CN105509708A - 一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定方法，包括如下步骤：步骤一、根据黄土沟壑区下煤层开采地面布设观测站测量的数据，初步计算该条件下煤层开采的下沉系数；步骤二、对坡体进行稳定性分析，并计算坡体稳定性给地表造成的下沉附加量；步骤三、结合地表实测数据和沟壑区坡体滑移产生的附加量，利用计算机反演模拟的方法，进一步确定地表下沉系数η。本发明方法步骤简单，实现方便，能够较为精确地确定黄土沟壑区地表下沉系数，使用效果好，便于推广使用。

Description

一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定方法

技术领域

本发明涉及煤层开采技术领域，具体涉及一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定方法。

背景技术

由于地表移动变形各个指标均与地表的最大下沉值有直接关系，且地表最大下沉值是由下沉系数决定，可见，地表下沉系数对准确地预计地表移动变形具有决定性的作用，因此，较为准确地确定地表下沉系数显得尤为重要。

目前，地表下沉系数的确定方法通常为地表观测的实际下沉值与煤层开采高度的比值，地表下沉系数为一定值，应用该方法在一般采矿地质条件下较为适用，但对于黄土沟壑区下煤层开采，地表下沉系数的确定按照上述计算方法，由于未考虑黄土沟壑区坡体自身的稳定性，将导致下沉系数增大，导致地表下沉预计误差较大；同时按照上述计算方法，地表下沉不是一个定值，计算的下沉系数随坡体的稳定性就不同，将产生较大的偏差，给现场进行地表沉陷预计带来不确定性。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定方法，该方法步骤简单，实现方便，能够较为精确地确定黄土沟壑区地表下沉系数，使用效果好，便于推广使用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定方法，包括如下步骤：

步骤一、根据黄土沟壑区下煤层开采地面布设观测站测量的数据，初步计算该条件下煤层开采的下沉系数：

式中：η₁为根据地表实际测量数据得出的地表下沉系数；w_实测为地表实际测量的地表最大下沉量，单位mm；m为煤层实际开采厚度，单位m；a为煤层的角度；

步骤二、对坡体进行稳定性分析，并计算坡体稳定性给地表造成的下沉附加量；

(1)坡体稳定性分析：

式中：G为坡体自身的稳定性判别系数；δ为坡体的角度；h为表土层的厚度，单位m；γ为土体的密度，单位kg/m³；C为土体的内聚力，单位Pa；为土体的内摩擦角；

(2)坡体滑移引起的下沉附加量：

Δw(x)＝G×sinδ(w(x)×sinδ+u(x)×cosδ)

式中：Δw(x)为沿坡体方向因坡体滑移引起的下沉附加量，单位mm；w(x)为沿坡体方向地表实际测量的最大下沉量，单位mm；u(x)为沿坡体方向地表实际测量的最大水平移动量，单位mm；其中，坡体自身稳定性判别系数和坡体滑移产生的附加量的计算，其关键步骤为：(1)需要准确地确定坡体自身的角度δ、表土层的厚度h、土体的密度γ、土体的内聚力C和土体的内摩擦角(2)需要准确地观测坡体上观测点的最大下沉值和水平移动值；

步骤三、结合地表实测数据和沟壑区坡体滑移产生的附加量，利用计算机反演模拟的方法，进一步确定地表下沉系数η；具体方法为：

S31、结合坡体自身稳定性判别系数和地表沿坡体方向实测的最大垂直移动量w(x)与水平移动量u(x)，计算出坡体滑移引起的地表下沉附加量Δw(x)；

S32、假设地表下沉系数η，则地表下沉系数表达式为：

此时地表的最大下沉值w_max为：

w_max＝m·η·cosa

S33、将求取的地表最大下沉值w_max代入地表下沉盆地预计公式进行计算机反演模拟计算，将计算求取的地表下沉值与该沟壑区地面观测点下沉值进行对比分析，反复步骤S31和步骤S32，直至计算机反演数值与地表观测数据相吻合为止，从而确定地表下沉系数η。

其中：所述步骤三的具体步骤为：

步骤101、初步确定地表下沉系数：在此基础上计算该工况下地表的最大下沉值：w_max＝m·η·cosa；

步骤102、根据公式进行全盆地的地表下沉值的预计，其中，j为计算开采单元的块段数目；k为计算开采每一块段的拐点数；q_h为使用计算的直角坐标系中x轴与通过计算点和拐点h连线间的夹角；R_k为极坐标半径，其表达式为：

