CN106593524A - 一种固体充填开采地表沉陷动态预计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体充填开采地表沉陷动态预计方法，属于采矿技术中的地表变形预计方法。本发明将固体充填开采顶板随时间变化的下沉模型与Knothe时间函数相结合，采用叠加原理将不同时刻的充填体压缩变形引起的地表下沉进行累加，建立了一套固体充填开采地表动态预计模型。采用本发明的方法，根据岩层时间影响系数、充填体压缩变形时间影响系数、采深、采厚、煤层倾角、预计工作面尺寸以及概率积分法预计参数等参数，可以预计出固体充填开采地表沉陷随时间变化的动态变形值。此预计方法简单易行，成本低，具有广泛的实用性，可以为指导固体充填开采设计、减小采动损害提供了科学的依据。

Description

一种固体充填开采地表沉陷动态预计方法

技术领域

本发明涉及采矿技术中的地表变形预计方法，具体涉及一种固体充填开采地表沉陷动态预计方法。

背景技术

近年来，随着充填材料及充填技术日益成熟，采用充填开采技术解决“三下”压煤问题已经成为可能，并成为控制地表沉陷，改善矿区环境的有效途径。固体充填开采是一种集岩层移动控制和固体废弃物处理为一体的充填采煤方法。由于固体充填开采可以有效地控制地表沉降，往往重要的建筑物下压煤采用该项采煤技术，但这类建筑物一般对地表变形较为敏感，较小的地表变形可能造成建筑物的损害，产生不良的社会影响。同时，在采动过程中，开采损害随着时间变化，地表动态移动变形将会在不同时刻对建筑物产生不同程度的损害。科学地预计固体充填开采后的地表沉陷是实施建筑物下采煤的关键问题之一。

现有技术中，由于固体充填开采与垮落法开采岩层移动机理差异较大，如果采用垮落法开采的地表预计模型预计固体充填开采的地表沉陷情况，预计结果误差较大，不能完全满足于工程需要。另外，在采动过程中，开采损害随着时间变化，虽然动态变形对建筑物作用是临时的，但是同样可以使建筑物遭受破坏，甚至在某些情况下，动态移动变形造成的破坏程度要大于静态移动变形。所以，固体充填开采地表静态变形预计模型不能满足地表动态变形的预计要求。因此，建立一种适合固体充填开采地表动态预计方法预计固体充填开采动态变形值有着及其重重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种固体充填开采地表沉陷动态预计方法，在传统垮落法开采动态预计模型的基础上，增加了充填体时间影响函数，使得地表沉陷值预测更加准确、可靠。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种固体充填开采地表沉陷动态预计方法，步骤如下：

1)根据矿区地质条件确定预计参数

预计参数：岩层时间影响系数c₁、充填体压缩变形时间影响系数c₂、平均采深H₀、平均采厚m、等价采厚m_e、充填体最终压缩变形量h_c、煤层倾角α、最终充实率η、预计工作面的走向长L、倾向长l、开采速度v、概率积分法预计参数，所述概率积分法预计参数包括下沉系数q、水平移动系数b、主要影响半径r、开采影响传播角θ₀、拐点偏移距s；

2)根据固体充填采煤岩层移动特征和地表变形特征，建立一种地表沉陷动态预计模型

a、固体充填工作面未开采结束

b、固体充填工作面已开采结束

将公式①的积分区间[0，t]更改为[0，L/v]，得到公式②

x为地表预计点相对于工作面的坐标，

t为工作面推进了x距离的时间，

m_e为等价采厚，顶板最终下沉量，m_e＝m(1-η)，

C_ym为采动程度系数，如果开采工作面倾向长度等于或者超过充分采动长度，C_ym＝1，如果开采工作面倾向长度达不到充分采动程度，则erf()为高斯误差函数；

r为主要影响半径，r＝H₀/tanβ，tanβ为主要影响正切；

3)将预计参数代入预计模型，计算不同时刻t的固体充填开采地面下沉值。

本发明有益效果：本发明将固体充填开采顶板随时间变化的下沉模型与Knothe时间函数相结合，采用叠加原理将不同时刻的充填体压缩变形引起的地表下沉进行累加，建立了一套固体充填开采地表动态预计模型。采用本发明的方法，根据岩层时间影响系数、充填体压缩变形时间影响系数、采深、采厚、煤层倾角、预计工作面尺寸以及概率积分法预计参数等参数，可以预计出固体充填开采地表沉陷随时间变化的动态变形值。此预计方法简单易行，成本低，具有广泛的实用性，可以为指导固体充填开采设计、减小采动损害提供了科学的依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例固体充填开采地表沉陷动态预计方法和传统垮落法开采地表沉陷预计方法的0～600天的预计曲线及实际地表沉降值对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

