CN106940364A - 煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法及装置：计算采空区上覆层各岩土层的平均密度、密度系数；将上覆岩土层作为一特殊介质，根据平均密度、密度系数、煤层采厚和拐点深厚比计算其拐点深厚比和下沉扰动系数；根据上覆层的拐点深厚比和下沉扰动系数计算采空区的标准深厚比。装置包括平均密度计算模块、密度系数计算模块、拐点深厚比计算模块、下沉扰动系数计算模块、标准深厚比计算模块和最大下沉率计算模块。该方法考虑了上覆层密度、开采深度及厚度对地表变形的影响，将得到的标准深厚比与数值1比较，分析了标准其与地表变形的关系，避免了不同地区地质差异造成的标准不统一的问题。该装置能准确地计算出标准深厚比与最大下沉率。

Description

煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法及装置

技术领域

本发明属于架空输电线路防灾设计和保护领域，具体涉及一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法及装置。

背景技术

高压输电线路是远距离电力输送的主要渠道，线路运行时要求安全可靠、万无一失。位于地下的煤矿被开采后会形成采动影响区，引发地表产生采动变形。当输电铁塔位于采动影响区时，由于其对开采引起的地表移动变形极为敏感，高压输电线路的安全性将受到极大影响。对煤矿采空区的地表稳定性进行评价，对位于采动影响区的输电线路的安全可靠运行尤为重要。

目前，我国主要依据煤层的埋深与其开采厚度的比值，即传统的“采深采厚比”(简称为深厚比)这一指标来划分矿山开采区的破坏程度，评价采空区地表的稳定性。该方法虽使用广泛、简单，但存在一些问题，一是深厚比一般是根据经验确定，没有标准化的计算方法；二是利用深厚比对开采区破坏程度的划分存在不同的标准，方法不够统一，不便于工程应用；三是目前采用的地表沉陷模型本质上是将上覆层视为单一介质，根据经验确定相关限值，未考虑上覆层性质。因此有必要提出一个统一且便于工程应用的标准化的计算方法来对地表稳定性进行评价，这对保证输电线路的安全具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的一些问题，本发明提供一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法，该方法计算理论依据充分，考虑全面，结果可靠，能够综合考虑上覆岩土层的密度、开采深度及厚度对地表变形的影响，能够较准确地反映出地表变形与标准深厚比的关系，能够对输电线路途经的采空区的地表变形进行评价，便于工程应用；同时本发明提供一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算装置，该计算装置能够快速准确地计算出标准深厚比与最大下沉率，能直观地反映地表变形程序。

为了实现上述目的，本发明提供了一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法，包括以下步骤：

步骤一：

(1)根据上覆各岩土层的密度和厚度，计算采空区上覆层的平均密度

(2)根据计算采空区上覆层密度系数

步骤二：根据计算上覆层的拐点深厚比和上覆层的下沉扰动系数

步骤三：

(1)根据和计算采空区的标准深厚比

(2)根据计算采空区的最大下沉率δ。

所述步骤一中的计算公式为：

其中：ρ_i为上覆岩土层中第i层岩土层的密度；

H_i为上覆岩土层中第i层岩土层的厚度。

所述步骤一中的计算公式为：

所述步骤二中的计算公式为：

其中：m为煤层采厚。

所述步骤二中的计算公式为：

其中：λ为采厚比。

所述步骤三中的计算公式为：

所述步骤三中δ的计算公式为：

根据和计算之后还包括：

将与1进行比较：当大于1时，地表下沉率较小且变化幅度较小；当小于等于1时，地表下沉率较大且变化幅度较大。

为了实现上述目的，本发明还提供一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算装置，包括：

平均密度计算模块，用于根据上覆各岩土层的密度和厚度，计算采空区上覆层的平均密度；

密度系数计算模块，与平均密度计算模块通讯以获得上覆层的平均密度并根据上覆层的平均密度计算采空区上覆层的密度系数

拐点深厚比计算模块，分别与平均密度计算模块通讯和密度系数计算模块通讯以获得上覆层的平均密度和上覆层的密度系数根据上覆层的平均密度计算上覆层的拐点深厚比

下沉扰动系数计算模块，与平均密度计算模块通讯以获得上覆层的平均密度并根据上覆层的平均密度计算上覆层的下沉扰动系数

标准深厚比计算模块，分别与拐点深厚比计算模块和下沉扰动系数计算模块通讯以获得上覆层的拐点深厚比和下沉扰动系数并根据上覆层的拐点深厚比和下沉扰动系数计算采空区的标准深厚比