$R_k=\frac{\left(x_k-x\right)\left(y_{k+1}-y_k\right)-\left(y_k-y\right)\left(x_{k+1}-x_k\right)}{\left(y_{k+1}-y_k\right)\cos q-\left(x_{k+1}-x_k\right)\sin q};$

步骤103、根据上述公式计算地表对应点的地表下沉值w(x，y)，结合坡体自身稳定性系数和地表的最大实测w(x)和u(x)数据，可计算出对应地表点的预计下沉量w_预计(x，y)，其具体计算表达式为：

w_预计(x，y)＝w(x，y)+Δw(x)；

步骤104、根据计算对应地表点的预计下沉量w_预计(x，y)与地表实测的下沉量w_实测(x，y)进行对比分析，反复上述步骤101、102和103过程，直到w_预计(x，y)与w_实测(x，y)相吻合为止，此时确定的地表下沉系数η则为黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数。

本发明具有以下有益效果：

通过在传统的计算方法基础上，充分考虑坡体自身的稳定性及坡体产生滑移的下沉附加量，使原来计算方法确定的下沉系数由一个动态变化值，转变成一个定值，实现了黄土沟壑区条件下地表下沉系数的唯一性，该方法步骤简单，实现方便，使用效果好，完善了目前确定地表下沉系数的方法，便于推广便用。

附图说明

图1为本发明实施例中一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定方法的流程图。

图2为本发明实施例中柠条塔煤矿N1114和N1206工作面斜交叠置开采地表移动变形观测站布置图。

图3为本发明实施例中N1114工作面与N1206工作面开采地表下沉等值线图(单位：mm)。

图4为本发明实施例中D观测线剖面图。

图5为本发明实施例中D观测线西侧坡体剖面图(局部)。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定方法，包括如下步骤：

步骤一、根据黄土沟壑区下煤层开采地面布设观测站测量的数据，初步计算该条件下煤层开采的下沉系数：

式中：η₁为根据地表实际测量数据得出的地表下沉系数；w_实测为地表实际测量的地表下沉量，单位mm；m为煤层实际开采厚度，单位m；a为煤层的角度；

步骤二、对坡体进行稳定性分析，并计算坡体稳定性给地表造成的下沉附加量；

(1)坡体稳定性分析：

式中：G为坡体自身的稳定性判别系数；δ为坡体的角度；h为表土层的厚度，单位m；γ为土体的密度，单位kg/m³；C为土体的内聚力，单位Pa；为土体的内摩擦角；

(2)坡体滑移引起的下沉附加量：

Δw(x)＝G×sinδ(w(x)×sinδ+u(x)×cosδ)

式中：Δw(x)为沿坡体方向因坡体滑移引起的下沉附加量，单位mm；w(x)为沿坡体方向地表实际测量的最大下沉量，单位mm；u(x)为沿坡体方向地表实际测量的最大水平移动量，单位mm；其中，坡体自身稳定性判别系数和坡体滑移产生的附加量的计算，其关键步骤为：(1)需要准确地确定坡体自身的角度δ、表土层的厚度h、土体的密度γ、土体的内聚力C和土体的内摩擦角(2)需要准确地观测坡体上观测点的最大下沉值和水平移动值；

步骤三、结合地表实测数据和沟壑区坡体滑移产生的附加量，利用计算机反演模拟的方法，进一步确定地表下沉系数η；具体方法为：

步骤101、初步确定地表下沉系数：在此基础上计算该工况下地表的最大下沉值：w_max＝m·η·cosa；

步骤102、根据公式进行全盆地的地表下沉值的预计，其中，j为计算开采单元的块段数目；k为计算开采每一块段的拐点数；q_h为使用计算的直角坐标系中x轴与通过计算点和拐点h连线间的夹角；R_k为极坐标半径，其表达式为：

$R_k=\frac{\left(x_k-x\right)\left(y_{k+1}-y_k\right)-\left(y_k-y\right)\left(x_{k+1}-x_k\right)}{\left(y_{k+1}-y_k\right)\cos q-\left(x_{k+1}-x_k\right)\sin q};$

