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专题村庄下煤矿开采方案优化方法研究 含CAD图纸+文档 张双楼 煤矿 1.2 Mta 设计 专题 村庄 开采 方案 优化 方法 研究 CAD 图纸 文档

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第45页专题部分村庄下煤矿开采方案优化方法研究摘要：煤炭资源是煤炭企业生存和发展的前提和基础。在国有大中型煤炭企业中，由于建筑物下开采技术不够成熟，村庄下压煤严重制约着煤炭企业的发展。因此解决建筑物下采煤问题，不论是从理论上、技术上，还是经济上，对发展煤炭科技及煤矿生产都有重要意义。本文论述了村庄下采煤在国内外的应用现状，提出了存在的问题，并对优化方法进行历史回顾，列举了日前常用的开采方案优化设计方法，从地面建筑物的防护与治理、减小地表移动与变形的采矿措施和减小地表移动与变形的充填措施二个方面介绍了村庄下的采煤技术，在此基础上，根据地表移动对地面建筑物的影响、破坏程度的不同，构建了村庄下开采方案的优化模型，以艾友矿的课题作为检验方案优化的实例.结合艾友矿地质条件，查阅有关资料，并进行现场实测，通过相应的应用软件对数据进行处理，对所有的可行方案进行检验，以确定较优开采方案，然后利用费用一一效益分析法对较优方案进行经济评价，使其在保证开采对地面建筑物影响程度较小的前提下，尽可能地开采赋存煤炭，达到煤炭采出率最大，经济合理，效益最优。关键词：村庄下采煤；歼采方案；优化方法1 村庄下压煤开采的现状及存在问题1.1村庄下开采的现状及意义煤炭是我国的主要能源，随着国民经济稳步地向前发展，对煤炭的需求量必然口益增大。为了满足国家口益发展的需要，煤炭工业不仅要建设新的大型现代化矿井以增加煤炭产量，而且还要充分进行老矿井挖潜，最大限度地解放“三下”（建筑物下、水体下、铁路下）压煤量，增加可采储量，延长矿井服务年限，经济合理地提高煤炭资源回收率。1.1.1发展我国村庄下开采技术的意义据不完全统计，目前我国统配煤矿“三下”压煤总量为137.9亿t，其中建筑物下压煤量为87.6亿t，占整个压煤量的63.5% 。建筑物下压煤又以村庄下压煤所占的数量最大，占建筑物下压煤量的比例为60%，达到52.21亿t。人口密集、村庄集中的河南、河北、山东、安徽、江苏五省区压煤的村庄达到1094个，住户11万户，占我国村庄下压煤量的55%以上。村庄压煤几乎遍及各个矿区，一般占矿井储量的10%-30%。然而50多年来，尽管有各个方面的共同努力，从“三下一上”压煤中采出来的煤量只有7亿t，仅占其压煤量的5%左右。从村庄下采出的煤量仅为2.33亿t，占整个村庄下压煤量的4%，且其中的1.76亿t还是靠村庄搬迁采出的。如果将已取得的科研成果进行推广，转化为生产力，将村庄下压煤解放一半，就可供100个年产能力100万t的矿井生产26年，前景十分可观。合理地解决建筑物下采煤问题，不论是从理论上、技术上，还是从经济上，对发展煤炭科技及煤矿生产都有重要意义。一方面可以合理开采和利用资源，提高煤炭回收利用率，延长矿井服务年限，使矿井延缓衰老。另一方面，也可以避免地表沉陷给社会及人民生活造成影响，便于缓和工农关系，减少赔偿费用，减轻企业负担。因此，探索解决村庄下开采的新途径越来越受到重视，成为国内外专家和学者重点研究的课题之一。1.1.2建筑物下采煤在国外的应用国外进行过建筑物下采煤的国家很多，其中波兰的建筑物下采煤技术在世界上处十领先地位。波兰城镇及建筑物下采煤的特点之一是规模大。到目前为止，开展城镇下采煤的有卡托维兹、贝托姆、亚什詹别等6-7个现代化城镇，全国65个煤矿几乎全都涉及城镇及工业建筑物下采煤。卡托维兹市35万人，贝托姆25万人，这些城镇既有百年以上的老建筑物，也有近年新建的十多层高大建筑物，既有地面各类房屋，又有地下各类管网。开采影响的工业建筑物有钢铁厂，重型机械制造厂，焦化厂，水泥厂及小型发电厂等。波兰城镇下采煤的特点之二是安全可靠性高。城镇下采煤大部分都是采用水砂充填方法，仅在开采薄煤层及中厚煤层时部分采用冒顶方法，浅部开采时采用条带式开采方法。在工业建筑物下采煤，基本上未影响工业生产和交通运输，如兹柯达重型机械制造厂下采煤，时间长达20年，累计采厚达20m，地表下沉2.71m，但工厂生产从未受影响。第二个特点是，波兰城镇下采煤的经济效益十分显著。城镇下采煤增加的费用，包括建筑物加固（新建时加固造价增加5-20%），维修及迁建二部分，据几个开展城镇下采煤的煤矿介绍，这种费用一般仅占吨煤生产成本的2-4%，经济效益显著。第四个特点是，国家把城镇下采煤视为重大的战略问题，还制订了采矿法，对城镇下采煤用法律形式进行规范，得到了国家法律的保障，任何部门、行业和公民都必须遵照执行。德国是研究建筑物、构筑物下采煤悠久的国家，技术水平也在世界居领先地位。建筑物、构筑物下采煤有法可依，有相应的规程、规范可循。一般多数采取采后维修的办法，少数采用采前加固的方法，地质采矿条件不利时，采取充填法开采或限厚开采措施。目前除发电厂留设保护煤柱外，其它工业设施和城镇压煤全部进行开采。英国对建筑物下采煤也非常重视。1950年和1957年，英国国会先后两次召集会议专门讨论“三下”采煤问题，并做出决定，除了对井筒和绞车房留设保护煤柱外，其它建筑物压煤均应开采。其他一些主要采煤国家都对“三下”开采技术进行了不同程度的研究和应用。1.1.3我国村庄下采煤的回顾我国的“三下”采煤工作是从20世纪50年代开始的。几十年来我国广大科技人员在学习国外先进经验的同时一直在积极探索、试验具有我国特色的村庄下压煤开采问题。村庄下开采工作大致可以分成以下四个阶段。第一阶段(1970年以前)，当时由于我国在开采沉陷理论和“三下”采煤技术方面经验不足，矿区村庄一般比较小，矿区有搬迁地，因而主要采取村庄搬迁的办法对村庄下压煤进行开采。如井陉矿务局1970年前共迁村10个。在此期间个别矿务局开始在建筑物和村庄房屋下进行采煤试验。19651967年峰峰矿务局在五矿南翼四盘区上方的旧钢厂系统试验一层和二层建筑物预加固措施，试验条件为H=188m,，M=2.2m，根据采用水泥圈梁、钢拉杆、构造柱和变形缝等，其目的是试验各种预加固措施的施工方法、加固效果，探索建筑物破坏与地表变形的关系，取得了砖混结构一层和二层房屋预加固技术的实践经验和科学数据。 第二阶段(19711985年)，此时我国已基本掌握了开采沉陷理论和“三下”采煤技术，开始采用采后维修加固的方法进行村庄下压煤开采试验。19821984年，峰峰矿务局在我国首次采用大冒顶多工作面联合协调开采方法进行了辛寺庄村下压煤开采试验，试验条件为H=3 50m，M=1.2m，K =H/M=291。试验有效地控制了地表水平变形，确保90%以上房屋安全使用，受破坏房屋采后进行了维修，取得了大面积村庄下不迁村开采的成功经验。1985年又在该村下用不规则条带法开采了6#煤层（M=1.4m），条带采出率为63%，采后地面房屋90%安全使用，取得了村庄下重复开采的成功经验。19741976年蛟河矿在奶子镇下以及19851987年峰峰矿务局在一矿工人村下用条带法进行了开采试验，试验均获得成功，取得了村庄下条带开采的实践经验和科学数据。19801985年鹤壁矿务局在九矿工人村下用大冒顶方法进行了开采试验，试验取得了成功。19781980年广西田坝煤矿进行了村庄下开采试验，农村房屋具有南方特点，以木架结构为主体，目的是探索房屋受开采影响附加应力变化，为划分南方矿区木排结构房屋受开采影响破坏等级提供科学依据。试验条件是H=87120m，开采厚度M=0. 81.9m，试验取得了成功，获得了具有南方特点以木结构为主体的村庄下开采的实践经验和科学依据。在此期间枣庄矿务局采用边开采边维修，采后总维修并给受损房屋适当赔偿办法进行了村庄下开采。试验取得了成功，取得了村庄下采煤采用边开采边维修措施的实践经验。第三阶段(1986年后)，村庄下开采试验表明，当煤层开采厚度大，开采深度不太大时，采用大冒顶方法开采村庄下压煤，很难保证村庄房屋不受到严重破坏，而采用条带法开采，煤炭损失率太大。为了解决村庄下开采这个量大面广的难题，煤科院唐山分院、北京开采所和中国矿大等单位与企业合作，积极开展就地建抗变形结构村庄的试验。