最大下沉率计算模块，与标准深厚比计算模块通讯以获得标准深厚比并根据标准深厚比计算采空区的最大下沉率δ。

本发明基于采空区岩层地质资料，首先将采空区上覆岩土层中的不同岩土层的实际密度换算为某一介质的平均密度，并计算出密度系数，然后根据采空区上方各岩土层的平均密度、密度系数、采厚和深厚比，计算出该介质的拐点深厚比、下沉扰动系数，在此基础上，计算出了该介质的标准深厚比，并得到了标准深厚比与最大下沉率的函数关系。该计算方法计算理论依据充分，考虑全面，结果可靠，使用方便，能够综合考虑上覆各岩土层的厚度及性质对地表变形的影响程度，可以适用于不同地理状况、不同工况，具有广泛的适用性。该方法能够对输电线路途经的采空区的地表稳定性评价提供参考，对保证输电线路的安全具有重要的意义。该装置能够快速准确地计算出标准深厚比与最大下沉率，能直观地反映了地表变形程序。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

上覆土层的性质对地表的移动和变形具有重要的影响，在考虑深厚比对架空输电线路地表稳定性的影响时，必须考虑上覆土层的厚度及性质。本发明将不同性质的上覆岩土层作为一特殊介质，计算其标准深厚比，分析标准深厚比与地表变形的关系，以此为架空输电线路的地表稳定性进行评价提供参考。

一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法，包括以下步骤：

步骤一：

(1)根据上覆各岩土层的密度和厚度，计算采空区上覆层的平均密度其计算公式为：

其中：ρ_i为上覆岩土层中第i层岩土层的密度，单位：kg·m^-3；

H_i为上覆岩土层中第i层岩土层的厚度，单位：m；

为上覆层的平均密度，单位：kg·m^-3。

(2)根据上覆层的平均密度，计算采空区上覆层密度系数其计算公式为：

其中：为上覆层的平均密度，单位：kg·m^-3；

为上覆层的密度系数。

步骤二：

(1)将上覆岩土层作为一特殊介质，计算其拐点深厚比其计算公式为：

其中：为上覆层的平均密度，单位：kg·m^-3；

m为煤层采厚，单位：m；

为上覆层的密度系数；

为拐点深厚比，即深厚比与下沉率的关系曲线的拐点所对应的深厚比。

(2)计算下沉扰动系数其计算公式为：

其中：为上覆层的平均密度，单位：kg·m^-3

m为煤层采厚，单位：m；

λ为采厚比，即上覆层厚度与煤层厚度之比；

为下沉扰动系数。

步骤三：

(1)根据上覆层的拐点深厚比和下沉扰动系数计算采空区的标准深厚比其计算公式为：

其中：λ为采厚比；

为拐点深厚比；

为下沉扰动系数；

为采空区标准深厚比；

(2)根据标准深厚比计算采空区的最大下沉率δ，其计算公式为：

其中：为采空区标准深厚比；

δ为采空区的最大下沉率。

将多介质叠加形成的上覆层作为一特殊介质计算得到了采空区标准深厚比和最大下沉率δ，并将标准深厚比与1进行比较：当标准深厚比大于1时，地表下沉率较小且变化幅度较小；当标准深厚比小于等于1时，地表下沉率较大且变化幅度较大。

下面举具体实例对本发明所述的计算方法的具体操作步骤进行说明：

实施例1：某采空区采煤工作面煤层厚度为2.65m，采厚比λ＝125.8，平均倾角6°，采用走向长壁垮落采煤法，综合机械化采煤，开采深度为330米到360米，地表起伏不大。根据研究区域的岩层柱状图和岩土的物理力学实验结果，确定上覆层的基本赋存情况及岩土的物理力学参数如表1所示。现需要通过计算该处的标准深厚比来评估该采区地表变形情况。

表1：上覆层各分层参数

1.计算采空区上覆层各岩土层的平均密度和密度系数

将表1中各分层的实际厚度、密度参数代入式计算得到上覆层各岩土层的平均密度将平均密度代入式计算得到密度系数

2.计算拐点深厚比和下沉扰动系数

将采厚、平均密度和密度系数代入式计算得到拐点深厚比将采厚、平均密度和采厚比代入式计算得到下沉扰动系数

3.计算采空区的标准深厚比和最大下沉率δ

将采厚比、拐点深厚比和下沉扰动系数代入式计算得到标准深厚比将标准深厚比代入式计算得到最大下沉率δ＝16.0％。

4.将计算结果与实际观测情况对比

由上述计算结果可知，按照本发明专利的计算方法，其标准深厚比为5.254>1，据此判断，该采区煤层开采造成地表变形轻微，与实际观测情况基本一致。

上述算例的计算表明，采用本发明的相关计算方法，可以方便的计算得到各种复杂地质条件下的采空区标准深厚比值，其计算过程简单，便于理解掌握。特别是本发明将各种岩土层都简化为一种特殊介质，便于不同地区、不同地质条件下的采空区相关地表沉陷观测数据的综合对比分析，为煤矿采空区架空输电线路的地表稳定性进行评价，提供了一种有效的研究分析手段和方法。