步骤103、根据上述公式计算地表对应点的地表下沉值w(x，y)，结合坡体自身稳定性系数和地表实测w(x)和u(x)数据，可计算出对应地表点的预计下沉量w_预计(x，y)，其具体计算表达式为：

w_预计(x，y)＝w(x，y)+Δw(x)；

步骤104、根据计算对应地表点的预计下沉量w_预计(x，y)与地表实测的下沉量w_实测(x，y)进行对比分析，反复上述步骤101、102和103过程，直到w_预计(x，y)与w_实测(x，y)相吻合为止，此时确定的地表下沉系数η则为黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数。

实施例

下面以柠条塔煤矿N1114和N1206工作面斜交叠置开采后的地表下沉系数的确定为例，验证本发明地表下沉系数的确定方法产生的技术效果。

柠条塔煤矿N1114工作面开采煤层为1^-2号煤层，为近水平煤层，平均厚度1.85m，地质构造简单，平均埋深123m；N1206工作面开采煤层为2^-2号煤层，为近水平煤层，平均厚度5.9m，地质构造简单，平均埋深162m，地表观测站布置图如图2所示。

由于所布设的观测线的最大下沉值主要位于叠置区，在计算下沉系数时，需考虑N1114工作面和N1206工作面的相互影响，下沉系数计算分析如下：

①由测线布置及测点观测数据可知：C观测线的下沉可以看作是由N1114工作面的采动引起的，N1206工作面对C观测线影响较小，由于该处C20的最大下沉值为1168mm，采高为1.85m(近水平煤层，倾角取α＝0°)，故其下沉系数为：

$\mathrm{\η}=\frac{w_{max}}{m\cos \mathrm{\α}}=\frac{1.168}{1.85}\≈0.63$

②对于N1206工作面的下沉系数，由于受N1114工作面开采的相互影响，无法直接求取，现通过下述方法确定其下沉系数：

为了减小N1114工作面和N1206工作面的重复采动影响，故选取D09测点(D09位于N1114工作面拐点处，该处的下沉值为最大下沉值的一半)进行计算，重复采动系数为1.13(该值由计算机反演分析求取)，D09处下沉值为5547mm，故其仅受N1206工作面采动影响下的最大下沉值按照下式计算得：

w_max＝(5547-0.50×1850×0.63×1.13)/1.13＝4326mm。

由于N1206工作面的采高为5.90m(近水平煤层，倾角取α＝0°)，故其下沉系数为：

$\mathrm{\η}=\frac{w_{max}}{m\cos \mathrm{\α}}=\frac{4.326}{5.90}\≈0.73$

鉴于上述下沉系数受两个工作面的相互影响，因此该采矿地质条件进行单一煤层开采，下沉系数略小于上述计算结果。

通过计算机反演分析可知，N1114工作面的重复采动系数为0.67/0.60＝1.13，N1206工作面的重复采动系数为0.80/0.71＝1.13。

按照上述参数进行计算机反演模拟给出N1114工作面与N1206工作面开采的预计地表下沉等值线，见图3所示。理论预计的下沉盆地边界位于A06、C08、E15测点处，这与实测数值相吻合。通过图3给出的下沉值，结合现场实测的观测数据，如：N1114工作面工作开采，C15、C16和C17，现场实测值分别为915mm、1228mm和1524mm，计算机反演分析下沉值分别为1000mm、1200mm和1400mm，可见在不受黄土沟壑坡体影响下，计算机反演结果与实测数据基本吻合。但在黄土沟壑坡体处，计算机反演结果需考虑坡体的影响，现以D观测线为例进行分析：D观测线位于一坡顶之上，主要受其西侧坡体的影响，见图4-5。通过沟壑区坡体稳定性分析得出该坡体的稳定性系数，由观测区地质资料可知：该坡体的角度约为δ＝21°，按照下式计算出该坡体的稳定性系数为0.96。

可知该坡体自身稳定性较差，易受外界的影响而发生滑移。

经过对D观测线观测数据的分析可知，在坡体稳定性未破坏之前，D观测线的下沉规律符合一般的地表移动变形规律，而当坡体稳定性被破坏后，D观测线的下沉量剧增，2015年3月24日对D观测线观测，由观测数据可知：D观测线中，D05测点下沉值为7112mm，水平移动值为830mm，依据公式Δw(x)＝G×sinδ(w(x)×sinδ+u(x)×cosδ)，可求取D05测点的下沉附加量为：

