng)損害技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)具有功能完備、計(jì)算速度快、界面友好等特點(diǎn)。

3 實(shí)例應(yīng)用

徐州礦區(qū)張小樓井計(jì)劃對(duì)劉集鎮(zhèn)瓦房村保護(hù)煤柱進(jìn)行開(kāi)采，開(kāi)采前使用以上采動(dòng)損害技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)不同開(kāi)采接續(xù)方案的村莊采動(dòng)損害進(jìn)行損害補(bǔ)償預(yù)評(píng)價(jià)。張小樓井地層分布由老至新概述為：寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、第四系。含煤地層為石炭系、二疊系，共分3個(gè)含煤組：石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組和下石盒子組?，F(xiàn)主采煤層為山西組7煤層和9煤層。其中，7煤層設(shè)計(jì)開(kāi)采工作面6個(gè)，9煤層設(shè)計(jì)開(kāi)采工作面9個(gè)，具體設(shè)計(jì)工作面的基本信息及概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)如表7所示，采煤方法均為機(jī)械化綜采，長(zhǎng)壁全陷。計(jì)算中考慮了周邊已有采空區(qū)的采動(dòng)影響情況，已有采空區(qū)具體信息略。

表7 采空區(qū)塊段信息及概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)

對(duì)7、9煤層劉集鎮(zhèn)瓦房村保護(hù)煤柱全部開(kāi)采后的地表下沉、傾斜變形、水平變形和曲率變形等進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)計(jì)算得出7煤層6個(gè)設(shè)計(jì)工作面和9煤層9個(gè)設(shè)計(jì)工作面全部開(kāi)采條件下地表最大下沉值為3342.3mm，地表最大傾斜變形值為+6.5mm/m，最大水平拉伸變形為+4.13mm/m，最大水平壓縮變形為-9.10mm/m，最大曲率變形為0.031 /m。根據(jù)地表變形等值線與各類(lèi)地物的相對(duì)位置關(guān)系確定各類(lèi)地物的損壞等級(jí)及處理方式，應(yīng)用煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)該采空區(qū)造成的村莊及土地、道路、管路等損壞進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的評(píng)價(jià)結(jié)果如表8所示。

煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)該采空區(qū)造成的村莊損壞進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的評(píng)價(jià)結(jié)果中總補(bǔ)償金額為1556.14萬(wàn)元，其中建筑物損壞補(bǔ)償金額為720.80萬(wàn)元，土地?fù)p害補(bǔ)償金額為299.51萬(wàn)元，公路損壞補(bǔ)償金額為496.83萬(wàn)元，管路損壞補(bǔ)償金額為39.60萬(wàn)元。由計(jì)算結(jié)果可知建筑物損壞補(bǔ)償仍然占所有采動(dòng)損害補(bǔ)償中比例最大，且建筑物損壞直接關(guān)系到居民的生命安全和根本利益，故建筑物損壞評(píng)價(jià)在各類(lèi)地物采動(dòng)損害評(píng)價(jià)中處于最重要地位。由于該評(píng)價(jià)地區(qū)處于我國(guó)東部較發(fā)達(dá)地區(qū)，農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展較為完善，道路損壞補(bǔ)償相對(duì)較大，土地?fù)p壞及管路損壞補(bǔ)償次之。

表8 煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)選擇合理的采動(dòng)損害評(píng)價(jià)指標(biāo)和適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)建立了煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)。

(2)應(yīng)用建立的煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)徐州礦區(qū)張小樓井在劉集鎮(zhèn)瓦房村下采煤設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出了相應(yīng)的損害評(píng)價(jià)結(jié)果及補(bǔ)償結(jié)果。

(3)工程實(shí)例的計(jì)算結(jié)果表明建筑物損壞補(bǔ)償仍占采動(dòng)損害補(bǔ)償?shù)闹黧w，道路、土地和管路損壞補(bǔ)償次之。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Building and Application of Mining Damage Evaluation 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)

In order to comprehensive and fully evaluated mining damage，and the relationship between local and mine would be coordinated，guided for rational mining sustainable designing of mining enterprise，all kinds mining damage evaluation standards and procedures of surface features in domestic were studied fully，and then computer aided system of mining damage techno-economic appraisal was developed.Mining damage synthesize compensate evaluation of mining designing scheme was done ,which mining under Liujizhen village of Zhangxiaolou mine in Xuzhou coal mine area，it refers for optimization decision of mine production planning.

mining damage evaluation system；mining subsidence；“three unders”mining

2017-02-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.019

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05045001-004)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51404139)

谷小敏(1982-)，女，河北石家莊人，助理研究員，碩士，主要從事采空區(qū)勘查與治理方面的工作。

谷小敏，吳作啟.煤礦采動(dòng)損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)的建立及應(yīng)用[J].煤礦開(kāi)采，2017，22(4)：75-78，9.

TD

A

1006-6225(2017)04-0075-04