为此，“七五”期间首先对适合各种条件下的农村抗变形结构房屋进行了实地试验。19831986年在阳泉矿务局三矿山坡上建了7栋抗变形结构试验平房进行试验，试验条件为:H=174207m，M=1.72.3m，房屋经受了大于级地表变形的影响。19861987年在邢台矿务局东庞矿建了4栋试验平房，试验条件为:H=267m，M=4.6m，一次采全高，房屋经受了大于级以上地表变形的影响。1988年澄河矿务局在董家河矿建了4栋适合西北黄土高原条件下的农村抗变形结构平房，进行开采试验，试验条件为:H=291m，M=2.4m。上述这些试验都取得了成功，为后来就地建抗变形结构村庄取得了实践经验和理论依据。第四阶段，农村抗变形结构房屋开采试验的成功，给村庄下开采带来了一线希望。人们试图用这种方法解决部分村庄下压煤开采问题。但是通过实践发现还存在许多经济和技术问题难十解决，特别在市场经济条件下，建设抗变形结构农村，抗变形技术措施费一般占建房造价的25%左右，一次性投资太大，企业难十承受。一些技术和环境问题也难十解决，如房屋倾斜纠正问题，开采后沉陷区积水等，特别在高潜水位地区，积水问题更难解决，因此建抗变形结构农村也难于在实践中推广应用。村庄下开采似乎是走进了死胡同，大家急于寻找能够解决村庄下开采的新方法、新技术。在这种情况下，有人开始寄托于用覆岩离层注浆减缓地表沉陷方法解决村庄下开采这个大难题。因此继80年代后期离层注浆在抚顺试验成功后，90年代开始先后有唐山、大屯、新汉、充州、南桐等矿区开始试验覆岩离层注浆减缓地表沉陷技术。通过对一些试验成果研究和对一些实测资料实事求是地分析计算，我们认为覆岩离层注浆减缓地表沉陷是一项新技术，但是它的减沉效果是有限的，除个别特殊情况外，一般情况下其减沉率只有30%左右，最大到40%，因此希一望单独采用覆岩离层注浆一种措施解决村庄下开采问题也是困难的。1.2村庄下开采存在的问题我国村庄下开采存在的主要问题有：（1）村庄下开采是一项试验性很强的技术，在其研究领域内涉及到地质、测量、采煤、岩石力学、数学、环境保护学、建筑学等方面的知识，但是由于经费和人员的限制，过去的研究工作往往仅局限于某个单一方面，而综合研究工作开展的较少，从而限制了各个学科和技术措施之间的交融，大规模的综合研究和试验开展得不够。（2）目前村庄下压煤的开采量75%以上依然是靠搬迁来实现，几十年的迁村实践说明，村庄搬迁不仅要占用耕地，如处理不当还严重影响煤矿的生产计划与工作面接续，村庄搬迁工作进展迟缓，迁村费用高，迁村采煤难度越来越大。（3）村庄下开采技术种类繁多，目前尚无规范、通用的优化方法，能较为快速、全面、精确地选出适合的方案进行村庄下压煤开采。（4）村庄下开采牵涉到企业、农民、煤矿、地方和国家诸多方面的利益，牵涉面广，政策性强，情况复杂，许多问题非一家单独所能处理。因此，需要制定具体的技术经济政策和法规，建立专门的协调管理机构。制定迁村开采收费标准和房屋维修、赔偿标准，以便在具体实施中有法可依。同时还应建立相应的具有权威的管理机构，协调各方面的关系，执行国家制定的政策和法规，否则村庄下开采也难于进行。1.3对“三下”压煤的对策及经济效果分析对“三下”压煤，根据矿井内外部环境和技术经济状况，有几种可选择的处置方式，如表1-1所示。在实际工作中应具体测算，权衡利弊，择优选取，达到技术可行，经济效果最佳。表1-1 “三下”压煤对策及其经济效果分析经济分析利弊结论国民经济企业国民经济企业丢弃不采1、不投入“三下”采煤专项费用2、不承担风险1、勘探、基建投资损失，无投资效果2、小产煤，无税收1、盈利矿井少获利2、少产煤，少提专项维简资金在技术可行前提下尽量开采少丢弃呆滞后采一般在矿井达产期呆滞，当期小发生“三下”采煤专项费用，无风险和民事纠纷需维持通、排、运系统，其费用与煤量呆滞年限成正比按主产合理布局，当期开采为宜开采矿井达产期1、可能有部分投资损益2、可能延长矿井服务年限，新井建设资金后投入1、避免呆滞后采的损失；2、可能延长采区和水平服务年限，滞后投入新区建设资金；可采用部分采煤法，发生丢煤损失1、增加“三下”采煤专项资金2、承担风险和纠纷3、可能有部分丢煤损失对煤矿当期经济效益不显著，对后期有较大影响，以当期开采为宜矿井减产期1、增产原煤2、增加税收3、可能延长矿井服务年限，滞后投入新区建设资金1、增产原煤，提效降成本；2、增加销售收入，盈利或减亏；可采用部分采煤法，损失部分资源，投资效果不佳1、增加“三下”采煤专项资金2、担风险和纠纷3、可能有部分丢煤损失尽管采出“三下”压煤，与当期开采比效益较差迁址开采与丢弃不采相比：1、增加原煤和税金2、延长矿井服务年限1、彻底解放压煤，无后遗症2、有不同开采期各种效益占土地、耗材料、误工、误农时1、新址选择有难度2、费用高与就地开采比较，测算后酌定2 优化方法2.1优化方法的发展2.1.1历史回顾我国采矿系统工程的发展，经历如下三个时期：（1）萌芽期（上世纪50年代一70年代初）。上世纪50年代初尝试过利用线性规划中的运输问题解决矿石调配的问题；60年代受优选法的影响，着手将运筹学方法及优选法应用十矿山；70年代初期，排队论及计算机模拟已用于处理露天矿卡车调配。不过，这时期的工作尚是肤浅及零星的。（2）发展期（上世纪70年代中一80年代中）。改革开放以来，以德兴铜矿为代表的一批大型露天矿由美国公司设计，从而引进地质统计学及许多计算机优化技术，如模拟矿体的方块矿床模型、确定开采境界的浮动圆锥法以及编制采剥进度计划的数学规划法等。为了普及系统工程知识，国内多次举办运筹学、地质统计学及计算机应用的学习班，培养了一批骨干人才。国内矿业高等学校也相应开设运筹学、采矿系统工程等课程，并培养这方面的研究生。这时期的主要工作是引进吸收国外的先进技术。（3）壮大期（上世纪80年代末至今）。本时期有两个特点：a.继续引进国外的先进技术，如计算机辅助设计、管理信息系统、决策支持系统、人工智能技术等；b.结合我国实际情况进行大规模的应用开发，如鞍山冶金矿山设计研究院联合开发的成套露天矿山设计软件以及以南芬铁矿为代表的一批矿山管理信息系统的建立，都有所创新，具有自己的风格。2.1.2优化技术的不断完善最优化方法是近代科学技术中最有效的现代设计方法之一。在地质数据处理方面，地质统计学及距离平方反比法已广泛用十矿石品位估计，并且对变异函数的构造及距离幂次的选定，国内作了深入细致的分析。在矿床模型方面，已先后建造了方块模型、断面模型、线框模型、二维实体模型及二维表面模型。在地质连图方面已将模糊数学、专家系统用十自动连接中。关于矿床工业指标，国内对边界品位及最小工业品位的优化作了大量的工作，在数理统计的基础上建立品位矿量成本的函数关系，进而应用多目标决策方法。近年来，参数优化法已成功地应用于德兴铜矿，它根据边界品位及采矿成本与金属售价之比，可动态地确定一组可供选择的境界。在采掘(剥)计划编制中，国内广泛采用线性规划法，也有人使用非线性规划、动态规划、混合整数规划及目标规划等方法。由于影响计划编制的因素很多，人们认识到要用多种技术（尤其是伽和运筹学）综合解决。在开拓运输设计方面，国内用动态规划法优化运输线路，用最小费用流优化地下开拓运输系统，用专家系统选择开拓运输方案。对于设备选择方面的优化方法，国内广泛应用可靠性理论分析设备的可靠性及备用台数，也有人用整数规划计算所需设备的台数。在技术经济分析方面，国内广泛使用计算机技术从事工程成本概预算、财务评价及国民经济分析。对于建设项目中的不确定性分析，除了规定的敏感性分析外，国内已采用蒙特卡洛随机分析，并已成功地用于海南铁矿及李家沟铅锌矿设计中。2.2开采方案优化方法目前常用的开采方案优化方法主要有方案比较法、多目标决策法（专家评议法）、微分求极值法、统计分析法、规划法和统筹法、系统综合分析法等，其评价如下：（1）方案比较法。即在进行工程设计时，根据已知条件列出在技术上可行的若干方案，然后进行具体的技术分析和经济比较，从中选出相对最优越的一种方案。优点：1）能够考虑各种因素，从质和量两个方面来评价比较各方案，权衡优劣，最终选取符合要求的最佳方案；2）通过方案的计算可以独立地得出各项经济指标，这些指标可以作为其它有关问题确定的依据。缺点：1）由于设计人员的经验和理论水平的不同，有可能在初选时忽略了最优方案；2）方案比较法的计算工作量大；3）经济比较时用总算法所得的数据忽略了时间因素。