Δw(D05)＝0.96×sin21°(7112×sin21°+830×cos21°)＝1141mm

通过图3可知：理论预计下的D05测点下沉值为6000mm，考虑该点下沉附加量，得出D05测点的预计下沉量为7141mm，与实测的7112mm相吻合。

同理，计算D04、D03测点的下沉附加量为：

Δw(D04)＝0.96×sin21°(7046×sin21°+679×cos21°)＝1085mm

Δw(D03)＝0.96×sin21°(6643×sin21°+420×cos21°)＝952mm

得出D04、D03测点的预计下沉量分别为7085mm、6952mm。D04、D03测点实际观测值分为7046mm和6643mm，通过对比可知，预计下沉量与实测值基本吻合。对于D观测线的其它测点，由于受坡体影响较小，其预计下沉量与实测值基本吻合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据黄土沟壑区下煤层开采地面布设观测站测量的数据，初步计算该条件下煤层开采的下沉系数：

式中：η₁为根据地表实际测量数据得出的地表下沉系数；w_实测为地表实际测量的地表最大下沉量，单位mm；m为煤层实际开采厚度，单位m；a为煤层的角度；

步骤二、对坡体进行稳定性分析，并计算坡体稳定性给地表造成的下沉附加量；

(1)坡体稳定性分析：

式中：G为坡体自身的稳定性判别系数；δ为坡体的角度；h为表土层的厚度，单位m；γ为土体的密度，单位kg/m³；C为土体的内聚力，单位Pa；为土体的内摩擦角；

(2)坡体滑移引起的下沉附加量：

Δw(x)＝G×sinδ(w(x)×sinδ+u(x)×cosδ)

式中：Δw(x)为沿坡体方向因坡体滑移引起的下沉附加量，单位mm；w(x)为沿坡体方向地表实际测量的最大下沉量，单位mm；u(x)为沿坡体方向地表实际测量的最大水平移动量，单位mm；

步骤三、结合地表实测数据和沟壑区坡体滑移产生的附加量，利用计算机反演模拟的方法，进一步确定地表下沉系数η；具体方法为：

S31、结合坡体自身稳定性判别系数和地表沿坡体方向实测的最大垂直移动量w(x)与水平移动量u(x)，计算出坡体滑移引起的地表下沉附加量Δw(x)；

S32、假设地表下沉系数η，则地表下沉系数表达式为：

此时，地表的最大下沉值w_max为：

w_max＝m·η·cosa

S33、将求取的地表最大下沉值w_max代入地表下沉盆地预计公式进行计算机反演模拟计算，将计算求取的地表下沉值与该沟壑区地面观测点下沉值进行对比分析，反复步骤S31和步骤S32，直至计算机反演数值与地表观测数据相吻合为止，从而最终确定地表下沉系数η。

2.根据权利要求1所述的一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定方法，其特征在于：所述步骤三的具体步骤为：

步骤101、初步确定地表下沉系数：在此基础上计算该工况下地表的最大下沉值：w_max＝m·η·cosa；

步骤102、根据公式进行全盆地的地表下沉值的预计，其中，j为计算开采单元的块段数目；k为计算开采每一块段的拐点数；q_h为使用计算的直角坐标系中x轴与通过计算点和拐点h连线间的夹角；R_k为极坐标半径，其表达式为：

$R_k=\frac{(x_k-x)(y_{k+1}-y_k)-(y_k-y)(x_{k+1}-x_k)}{(y_{k+1}-y_k)\cos q-(x_{k+1}-x_k)\sin q};$

步骤103、根据上述公式计算地表对应点的地表下沉值w(x，y)，结合坡体自身稳定性系数和地表实测的最大w(x)和u(x)数据，可计算出对应地表点的预计下沉量w_预计(x，y)，其具体计算表达式为：

w_预计(x，y)＝w(x，y)+Δw(x)；

步骤104、根据计算对应地表点的预计下沉量w_预计(x，y)与地表实测的下沉量w_实测(x，y)进行对比分析，反复上述步骤101、102和103过程，直到w_预计(x，y)与w_实测(x，y)相吻合为止，此时确定的地表下沉系数η则为黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数。