以某矿某固体充填工作面为例：

1)根据矿区地质条件确定预计参数

煤层平均采厚m＝2.7m，平均采深H₀＝440m，走向长L＝315m，倾向长l＝115m，从2012年10月开始回采，至2013年12月回采结束，平均开采速度约为v＝0.8m/d，最终充实率η为70％；

根据煤层平均采厚m和最终充实率η，计算等价采厚m_e＝m(1-η)＝810mm；

岩层移动时间影响系数为c₁＝0.0059，充填体的时间影响系数c₂取0.02，下沉系数q＝0.52，主要影响正切tanβ＝2.2；

根据主要影响正切和平均采深可以求出主要影响半径r＝H₀/tanβ＝200m；

由于充填效果较好，充填体最终压缩变形量可以近似等于顶板最终下沉量，即h_c＝m_e＝810mm。

2)根据固体充填采煤岩层移动特征和地表变形特征，建立一种地表沉陷动态预计模型

a、固体充填工作面未开采结束

b、固体充填工作面已开采结束

x为地表预计点相对于工作面的坐标，

t为工作面推进了x距离的时间，

m_e为等价采厚，顶板最终下沉量，m_e＝m(1-η)，

C_ym为采动程度系数，如果开采工作面倾向长度等于或者超过充分采动长度，C_ym＝1，如果开采工作面倾向长度达不到充分采动程度，则erf()为高斯误差函数；

r为主要影响半径，r＝H₀/tanβ，tanβ为主要影响正切；

3)将预计参数代入预计模型，计算不同时刻t的固体充填开采地面下沉值。

采用本专利方法和传统垮落法开采动态预计方法对相对工作面坐标为(126,50)的点进行0～600天沉陷值预计。

本专利方法：0～400天内固体充填工作面回采尚未结束，采用公式①进行预计；401～600天时间段内固体充填工作面回采结束，采用公式②进行预计。

传统垮落法地表沉陷动态预计公式：

将预计参数带入预计模型公式，得出本专利方法和传统垮落法开采动态预计方法0～600天的预计曲线与实际地表沉降值对比图。从图1中可以看出，传统垮落法开采动态预计模型求得的动态下沉曲线下沉过快，与实测数据差距较大，而本专利固体充填开采动态预计模型考虑到了充填体缓沉的因素，在垮落法开采动态预计公式基础上加入了下沉迟滞函数，使得地表动态下沉过程相对缓慢，与实测数据整体拟合较好。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种固体充填开采地表沉陷动态预计方法，其特征在于，步骤如下：

1)根据矿区地质条件确定预计参数

预计参数：岩层时间影响系数c₁、充填体压缩变形时间影响系数c₂、平均采深H₀、平均采厚m、等价采厚m_e、充填体最终压缩变形量h_c、煤层倾角α、最终充实率η、预计工作面的走向长L、倾向长l、开采速度v、概率积分法预计参数，所述概率积分法预计参数包括下沉系数q、水平移动系数b、主要影响半径r、开采影响传播角θ₀、拐点偏移距s；

2)根据固体充填采煤岩层移动特征和地表变形特征，建立一种地表沉陷动态预计模型

a、固体充填工作面未开采结束

b、固体充填工作面已开采结束

将公式①的积分区间[0，t]更改为[0，L/v]，得到公式②

x为地表预计点相对于工作面的坐标，

t为工作面推进了x距离的时间，

m_e为等价采厚，顶板最终下沉量，m_e＝m(1-η)，

C_ym为采动程度系数，如果开采工作面倾向长度等于或者超过充分采动长度，C_ym＝1，如果开采工作面倾向长度达不到充分采动程度，则erf()为高斯误差函数；

r为主要影响半径，r＝H₀/tanβ，tanβ为主要影响正切；

3)将预计参数代入预计模型，计算不同时刻t的固体充填开采地面下沉值。