适用条件：方案比较法可以解决各种类型的设计问题，大的如开拓方案的选择，小的如设备类型的选择等，常被称为万能的设计方法。（2）专家评议法。利用专家集体智慧对某些复杂的研究命题进行决策，是依靠专家的经验、知识和综合分析能力进行直观判断。优点：1）既能解决定量参数问题，又能解决定性参数问题，它可以把定性参数定量化，并目_能把不同因次的量进行无量纲化，从而可以用一个尺度来衡量，可以客观地评出优劣；2）专家评议法集中专家集体的智慧进行决策，避免和防止个别人的主观见解所带来的主观性和片面性；3）利用专家评议法进行多目标、多因素决策时，能对评价的方案进行综合评价，解决了方案比较法直观评价的不足；4）用本法进行矿井设计质量效果评价时，可以在先进成果的背景上对所审查的设计是否先进，做出无法比拟的、客观而可靠的论证；对所审查设计的不足之处也能提出数量上确凿的论据，并提出具体需要改进的地方和改进的途径。5）用本法进行矿井设计质量效果评价时，能及时排除落后的、不可靠的、不经济的设计方案，能加快设计的速度，也可避免大量基建资金的损失。缺点：具有主观性和片面性。适用条件：专家评议法可以解决多目标、多因素的决策问题。（3）微分求极值法，即采用微分求极值的原理确定矿井设计参数。具体应用时，首先要列出目标函数与参变量之间的函数关系式，然后求极值，即经济上最优的参数值，函数关系式可为单变量函数，也可为多变量函数。优点：1）将复杂的采矿问题子以简化，以适应编制函数方程的需要；2）可用来分析各因素与参数间的影响及变化关系。缺点：1）此法只能解决既定方案的定量参数问题；2）此法不能进行方案对比，也不能提出新的方案。适用条件：微分求极值法适用十设计项目为定性参数，初始数据为确定型，变量数目较小（一般小于3）的情况。（4）统计分析法，是一种定量的分析方法，它是在定性分析的基础上，分析研究实际数据，找出事物发展的规律及其相互关系，建立合理的数学模式，以循其规律预测未来。统计分析法一般用十研究预测目标与影响因素之间的因果关系，所以，国外有的学者称之为“因果法”。优点：本法能通过量的变化来揭示事物内在规律，尤其是多因素、变量关系又错综复杂时，可以利用相关分析的方法，找出主次关系，抓住主要矛屑，解决根本问题。缺点：1）数据的收集与加工，需要花费很多的时间与工作量；2）条件、环境变化后，经验公式便失掉效用，必须随着生产形式的变化、地质条件的变化、开采机械设备类型的变化，作出适应新条件的经验公式。适用条件：统计分析法广泛适用于社会科学和自然科学的各个领域，来研究预测目标之间的关系，效果显著，以煤矿方面的问题而论，“三下开采”问题中，导水裂隙带高度，防水煤岩柱尺寸，地表变形预计等问题，都是用统计分析方法获得的经验公式。（5）规划法和统筹法1）规划法，是设计中应用面较广和实用价值较高的一种方法，其数学模型由目标函数和约束条件两部分构成，用数学语言表达，即为在一定的约束条件下寻求目标函数的极值。根据函数的性质和时态关系，规划法可以分为以下几种：线性规划。主要解决求解费用最少、利润最大的问题，如：库场的选址问题，设备的合理配备问题，材料的合理下料问题，采掘进度计划的编制问题，连续投资问题， 产销（不）平衡问题和运输问题等；非线性规划主要解决目标或约束条件中只有一个是非线性函数的最优问题；目标规划主要解决软约束条件的重要程度不同的多目标决策问题；整数规划主要解决取整问题；动态规划可以解决最优线路问题，资源分配问题，载货问题，机械负荷分配问题，生产与库存问题，机器可靠性（随机模拟）问题，采区最优接续关系问题等。2）统筹法，用以解决大规模项目的筹划、调度、配合以及施工组织计划和工期预测等问题，其目的在十对项目进行规划与控制。它以工序所需工时为时间因素，用工序之间相互联系的网络图和较为简单的算法，反映出整个工程或项目的全貌，指出对全局有重大影响的关键工序和关键线路，对工程或任务的所有工序作出比较切实合理的统筹安排。（6）系统综合分析法，是分析、解决由多元素构成的事物总体（系统）的方法，根据被研究系统的性质、内容和过程的不同，在各个阶段综合运用各种相,的数学理论和思维推理方法，利用计算机快速运行的手段，使复杂而庞大的问题迅速获得较为理想的解决。优点：1）系统综合分析法研究问题的范围广，不仅能求一个定量系统内效益的最优化，而且可取得全面的整体效益最优化；2）系统综合分析法运用的科学原理和方法广而多，不仅要应用工程数学、运筹学等理论基础和方法，而且还要应用哲学、技术经济学等方法全面研究和解决问题；3）系统综合分析法不仅能在价值判断已定的条件下确定最佳方案，而且能利用价值判断进行决策；4）系统综合分析法不仅能采用定量分析的手段，而且还在决策的某些阶段或某些方面，采用定性分析的手段，使决策更趋于完美；5）系统综合分析法不仅能解决当前的问题，更着重解决将来的问题；不仅能解决相同性质的企业、部门的问题，而且能解决任何相关联的复杂问题。适用条件：系统综合分析法是解决矿井设计重大问题的最科学和最有实效的方法，能广泛应用于矿井设计实践中。3 村庄下开采技术3.1地表移动对建筑物的影响3.1.1地表移动对建筑物和构筑物的影响和损害地下开采对地表的影响主要有垂直方向的移动和变形（下沉、倾斜、曲率）与水平方向的移动和变形（水平移动、拉伸与压缩变形）。不同性质的地表移动和变形，对建筑物与构筑物的影响是不一样的。（1）地表下沉的影响地表的均匀下沉，一般地讲，对建筑物与构筑物不会产生附加应力，因而对其自身也不会带来损害。但是当地表下沉较大时，如果由此而使潜水位上升，就会造成建筑物内长期积水或使建筑物过度潮湿，改变了建筑物所处的环境，降低了地基的强度，以致危害建筑物的安全使用，甚至造成建筑物的破坏或废弃。一般情况下，处于地表移动稳定后均匀下沉区的建筑物与构筑物，在开采过程中，还将受到地表“动态”变形的影响，最后建筑物与构筑物位于均匀下沉位置。（2）地表倾斜的影响地表倾斜后，建筑物必然随之歪斜。因此在由建筑物自重形成的偏心载荷作用下，产生附加倾覆力矩，承重结构内部将产生附加应力，基底的承压力也将重新分布。（3）地表曲率的影响曲率是地表倾斜的变化率，用于描述地表非均匀下沉的程度和特征。由于曲率的出现，原来建筑物坐落的平面地基变为一个空间曲面，无论地表出现正曲率或是负曲率，建筑物基础底部都会出现瞬时局部悬空状态。但是，曲面状的地基，在建筑物的载荷作用下，随着地基支撑反力的重新分布，建筑物的基础将切入地基，由此悬空的范围便逐渐缩小，甚至不再存在悬空现象。相反，如果建筑物的强度和刚度较小或者地基坚实，使建筑物基础无法切入地基时，则建筑物将出现裂缝和变形，以致遭到破坏。坐落在基岩地基上的建筑结构，受采动影响必然是易遭破坏。由此可知，曲率引起建筑物内产生的附加内力，主要是作用十建筑物垂直截面的弯矩和切力。（4）水平变形的影响地表水平方向的拉伸和压缩变形，对建筑物的破坏作用很大，尤其是拉伸变形的影响，因建筑物抵抗拉伸的能力远小于抵抗压缩的能力，所以一般在较小的拉伸变形作用下，就能使建筑物产生裂缝。一般在门窗洞口的薄弱部位易产生裂缝，砖砌体的结合缝、建筑物的结点（如房梁）亦易被拉开。地表压缩变形对建筑物的破坏主要使门窗洞口挤成菱形，砖砌体墙产生水平裂缝，纵墙或围墙产生褶曲或屋顶鼓起。建筑物的破坏往往是集中变形共同作用的结果，在一般情况下，地表拉伸和正曲率伴随着同时出现；地表压缩和负曲率伴随着同时出现。建筑物的破坏程度与其结构、材料、形状和施工质量等有关，建筑物的刚度和平面尺寸是主要因素。3.1.2建筑物破坏程度与地基变形的关系在进行建筑物下开采之前，一般都要根据地质采矿条件作地表移动和变形的预计，根据预计的变形值的大小来评定建筑物的破坏程度；然后据此采取相应的地面建筑加固措施和井下开采措施;最后确定建筑物下开采的方案。由此可见，建立建筑物破坏程度和地表变形间的关系，对建筑物下开采是很重要的。建筑物结构在采动影响下的破坏程度，取决于建筑物结构承受开采引起附加应力和变形的能力。显然，要从定量上确定危险变形值是非常困难的，由于不同地区的建筑物结构和使用材料都是多种多样，施工的工艺和用途也不相同，故目前解决这个问题也只能是近似的。