典型采空区的上覆岩层主要由黄土、砂岩、粉土等代表性岩石或土体组成。申请人采用FLAC 3D有限元软件，以典型土层黄土和砂土为例，建立了采厚1m和2m时分别选取10种采深所对应的输电线路采动区上覆层、煤层和底板的计算分析模型，模拟了不同深厚比时地表的下沉情况，并采用数学分析方法，提出了标准深厚比的概念，并得出了上覆层为多介质土时所对应标准深厚比的计算方法。研究表明，当标准深厚比大于1时，地表下沉率较小且变化幅度较小；当标准深厚比小于等于1时，地表下沉率较大且变化幅度较大。可为架空输电线路的地表稳定性评价提供参考。

基于同一发明构思，本发明还提供一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算装置，包括：

平均密度计算模块，用于根据上覆各岩土层的密度和厚度，计算采空区上覆层的平均密度；

密度系数计算模块，与平均密度计算模块通讯以获得上覆层的平均密度并根据上覆层的平均密度计算采空区上覆层的密度系数

拐点深厚比计算模块，分别与平均密度计算模块通讯和密度系数计算模块通讯以获得上覆层的平均密度和上覆层的密度系数根据上覆层的平均密度计算上覆层的拐点深厚比

下沉扰动系数计算模块，与平均密度计算模块通讯以获得上覆层的平均密度并根据上覆层的平均密度计算上覆层的下沉扰动系数

标准深厚比计算模块，分别与拐点深厚比计算模块和下沉扰动系数计算模块通讯以获得上覆层的拐点深厚比和下沉扰动系数并根据上覆层的拐点深厚比和下沉扰动系数计算采空区的标准深厚比

最大下沉率计算模块，与标准深厚比计算模块通讯以获得标准深厚比并根据标准深厚比计算采空区的最大下沉率δ。

该装置能够快速准确地计算出标准深厚比与最大下沉率，能直观地反映了地表变形程序。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：

(1)根据上覆各岩土层的密度和厚度，计算采空区上覆层的平均密度

(2)根据计算采空区上覆层密度系数

步骤二：根据计算上覆层的拐点深厚比和上覆层的下沉扰动系数

步骤三：

(1)根据和计算采空区的标准深厚比

(2)根据计算采空区的最大下沉率δ。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法，其特征在于，所述步骤一中的计算公式为：

其中：ρ_i为上覆岩土层中第i层岩土层的密度；

H_i为上覆岩土层中第i层岩土层的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法，其特征在于，所述步骤一中的计算公式为：

4.根据权利要求3所述的一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法，其特征在于，所述步骤二中的计算公式为：

其中：m为煤层采厚。

5.根据权利要求4所述的一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法，其特征在于，所述步骤二中的计算公式为：

其中：λ为采厚比。

6.根据权利要求5所述的一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法，其特征在于，所述步骤三中的计算公式为：

7.根据权利要求6所述的一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法，其特征在于，所述步骤三中δ的计算公式为：

8.根据权利要求7所述的一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算方法，其特征在于，根据和计算之后还包括：

将与1进行比较：当大于1时，地表下沉率较小且变化幅度较小；当小于等于1时，地表下沉率较大且变化幅度较大。

9.一种煤矿采空区架空输电线路标准深厚比的计算装置，其特征在于，包括：

平均密度计算模块，用于根据上覆各岩土层的密度和厚度，计算采空区上覆层的平均密度；

密度系数计算模块，与平均密度计算模块通讯以获得上覆层的平均密度并根据上覆层的平均密度计算采空区上覆层的密度系数

拐点深厚比计算模块，分别与平均密度计算模块通讯和密度系数计算模块通讯以获得上覆层的平均密度和上覆层的密度系数根据上覆层的平均密度计算上覆层的拐点深厚比

下沉扰动系数计算模块，与平均密度计算模块通讯以获得上覆层的平均密度并根据上覆层的平均密度计算上覆层的下沉扰动系数

标准深厚比计算模块，分别与拐点深厚比计算模块和下沉扰动系数计算模块通讯以获得上覆层的拐点深厚比和下沉扰动系数并根据上覆层的拐点深厚比和下沉扰动系数计算采空区的标准深厚比

最大下沉率计算模块，与标准深厚比计算模块通讯以获得标准深厚比并根据标准深厚比计算采空区的最大下沉率δ。