根据我国在建筑物下开采的经验，于1958年8月，煤炭工业部颁发的关于建筑物、水体、铁路及其主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中，将砖石结构建筑物的破坏等级共划分为四级：表3-1 砖混结构建筑物的破坏等级破坏等级建筑物可能达到的破坏程度地表变形值处理方式斜率曲率水平变形I自然间砖墙上出现14mm宽的裂缝。不修自然间砖墙上出现宽度小于4mm的裂缝，多条裂缝总宽度小于10mm。简单维修自然间砖墙上出现415mm宽的裂缝，多条裂缝总宽度小于30mm；钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/3截而高度；梁端抽出小于20mm；砖柱上出现水平裂缝，缝长大于1/2截面边长，门窗略有歪斜小修自然间砖墙上出现1630mm宽的裂缝，多条裂缝总宽度小于50mm；钢筋混凝土梁、柱上裂缝长度小于1/2截面高度；梁端抽出小于50mm；砖柱上出现小于5mm的水平错动；门窗严重变形大修自然间砖墙上出现宽度大于30mm的裂缝，多条裂缝总宽度大于50mm；梁端抽出小于60mm； 砖柱上出现小于25mm的水平错动大修自然间砖墙上出现严重交叉裂缝、上下贯通裂缝，以及墙体严重外鼓、歪斜；钢筋混凝土梁、柱裂缝沿截面贯通；梁端抽出大于60mm；砖柱出现大于25mm的水平错动；严重者有倒塌危险重建或拆除3.2 地面建筑物的防护与治理措施3.2.1迁村建房在沉陷稳定或基本稳定地区，迁村建房是节约土地的有效途径。首先应根据地下开采时间、开采方法、开采深度、煤层采厚、覆岩岩性、地面建筑荷载等进行地表残余变形预测和地基稳定性评价，在沉陷积水区应回填垫高，强夯密实地基，对建筑物可采用适当的抗采动措施。3.2.2建抗变形结构新村当煤层开采厚度较大，预计开采后地表产生很大变形，房屋将达到级以上破坏，村庄搬迁困难，可采用就地原址重建抗变形结构的新村。“八五”期间，唐山分院承担了煤炭部的重点科研项目“高潜水位大户群不搬迁村庄下采煤技术”，在徐州高潜水位矿区采用矸石垫高原村址，分层振压和一次强夯密实地基，将抗采动与抗震相结合，采用带肋钢筋砼梁式浅基础，设计建造新型农房。阳泉矿务局和煤科院、中国矿业大学等单位合作进行的抗变形结构房屋的现场试验和相应的理论分析研究为在矿区建抗变形结构村庄提供了实践经验和理论依据。就地或异地建抗变形结构新村，在一定条件下是解决村庄下压煤开采的较好方法。其适用条件是：（1）开采后新村址区域不会形成积水区；（2）抗变形结构房屋可以保障农民及其财产的安全，但在开采过程中和开采后总会给农民的生活、生产及精神上带来一些不便或扰动，对此，应征得农民的认同；（3）企业能够承担一次性较大的投资；（4）保证抗变形结构房屋的建设和加固工程质量。抗变形结构新村是解决村下压煤开采的一种较好方法，但在目前市场经济条件下，在部分煤矿企业亏损条件下，此方法的实现又遇到了一定的困难。3.2.3原有建筑物的加固与维修对于大多数矿区而言，在地下煤层尚未开采以前就存在着大量的建（构）筑物，这些建（构)）筑物在煤层开采以后势必会受到地表移动和变形的影响，有时会影响其正常使用。对这类可能产生破坏的建（构）筑物所采取的措施可以在开采前预加固或开采后维修加固。采用加固措施时，应遵循以下基本原则：（1）当预计建筑物受到级破坏时，一般只需要采取简单加固保护措施，如挖补偿沟、设置钢拉杆、钢筋混凝土圈梁，对长建筑物增设变形缝等。（2）当预计建筑物受到级破坏时，应采取中等加固保护措施，即除上述简单加固措施外，还应增设基础应力梁（包括纵、横向梁及斜梁）、钢筋混凝土柱等。此外，还可采取一定的开采技术措施，以减轻开采对建筑物的危害。（3）当预计建筑物受到W级破坏时，应采取专门加固保护措施，即除上述中等加固保护措施外，还应增设基础应力板等。同时，应采取旨在减小地表移动和变形的开采技术措施。（4）在技术和施工条件许可时，建筑物或构筑物应尽量选用静定结构体系，并采用柔性大的轻质屋面材料，房屋基础部位设置滑动层。由于房屋与井下采空区相对位置不同，其所遭受的破坏形式也不同，因此形成了不同类形的地面建筑物保护措施。对于新建房屋可以采用：1）柔性设计：其中包括设置变形缝、弹簧垫、滑动层和缓冲间，地基变形补偿沟，以此减少水平变形和曲率变形所造成的房屋破坏。2）刚性设计：其中包括钢筋混凝土基础圈梁、檐口圈梁、构造柱、混凝土窗框等，提高建筑物空间刚度和整体性。3）基础加固：其中包括5层以下砖混结构房屋用条形基础，地基条件不太好的（弱软地基）用筏基（带混凝土底板），高层（10层以上）用箱基、桩基。 对于已建房屋可以采用：1）房屋变形调整，如顶升法、掏沙迫降法等。2）房屋加固修复。3）整移预制房，可抗下沉、水平变形。3.2.4地面疏水、建村、种养综合治理在高潜水位矿区，开采之前，依据地表沉陷变形预计，统一规划设计疏排水、挖土垫高、建村、水产养殖、耕种的总体方案，将村庄下采煤与沉陷地的复垦治理和利用结合起来。建立新型高效多种类的现代化立体农业区。3.3减小地表移动变形的采矿措施3.3.1条带法开采（1）概述条带开采方法属于部分采矿法，也叫压矿采矿法，是控制地表移动、变形和覆岩破坏的一种有效措施。该方法的实质是将开采煤层按一定的尺寸划分成比较正规的条带状，采一条，留一条，用留设部分的条带煤柱来支撑煤层的上覆岩层，改变全垮落开采而造成的覆岩破坏形态，控制冒落、裂隙带的发育，从fu减少由十开采引起的地表移动和变形，减少由此而造成的地面房屋等建筑物的损坏，特别是在高潜水位条件下，可避免村庄被淹，采后不需要大量资金维修房屋和环境整治。实践表明，条带开采的顶板下沉系数一般为0.020.3。开采空间的尺寸以地表不出现波浪下沉盆地、采出率一般为40%60%，留设煤柱有足够的稳定性为准。但条带开采有回采率低、掘进率高等缺陷。（2）适用条件条带开采法最大的问题是掘进工程量大，资源回收率低、生产管理复杂，但是在一些特定的条件下是可以采用的:如地面建筑物密集、建筑物结构复杂、重要和敏感以及有纪念性的建筑物、铁路隧道等，由于技术上经济上的原因不适于用建筑物加固或充填法开采时，以及即使采用水平分层和水砂充填还不能使地表变形控制在允许的范围之内时;或为了解决采动后排水困难等;矿层数少，厚度比较稳定，断层少；邻近采区的开采不至于破坏留设矿柱的完整性等。（3）条带开采的类型按顶板管理方法不同，条带开采有冒落条带开采和充填条带开采两种情况。按工作面的布置方式不同，条带开采则有走向条带开采和倾向条带开采两种情况。按采留比是否固定，可分为定采留比条采和变采留比条采。在开采单一煤层和煤层倾角较小（例如）时，对顶板管理方法或是工作面布置方式都没有特殊要求，而在开采多煤层和煤层倾角较大的情况下，则要考虑煤层倾角大而引起煤柱失稳的问题。煤层倾角较大时，条带一般应沿倾向布置，而在采用机械化开采时，则以沿走向布置为佳。在分层开采厚煤层时，冒落条带仍可由上而下进行，充填条带则应由下而上进行。在开采煤层群的情况下，如果煤层间距大于下层煤的“两带”高度，对条带布置和开采顺序无特殊要求;当煤层间距小或接近于“两带”高度时，则要求先采下层，由下而上地逐层进行，并要求各煤层中的煤柱按法线方向对齐，以减少对其产生的有害采动影响。1）冒落条采该法是将条带开采的采出部分的顶板冒落下来，使岩块充填采空区，以便控制顶板的继续垮落。由于顶板的垮落，等十相应增加了矿柱的高度，即增加了压缩量值，使下沉系数增加。冒落条采下沉系数一般在0.060.16之间，要比充填条采的大。但因为不充填，使得工艺简单，成本低，所以冒落条采应用较为普遍，只要直接顶易于冒落，且有足够的厚度情况下就可以应用此法。2）充填条采即指条带开采的采出部分用充填法管理顶板。充填又有水砂充填、风力研石充填、粉煤灰充填、研石自溜充填等类型。充填的目的不止是支撑顶板，更主要是增加矿柱的稳定性，使矿柱处于三向受力状态，以减少和防止矿柱两帮的片落和破坏。充填条采的下沉系数很小，一般在0.050.1之间，能有效地控制地表的变形。对于那些特别敏感重要的建筑物，或开采深度较小，矿层较厚时较为适用。另外，如果矿层直接顶顶板坚硬不易垮落或直接顶易于冒落，但很薄，冒落后不能充填采空区时，都可以由十矿柱侧壁暴露不断片落而被压垮，这时也应采用充填条带开采。但充填的工艺复杂，成本高，在条件适宜时应采用冒落条带法。3）走向条采沿矿层倾斜方向划分条带，条带矿柱沿走向方向留设，采矿工作面沿走向推进。由十矿柱不能太大，所以走向条采是短工作面。走向条采一般用于矿层倾角小的缓倾斜矿层，倾角大了，矿柱就不稳定了。4）倾向条采沿矿层走向方向划分条带，条带矿柱沿倾斜方向留设，采矿工作面沿倾向推进。此法用于倾角较大的条件下，且工作面较长，生产能力大，但由于走向短，工作面搬家频繁。5）定采留比条采在一个采区内采留比固定不变的，叫定采留比条采。它适用于采区地质条件比较简单的地段。在多煤层、厚煤层开采时必须采用定采留比，否则保证不了稳定性。定采留比的条带布置要求严格。6）变采留比条采在一个采区内采留比不固定，根据需要而变化的，叫变采留比条采。在地质条件变化较大的地段，变采留比有一定的优越性。变采留比的条带布置比较灵活，适用于单一煤层。（3）条带开采的特点与要求条带开采引起的地表移动与变形规律与全采相似，但根据现场试采的经验，条带开采具有以下特点：1）引起的地表移动变形值小。2）覆岩的破坏特征与全采有明显不同。3）由于条采引起的矿山压力较小，所以对底板岩层的破坏较轻，对防止底板突水有利。4）条带采矿法不能与房柱式或刀柱式采矿法混为一谈，房柱式或刀柱式采矿法主要是为了管理难十冒落的坚硬顶板，保证开采时作业安全的，而条采是为了减少地面移动与变形，用来保护地面客体的。因此，对十条带矿柱的留设有严格的要求和设计计算方法。5）条带开采时总的移动时间短。（4）条带矿柱的要求为了使地表不出现波浪式下沉盆地，就必须要使矿柱的留设合理，既不被压坏，又能尽量提高回收率。1）保留的条带矿柱应有足够的强度和稳定性，这样才能有效地支撑上覆岩层。2）采空区处理方法与采深的关系。当用充填法管理顶板时，矿柱将处于三向受力状态，使矿柱的抗压强度提高，稳定性增强。当用垮落法管理顶板时，如果顶板软弱易冒落，填满采出空间，矿柱的受力状态将与充填法相似，也是稳定的；如果顶板坚硬，不容易冒落，则只能视为单向受力状态。在单向受力状态下，采出率低，采深以不超过400m为宜。3）近距离矿层上下层矿柱的对齐问题。在采用条采方法开采近距离煤层群时，考虑层间移动角的影响，下层矿层的留宽要比上层矿层的留宽大一些 以保证各层保留矿柱都有足够的强度和稳定性。同时，上下层的保留煤柱都要对齐。4）尽量不在条带矿柱中穿切巷道。当采用倾斜条带开采时，现场为了工作面搬家时运送设备材料的方便，往往在倾斜条带矿柱的中部开一个联络眼，只要巷道做的不太大，即不挑顶卧底，并加强支护，也是可以的。 5）留宽及采宽的确定。条带开采的采宽和留宽必须适应采深、岩煤层力学性质及其厚度的要求，又要考虑回采率。采宽过大，地表容易出现局部下沉盆地；留宽过小，支撑能力不够，煤柱失稳后引起岩层和地表下沉变形增加。其具体计算方法可以见相关文章。3.3.2协调开采协调开采就是在数个矿层或厚矿层分层开采或同一矿层数个工作面开采时，用合理设计工作面之间的距离、相互位置及开采顺序的方法，使开采一个矿层（工作面）所产生的地表变形和开采另一个矿层（工作面）所产生的地表变形互相抵消的原理，来减小开采对地表的影响。我国于1983-1984年在峰峰矿务局辛寺庄下组织了7个工作面进行联合开采，高峰期同时开采的工作面为3个。90年代中期，在充州矿区北宿煤矿，采用双拉工作面采出了吴官庄村下压煤。协调开采的具体方法有：（1）数个矿层的协调开采。对两个矿层进行协调开采时，是通过两个工作面错开一定距离的方式，使开采一个矿层所产生的拉伸变形区（正曲率区）落在另一个矿层所产生的压缩变形区(负曲率区)内，两种变形尽量抵消一部分。（2）数个分层的协调开采。两个分层开采时，通过两个工作面错开一定的距离，使得开采所产生的变形抵消一部分。（3）改变开采顺序的协调开采。改变各矿层各工作面的先后开采顺序也可以达到协调开采的目的。如开滦唐家庄矿在铁路桥下开采时，依正常的开采顺序是从上山往下山方向推进，但这将使桥梁先往上山方向移动，后往下山方向移动，使桥梁变形较大。后来改变了开采顺序，先采桥梁下方的工作面，然后同时开采桥梁两侧的工作面，从而使桥梁的横向移动量减小，起到了保护桥梁的作用。图3-1 两个煤层的协调开采图3-2 两个分层的协调开采图3-3 改变开采顺序的协调开采3.3.3部分开采法（1）房柱式开采房柱式开采是在煤层内开掘一系列宽为57m的煤房，煤房间用联络巷相连形成近似于长方形的煤柱。煤柱可根据条件留下不采或在煤房采完后，将煤柱按一定要求采出，剩余的煤柱用于支撑顶板。（2）减厚开采1）单一中厚矿层开采时，可不必一次采全厚，适当减小一些采高；2）厚矿层分层开采时，可少采一至二个分层；3）临近层开采时，可少采一至二层矿质差或较难开采的矿层。（3）巷道穿采枣庄泉上煤矿采用巷道穿采法回收工业广场与生活区煤柱，地表仅微量均匀下沉，且经济效益可观。其具体施工方法是根据工业广场煤柱井上下对照关系，将工业广场煤柱划分为4个块段，穿采时以一条主巷道贯穿每块段中部并掘至块段边界，由边界向里10m布置穿采巷道，采用一梁二柱支护顶板，宽度2.4 m ，煤柱宽7.6 m，穿采巷道两帮每间隔10m打一深3m、宽2.4 m的导硐，左右两帮交替错开，避免四叉门，防止冒顶。一条巷道施工到位后，撤棚由里向外逐步进行，待撤棚结束后对该巷道进行封堵。穿掘巷道走向与建筑物长轴方向保持一致，巷道与老采空区留有不小于6m的防水煤柱。穿采导硐法，便十施工通风，减沉效果显著，对十埋深较浅、煤层较厚、又不适于条带开采的建筑物下煤柱可推广使用。3.3.4间歇开采（1）分层间歇开采当开采厚矿层时，采完一个分层后，待地表移动基本稳定后再采另一分层，可以减小地表动态变形。同时，分层间歇开采还可以明显地降低地表下沉速度。（2）长走向小阶段间歇开采当开采急倾斜矿层时，应用长走向小阶段间歇开采是减小覆岩破坏和地表变形的一种有效的开采措施。此法一般是把一个阶段（如垂高100m），分成34个小阶段，其中第一、二个小阶段的垂高为1520m，第三、四个小阶段的垂高为2535m。相邻两个小阶段回采的间歇时间为34个月。3.3.5背向对称开采采用背向对称开采，即在受采动的建筑物正下方作开切眼，然后两个工作面向相反方向推进。这时建筑物一开始就处十下沉盆地中央的压缩变形和负曲率区内， 地表不出现正曲率和拉伸变形，仅受动态的负曲率和水平压缩变形影响，该处地表的倾斜值亦较小，但地表点的下沉速度比单翼开采时约大一倍。故对那些能承受压缩变形而对下沉速度不敏感，对倾斜敏感的建筑物可以应用该方法，消除始采边界上的永久变形，如在高炉、烟囱、高压电塔下开采时应用背向开采效果较好。图3-4 背向对称开采3.3.6其它开采措施（1）合理设计矿柱宽度井下开采时，如必须留设矿柱，应使矿柱的尺寸合理，以免造成地表变形的迭加。（2）提高开采速度提高开采速度可减少地表建筑物受影响的时间以及减小移动过程中的地表变形值。但提高开采速度，将使地表的下沉速度也增大。（3）干净回采井下采矿时，如果在采空区内残留部分矿柱，将造成地表下沉盆地出现局部起伏，加大了地表变形，对保护建筑物是不利的。尤其是在建筑物下方开采浅部矿层时，残留矿柱的危害更大，所以在一般情况下，应不留矿柱，实行干净回采。同时工作面要连续推进，不停顿，因为在停顿时也要形成停顿时期的“开采边界”。3.4减缓地表移动变形的充填措施3.4.1采空区充填法开采采空区充填法是在煤炭开采过程中，向工作面后方采空区内充填矸石、水砂或粉煤灰等充填材料，在采空区顶板未冒落下来之前将其充满，以支撑上覆岩层的顶板管理办法。采空区充填法按充填方式不同可分为以下几种：（1）水砂充填充填材料主要是河砂、山砂、工业废渣、矸石、电厂粉煤灰等，以河砂、山砂为最优。（2）水力矸石充填用矸石作充填材料，由于矸石来源广，加工容易，故其适用性大。取决于矸石的岩性组成，其地表下沉系数为0.2-0.3。（3）风力充填充填材料主要为井下矸石、河砂、山砂和洗矸，粒度要求一般小于60mm，含泥量为15% 20%以下。我国已能自行设计制造风力充填机，并实地试验成功。最新的风力充填机，其充填能力可达250 m3/ h以上，能够满足机械化长壁工作面产量要求。（4）自溜充填利用填料自重进行充填，适用于倾斜和急倾斜煤层条件，充填材料为井下矸石、山砂和碎石等，对材料粒度要求不严格。（5）膏体充填将膏状浆液充填到工作面后方冒落的碎石空隙中，与其胶结研石骨架形成具有一定强度的支撑体，支撑上覆岩层载荷，从而减少覆岩的进一步弯沉和变形。4村庄下煤矿开采方案的优化模型4.1建立优化模型的总体思路村庄下开采的研究涉及面广，技术性强，开采方案较多，情况复杂，因此需建立一个适用于村庄下压煤开采方案选择的优化模型，针对不同矿区的实际情况，可从中选出适合的方案进行村庄下开采，这样，既便于研究，又有利于生产。进行村庄下开采，建立其开采方案选择的优化模型，应遵循以下两个原则：（1）技术上可行 一个开采方案的提出，必须首先是在技术上可行的。所以，要根据资源的自然条件、技术装备水平及科技发展现状等提出技术上可行的开采方案。开采方案的设计和提出应按照以下步骤进行：1）收集必要的技术资料和工程图纸：技术资料a.地质开采技术条件：包括煤层的层数、层间距、厚度、倾角、埋藏深度、压煤量、上覆岩层性质、地质构造、地下潜水位、现有的开采方法、巷道布置、生产系统及邻区开采情况；b.建筑物概况：包括建筑物的数量、体型、面积、长度、宽度、高度、层数、结构类型、基础形式及其埋置深度，松散层的厚度和地基土壤的地质及水文地质参数；建筑时间和现有状况，使用要求，周围地形情况；建筑物原设计的有关资料；c.主要管线和重要设备的技术特征、技术要求及其支撑或基础埋置方式；d.有关的地表移动参数，老采区活化的可能性及其对地表和建筑物的影响。工程图纸a.井上、下对照图：应包括地形和煤层底板等高线、地质构造、邻近工作面位置及建筑物平面布置；b.地质剖面图和钻孔柱状图：应标明地面标高，建筑物位置，煤层的层数、厚度、层间距、埋藏深度、倾角和地质构造等；c.建筑物的施工图（或竣工图）：应包括平面图、立面图、剖面图、主要承重构件（梁、柱、屋架、楼板、基础等）的支座联接方式，断面尺寸和配件，管线接头构造及重要设备基础等。2）论述建筑物的特征及其压煤开采的必要性、可能性和安全可靠性。3）借助成型的理论和应用软件，对所要开采的矿（采）区进行地表变形与破坏预计，确定建筑物可能达到的破坏等级。4）根据所研究的内容选择适用的优化方法。5）提出实现该建筑物下开采要达到的目标，确定最优化准则。6）提出各种可能的技术方案，进行系统综合分析和初选。拟定出先进合理的技术方案是进行方案比较的前提。因此，首先应深入细致地研究方案，使初选方案在技术上优越、完整、切实可行。在进行比较前，需细致分析各方案的不同之处，详细编制比较项目，反复核对，避免遗漏。各种技术方案应说明开采范围，所选择的开采技术措施、采煤方法及顶板管理方法，对地表移动和变形的预计，对建筑物的影响程度，建筑物的加固和保护措施等。（2）经济上最优如前所述，在确定开采方案时，必须全面研究技术和经济的合理性。在技术合理的数个方案中，经济指标是决定取舍的重要依据。考虑到货币的时间价值，应对各方案进行动态的经济评价。通过所建立的经济数学模型，对技术上可行的各方案进行经济比较，从而选出较优方案。经济比较时应注意：1）正确选用各项原始计算数据，各项费用参数要适合被比较的自然和技术条件，尽可能使方案比较的数字和结果符合客观实际。2）进行经济比较时，主要比较项目的费用，对费用相同的项目可不进行比较，对影响不大、差别很小的费用项目也可不进行比较。3）由于计算时忽略了一些项目，原始数据的准确性及费用参数的精确性都会有一定的差异，所以经济比较的数字相差在10%以内时，以相等方案考虑。有些项目虽然相差在10%以内，但差值的绝对额很大，也不能忽略，此时应以差值额作为对比的标准。4.2优化方法的选择4.2.1建立模型的优化方法本文所要研究的村庄下开采，是由许多子系统构成的比较复杂的母系统，开采方案众多，由于影响最优方案的因素中有许多定性指标，且定量指标难于统一，要想在这大量的方案中选优，则应该选择一种适用性广、综合性强的优化方法。由第二章的内容可知，系统综合分析法解决问题的范围广、程度高，从定性分析到定量分析，能进行系统的、全面的最优决策，是系统决策的最有效的科学方法，所以本文采用系统综合分析法进行开采方案的优化选择。系统综合分析法的原理、优点及适用条件在第二章中已经介绍过，进行综合分析时，还应注意以下几项准则：（1）外部条件与内部条件相结合。作为一个系统，不仅有系统内部诸因素的作用，而且必然受到外部条件的制约，进行系统综合分析时，应将内外部各种因素结合起来考虑。（2）局部利益与整体利益相结合。一个母系统是由许多子系统组成的，在通常情况下，每个子系统的效益最佳，母系统的效益也是最佳的。但有时子系统是经济的，而母系统则不经济。因此，选择方案时，必须将局部效益和整体效益结合起来，且应更加重视整体效益的最优化。（3）定量分析与定性分析相结合定量分析在系统分析中是必不可少的阶段和过程。因此，要建立数学模型，使其结构化、公式化、货币化，以求得定量参数的最优值。但在实际工作中，有不少因素是无法或难以用数量来表达的，这些因素只能根据经验统计分析和直观判断来解决。作为系统分析，就不仅要进行定量分析，而且要进行定性分析，一般情况下，先进行定性分析，然后进行定量分析，最后将两者结合起来进行综合分析。（4）当前利益与长远利益相结合选择一个好的方案，不仅应该从当前利益出发，而且还要考虑到长远的利益。如果发生矛屑时，必须将两者结合起来考虑，且以长远利益为主。4.2.2经济评价方法（1）效益一一费用分析法本文采用效益一费用分析法，即采与不采对比法对村庄下采煤进行经济评价，该评价方法的优点是采用增量分析的思想，运用技术经济评价的思路，以评价时日为基点，只考虑时点以后发生的现金流量，将以往的投入作为沉没成本，即不考虑过去决策对资源经济效益的影响（开采新煤炭资源的净收益）。这种评价方法的基本公式为： （4-1） （4-2） （4-3） （4-4） （4-5）式中：某被评价煤炭资源的净收益，万元；第t年因开采该煤炭资源引起的收益，万元；第t年因开采该煤炭资源引起地表建筑物破坏赔偿费用，万元；该煤炭资源的开采年份；该煤炭资源预计开采年限；贴现率；吨煤利润，元；第t年煤炭产量，t；第t年因开采该资源支付的村庄搬迁费，万元；第t年因开采该资源支付的房屋补偿费，万元；搬迁费用基数，各地有所不同，元；物价上涨指数，为常量，且因地制宜；搬迁人数；该房屋的造价，元；建筑物折旧率；建筑物的赔偿比率；损坏房屋数量，户；损坏房屋总数，户；（2）对房屋补偿费的说明：因采煤而受损坏的房屋，按其损坏程度支付补偿费，对于拆迁的房屋，按其原有结构类型和建筑物面积大小支付补偿费（需要补充的主要建筑材料的购买及运输费用包括在补偿费之内）。1）砖石结构建筑物补偿比率见表41。2）房屋折旧系数，目前采用的农村房屋折旧系数见表42。表4-1 砖石结构建筑物补偿比率损坏等级损坏分类处理方式补偿比率/%I极轻微损坏粉刷轻微损坏简单修理轻度损坏小修中度损坏中修严重损坏大修极严重损坏拆建表4-2 农村房屋折旧系数建筑年限（a）折旧率（%）（3）经济评价方法的改进与完善建筑物下采煤的经济评价方法应该在以下几个方面进行改进与完善：1）在进行“三下”采煤经济评价时必须合理考虑煤炭资源资产的价值。由于开采优等资源比开采劣等资源可获得更大的级差收益，这也是促使一些开采企业在经济利益的驱动下，“采肥弃贫”的重要原因，因此在进行经济评价过程中应将煤炭资源资产的价值作为投入，以减少开采优等资源与开采劣等资源间的收益差别，促进其充分利用资源、提高资源的采出率。2）在进行“三下”采煤经济评价时还必须合理考虑开采企业的经济效益，选用合理的矿产品价格。由于我国的一部分矿产品的价格远远低于根据劣等资源的边际生产成本确定的理论价格，这一方面是由于发达国家采取的资源低价政策，致使国际市场上一些煤炭产品的价格普遍偏低；另一方面则是因为我国的煤炭生产企业机械化程度低、劳动生产率低下，致使煤炭生产成本高于世界平均水平，这样即使在技术经济评价时均采用国际市场价格，仍有可能存在一部分劣等资源因开采效益低下而不予回采的状况。面对这些实际情况，我们认为可以暂时采用上述理论价格进行经济评价，而在向矿产开采企业征收资源价值时按当前的实际销售价格计算的方法，以避免国有资源资产的流失；同时又可不损害开采企业的积极性。3）在进行建筑物下采煤经济评价时必须选用合理的贴现率。一般情况下我们选用的均为社会平均贴现率，然而由于煤炭产品的价格偏低，其行业平均利润率远远低于社会平均利润率，据相关部门对一些煤炭企业的统计，其平均资金利润率仅为2%左右，比我们通常在经济评价时采用的10%相差5倍，此时若仍采用社会平均贴现率就夸大了煤炭企业的盈利水平，不利于煤炭资源保护。4.3模型的建立由上一节的内容可知，本文选用系统综合分析法来选择开采方案，根据系统综合分析法的步骤，建立优化模型。（1）收集原始资料，制定最优化准则；原始资料包括矿（采）区地质资料、技术资料和经济资料，收集到这些资料后，对其进行研究和加工处理，并最为原始数据存储起来，以备计算时调用。同时应根据地质条件、技术水平及经济条件等因素提出目标函数，制定最优化准则。评价建筑物下开采的最优化准则如下：1）开采资源所带来的利润高；2）煤炭损失少，采区回采率高；3）对地表建筑物的影响程度小；4）有利于采区接替，采区服务年限长；5）采区系统安全、可靠。（2）系统综合；在此阶段对可应用于村庄下开采的开采方法、顶板管理方式等进行系统综合，且应尽量详细。（3）系统分析和初选；系统分析是解决大系统的必要步骤，通过资源的原始条件等客观约束对所有可能方案进行定性分析，辅以简单的定量判断，减少无实用价值的方案，即剔除一些在技术上不可行的方案。（4）系统评价系统评价阶段主要进行定量分析，按照主要目标选择方案。对村庄下开采来讲，因开采所带来的利润是第一位的，所以由4.2.2中的公式4-1，可得建筑物下开采的经济数学模型如下： （4-6）其约束条件为：式中各符号的意义如前所述。（5）多目标综合评价；1）确定各项目标的“权”值；“权”值采用专家评议法确定，按10分制评分法确定。其所用公式为： （4-7）式中：，；或 （4-8）2）确定各项目标的指标额；纯利润值；煤炭采出率； 区服务年限； （4-9）式中：采区服务年限，a； 采区实际可采储量，万t；采区设计生产能力，万t/a。对建筑物的影响程度。3）不同因次指标的无量纲化将不同因次的指标无量纲标准化，利用各项指标与标准值的相对偏差作为无量纲化后的指标，其公式为： （4-10）式中：标准指标值， 或 ；指标的顺序；方案的序别。4）综合评价选择最优方案综合评价的目标函数为： （4-11） （4-12）式中：m项指标权值的平均值。4.4对模型的综合评价针对村庄下压煤开采，本文所建立的开采方案优化方法选择的模型，是在广泛调查研究、收集原始资料的基础上，对因开采而引起的地表破坏进行预计，通过制定的最优化准则，对所提出的不同破坏程度下开采方案进行系统分析，并将开采所带来的利润与对地表建筑物破坏赔偿费用进行经济对比，综合分析，选出最优方案。该模型具有较强的针对性、适用性和规范性，为进行村庄下开采的技术研究提供了很好的理论依据，同时也能对已有的方法、方案进行检验，从而解决了村庄下开采方案选择较为困难的问题。5 对模型应用的程序和方法说明5.1建筑物下开采的依据和可行性条件理论研究与生产实践证明，进行建筑物下开采的依据和可行性条件是：（1）建筑物的允许变形值大于地表静态变形值，即固定开采边界上方的地表变形值对建筑物不产生有害影响。（2）建筑物的允许变形值小于地表静态变形值，但大于地表动态变形值，即移动开采边界上方的地表变形值对建筑物不产生有害影响。（3）采取开采措施以减小地表变形值，使其达到上述两个条件的要求。（4）采取建筑物加固措施以提高其抗变形能力，使其允许变形值大于地表动态、静态变形值。（5）建筑物允许变形值接近于地表动态、静态变形值，采后有可能对建筑物进行维修。5.2选择开采方法的技术原则进行建筑物下开采，采煤方法的选择是否合理，直接影响整个矿井的生产安全和各项技术经济指标。选择采煤方法应当结合具体的矿山地质和技术条件，所选择的采煤方法必须符合安全、经济、煤炭采出率高的基本原则。安全生产是煤矿企业一项重要的任务，应当充分利用先进技术和提高科学管理水平，以保证井下生产安全，不断改善劳动条件。对于建筑物下开采，除考虑一般的技术因素外，还应考虑以下技术原则：（1）采动影响的特征与程度；根据采动影响的理论研究成果，采动影响的主要特征是地表移动与变形，对建筑物下开采主要考虑地表移动与变形的特征与程度，在采深较小及开采急倾斜煤层时，有时应考虑“上三带”的特征与程度。（2）保护标准与要求；对建筑物下开采，应考虑是否允许采前拆旧房建抗变形房屋或采后对建筑物进行维修加固等。（3）经济效果是评价采煤方法好坏的重要依据。选择采煤方法不仅要列出各种方案进行技术分析，而且要在经济效益上进行比较，选择经济上最优的方案。（4）减少煤炭损失，提高煤炭采出率，充分利用煤炭资源，是煤炭企业的一项重要技术政策，同时也是防止煤的自燃、减少井下火灾、保持和延长采区及矿井开采期限的重要措施。但有的时候为减小采动影响，实现“三上一下”采煤，需要采取降低回采率的开采措施。5.3采煤方法选择的影响因素（1）地质因素直接影响采煤方法选择的主要地质影响因素有以下几个方面：1）煤层倾角煤层倾角是影响采煤方法选择的重要因素。倾角的变化不仅直接影响到工作面的落煤方法、运煤方式、采场支护和采空区处理等的选择，而且也直接影响到巷道布置、运输、通风及采煤方法各种参数的确定。2）煤层厚度煤层厚度的变化也是影响采煤方法选择的重要因素。薄及中厚煤层通常为一次采全厚，厚及特厚煤层可采用整层或分层开采的方法。此外，煤层厚度也影响到采空区处理方法的选择，如煤层厚度特别大，易自燃，可考虑采用充填采空区的处理方法。3）煤层及围岩的特征煤层的软硬及其结构特征（含火石的情况等）、围岩的稳定性等，都直接影响到采煤机械、工艺和采空区处理方法的选择以及巷道布置及维护方法。4）煤层的地质构造情况煤层的地质构造不同，所选择的采煤方法也不同。如埋藏条件稳定的煤层有利于采用综采；埋藏条件不稳定，煤层构造较复杂宜采用普采；多走向断层时宜采用走向长壁；多倾斜断层时宜采用倾斜长壁。因此，在选择采煤方法前，应当充分掌握开采范围内的地质构造情况，以便正确地选择相应的采煤方法。5）煤层的含水性、瓦斯涌出量及煤的自燃情况煤层及围岩含水量大时，需要在采煤之前预先疏干，或在采煤过程中布置排水及疏水系统。煤层含瓦斯量大时，要布置预抽瓦斯的巷道，同时，工作面通风应采取一定的措施。煤层的自燃性及发火期，直接影响巷道布置、维护和工作面推进方向，决定着是否需要采取防火灌浆措施或选用充填采煤法。所以，在选择采煤方法时，均应当充分考虑这些因素。（2）技术因素：1）技术发展及装备水平选择采煤方法时，应考虑不同的技术及装备水平要与矿井的各环节相适应，并留有发展的余地。2）顶板管理及支护顶板管理及支护技术的发展也影响到采煤方法的选择，如采用全部垮落法、充填法管理顶板，已替代了传统的刀柱式采煤法等。（3）经济与管理因素1）矿井的经济效益矿井的经济效益是选择采煤方法的重要因素。现代化的采煤设备要依靠资金的投入，同时要深入研究投入与产出的关系，正确选择采煤方法，是提高矿井效益的前提。2）设备供应、配件供应的保障系统及能力选择采煤方法时，应考虑设备供应、配件供应的保障系统及能力，以确保矿井得到持续发展。3）材料的供应情况如充填开采时，充填材料能就地取材，则可降低成本，有时成为选择采煤方法的一个重要因素。4）管理水平及职工素质对具体矿井，在管理水平较差的条件下，必须加强技术培训，尤其对一些难度较大的开采技术和工艺，经培训、条件成熟后再推广使用。5.4选择开采方法的程序开采方法选择的程序框图见图5-1。图5-1 开采方法选择程序框图5.5技术比较和经济评价根据所收集到的原始资料（如地质条件和建筑物概况等），对5.4中所列出的村庄下开采方法进行技术上分析，排除一些明显较差的方案。由于方案仍比较多，不能全部进入经济优化分析，因此，还应提出一些原则（如要求建筑物的破坏程度在级以内），从可行方案中进一步排除，选出有限个方案，通过所建立的经济数学模型对这些有限的可行方案进行经济分析与比较，即按主要目标得出较优方案。然后对所确定的各项指标值进行无量纲化，综合评价出技术上可行、经济上最佳的方案。6 艾友矿106采区村庄下开采方案优化利用所建立的优化模型，对阜矿集团的科研项目中艾友矿106采区开采方案进行优化研究。6.1艾友煤矿106采区地质采矿条件6.1.1采区位置、范围与邻区关系、井上下对照关系及勘探情况（1）采区位置、范围与邻区关系艾友矿隶属阜矿集团，位于阜新煤田内。106采区位于本井田东北，采区南部为国铁煤柱线，东部及北部为井田境界，西部为F18断层。南北长1200m，东西宽1100m，面积约1.45km2，本采区南部与101采区之间隔有国铁保护煤柱。（2）井上下对照关系采区上部地表南部为艾友矿及伊马矿工业广场，西部为伊马图乡艾友村和艾友矿北山住宅、伊马矿选煤厂以及农村中、小学，北部为伊马图乡山嘴村，东部为已报废的艾友矿一井和东露天（开采深度标高为+18m），以及村办小煤矿多处。地表标高+123.5-+166.4m，开采深度（以6煤层为例）为5801050m。（3）勘探钻孔情况本采区可采境界内利用钻孔17个，勘探密度11个/km2。6.1.2相邻采区（101采区）地质、水文地质情况概述（1）地质概况101采区在本采区南部，由国铁煤柱相隔。101采区下山区由于受冲刷带影响，地质构造复杂，断层和褶曲较多。除此之外其它区域煤层平稳变化不大，但小断层较多，断层特征：均为倾向正断层。断层走向有一定的变化，尤其在断层末端断层走向向下盘偏转，如F25，FA3，FA4。断层比较隐蔽，只有接近断层面煤层产状才略有变化，所以一般很难从资料进行预测。（2）水文地质情况101采区上覆岩层多为泥岩隔水层，无含水层，因此采区涌水量很小，上山区工作面无明显涌水点，涌水量主要集中在采区上山，上山区涌水量为20m3/h。下山区正在施工，1415工作面运输顺槽顶板多处滴水。比上山区工作面涌水量增大，主要原因一是受岩墙影响，二是接近冲刷带，受冲刷带影响，下山区总涌水量10m3/h左右。6.1.3地质构造及煤层产状106采区西部以F18断层为界，因此受F18断层影响较大。F18断层产状：走向NE 20-30 0，倾向 NW，倾角45-60 0，落差230380m，水平错移1450m （ -800m）。本采区由241 、232、221、118和242钻孔控制，控制可靠。F18断层经勘探证实，绝非一个断层，而是一组阶梯式断层，断裂的破碎带较宽，达150m左右，破碎较为复杂。断裂带内的118号孔，因无岩煤芯钻进，经测井曲线解释，煤层均变质为天然焦。因此，F18断层由于断层落差大，继续时间长，对煤层有动力变质作用。本采区除F18断层以外，无其它大的地质构造，控制程度可靠，但小断层很难察觉。值得注意的是2号剖面附近有倾向小型褶曲，但不排除断层存在而影响的可能。本采区煤层产状：走向由南至北，NW 040 o，倾向NE，倾角一般8.512 o，NW局部倾角变大，最大15 o；F18断层附近受断层牵引倾角变小，最小5.5 o。6.1.4煤层及煤层顶、底板岩性本采区可采煤层10层，其中4, 6煤层全区发育，为主要可采煤层；其它可采煤层为零星可采煤层。所以，本采区的开采方案设计是针对这两层煤而进行的。（1）4煤层煤层厚度：0.83.2m，平均厚度2.2m,沿倾斜方向由上至下逐渐变薄，上部和下部一般有一层夹层，局部无夹石，每层夹石厚度一般在0.3m以下，只有228钻孔火石局部增厚，最大厚度0.99m，为细砂岩。顶板：伪顶为灰黑色炭质泥岩，靠国铁煤柱，向采区中部变薄尖灭，厚度00.59m，直接顶为泥岩和细砂岩，直接顶下部有少量细砂岩、泥岩和薄煤层互层。老顶为粉砂岩和泥岩。底板：细砂岩、炭质泥岩及粉砂岩。（2）6煤层厚度：0.83.25m，平均2.5m，有13层夹石，为泥岩和粉砂岩，全层夹石一般厚度为0.10.2m，局部最大厚度0.41m。顶板：伪顶为黑色岩质泥岩，厚度00.32m，直接顶为粉砂岩和细砂岩。底板：伪底为灰黑色泥岩00.4m，直接底为粉砂岩和细砂岩。6.1.5地表情况106采区地表处于阜新县和清河门区两个行政区范围内，有伊马图镇医院、中小学校、伊马矿选煤厂、机电厂等重要建筑及大范围的工业住宅区和乡村往宅区，还有村办小煤矿等。6.2艾友煤矿106采区开采方案设计6.2.1 106采区村庄下开采的可行性综上所述，106采区村庄下压煤开采的可行性为：煤层厚度：主要可采煤层4、6煤层厚度稳定，变化不大，满足开采要求。煤质：两层煤均属低灰、低硫的优质动力煤，虽含夹矸，但经过洗选，即能满足用户需要。水文地质：采区水文地质条件简单，大气降水少，无含水层，涌水量很小，适合开采。地质构造：本采区煤层起伏不大，除F18断层以外，无其它大的地质构造，控制程度可靠。储量：本采区4,、6煤层总储量共1083.916万t，煤量可观。鉴于本矿村庄下压煤的地质特点，结合上述分析可以得知，采取一些措施后，从压煤区采出煤炭是切实可行且安全可靠的。6.2.2开采方案设计说明开采方案的设计本着既能充分考虑最大限度减少资源的丢失、提高回收率，又能使受采动影响的建筑物损坏程度减小，从而降低煤矿赔偿、获得最高经济效益的原则选取最佳方案。针对艾友矿的实际地质条件，本设计可能提出的开采方案有：常规壁式开采、条带法开采、房柱式开采、间歇开采、协调开采、充填开采、离层注浆开采、迁村建房、建抗变形结构新村等，根据第五章中建立村庄下最优开采方案的程序，先从技术上对以上方法进行分析，迁村建房、重建抗变形结构房屋，初期投资大；离层带注浆法，要求具备形成离层带的条件；充填开采虽然能大大减缓了地表的移动与变形，但需要设置一套专门的充填设备和设施，成本较高，工艺复杂，并需要有足够的充填材料来源;大面积协调开采法，管理较困难，工艺较复杂；间歇开采的间隔时间过长且不具备分层开采条件；开采煤层为中厚煤层，若采用房柱式开采则煤炭损失较多，不能保证煤炭采出率高的目标；而选择开采方案一个很重要的条件是，矿井生产接续关系表明，开采106采区势在必行，一些方案由于需要时间长，影响矿井的正常生产，不能被采用。所以按照艾友矿为开采106采区提出的要求，现提出，106采区开采4煤层和6煤层，可采用全陷式开采方法和条带式开采方法。综合考虑实际开采条件和减沉要求，本设计共提出四种具体开采方案。第一方案，4煤层全采（按4煤层6412，6414开采后，每增加一个工作面进行预计至全部工作面开采），6煤层不采。开采煤层范围，4煤层开采厚度3m，煤层倾角为10 0，开采深度为7901050m。第二方案，4煤层全采，6煤层全采。开采煤层范围，合计开采厚度为6m，4煤层开采厚度3m，6煤层开采厚度3m，煤层倾角上、下层煤均为10 0。4煤层开采深度为7901050m， 6煤层开采深度为8101150m。第三方案，4煤层全采，6煤层条采。开采煤层范围，合计开采厚度为6m，4煤层开采厚度3m，6煤层开采厚度3m，煤层倾角上、下层煤均为100。4煤层开采深度为7901050m，6煤层开采深度为8101150m。第四方案，4煤层全采，6煤层局部条采、局部全采。开采煤层范围，合计开采厚度为6m，4层煤开采厚度3m，6煤层开采厚度3m，煤层倾角上、下层煤均为10 o。4层煤开采深度为7901050m，6煤层开采深度为8101150m。6.2.3地表下沉变形计算方法及计算参数选取在我国规程中，地下采煤引起的地表移动与变形计算主要采用的方法有典型曲线法、负指数函数法和概率积分法三种。通过阜新矿区清河门矿比较丰富的地表移动与变形观测数据，可以总结出适合该矿区特定地质采矿技术条件下的地表沉陷基本规律。依据国家煤炭工业管理局制定规程有关规定，在阜新矿区地表与岩层移动观测资料综合分析成果的基础上，采用类比方法，确定阜新矿区艾友煤矿106采区开采引起的地表移动与变形计算采用概率积分法进行预计，4煤层、6煤层开采后的地表移动与变形互相叠加，统一计算。概率积分法（即随机介质理论法）是几何理论法的进一步发展，它把开采引起岩层和地表移动过程看作是一种随机性事件，用概率论的观点建立起单元下沉盆地的积分来表示下沉曲线，其参数的选取是基于矿区实测资料的经验值。6.2.4地表变形及建筑物损坏程度和分布在各方案中，在影响范围内的总户数为3019户，各级损坏户数及比例如表61所示。表61 各方案中各级损坏户数及比例开采方案I级损坏户数比例（%）级损坏户数比例（%）级损坏户数比例（%）级损坏户数比例（%）第一方案24809027610第二方案55518173858621201054第三方案21407474926第四方案207669.88893060.26.2.5地表建筑物的损坏赔偿预算及处理意见（1）地表建筑物的损坏赔偿预算各开采方案的开采面积、开采煤量及利润如表62所示。因煤炭价格会随市场供需情况波动，不能对其进行精确预测，通过资料的收集整理，本文采用目前阜新地区平均吨煤利润，按500元/t计算。表62 开采方案的开采面积、开采煤量及利润开采方案开采面积（m2）开采煤量（t）利润（万元）第一方案12865105486743274337.15第二方案25415251083