CN107131867A - 厚松散层条件煤层开采地表下沉率交迭双波兹曼拟合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开厚松散层条件煤层开采地表下沉率交迭双波兹曼拟合方法，包括如下步骤：(1)根据实测资料分析，确定研究区在基岩达到充分采动时采宽与基岩厚度之比；(2)以临界宽基比k_Lj0作为分段拟合的分界点，分两段进行波兹曼函数拟合；(3)第一段，宽基比k_Lj≤k_Lj0，基岩非充分采动，以综合宽深比k_L作为自变量；(4)第二段，宽基比k_Lj>k_Lj0，基岩超充分采动，以松散层失水厚度h_ss与采厚M之比h_ss/M作为自变量；(5)在基岩临界宽基比处进行步骤(3)和步骤(4)中两函数的迭合，得到地表下沉率的交迭双波兹曼拟合函数和拟合曲线。本项发明为多因素复杂影响的开采沉陷问题提供了新的描述方法。

Description

厚松散层条件煤层开采地表下沉率交迭双波兹曼拟合方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采技术领域。更具体地，涉及厚松散层条件煤层开采地表下沉率交迭双波兹曼拟合方法。

背景技术

开采沉陷与10多个地质采矿变化因素有关，问题复杂，研究繁难。开采沉陷与地质采矿条件的关系描述还存在一些问题：1)岩层破坏状况的描述与地表移动规律脱节，地表移动连续盆地与地表裂缝台阶的描述脱节；2)岩层移动“三带”描述了变形程度的分区特性，有些条件按“三带”描述却不完整不贴切；3)开采的充分性是对地表受横向采动程度的描述，较少研究开采的充分性与岩层移动状况的关系，较少研究竖向采动程度，以及竖向、横向采动程度的交互作用对岩层和地表的影响。

地表下沉率与下沉系数均是描述地表最大下沉值的参数，但两者描述的范畴有较大差别。

在一定的地质条件下，地表最大下沉值随着开采充分性的变化而变化，对于缓倾斜、中倾斜煤层，可用下式表示，地表最大下沉值W_max和地表下沉率η均是变化量。

W_max＝ηMcosα，η＝W_max/Mcosα

当地表达到临界充分和超充分开采时，采动地表达到一个不再随开采充分性变化的临界最大下沉值W₀和下沉系数q：

W₀＝q Mcosα，q＝W₀/Mcosα

式中：W_max为地表最大下沉值；M为采厚；α为煤层倾角。

下沉系数q是描述不同地质采矿条件下采充分时，单位采厚的地表沉陷量。

下沉率η是描述相似地质采矿条件下不同开采充分性时，单位采厚的地表沉陷量。

两者的关系为：下沉系数是充分开采时下沉率的极大值。地表临界最大下沉值是充分开采时地表最大下沉值的极大值。

常用的下沉系数的求取方法为用采动程度系数来：

式中：n₁，n₃分别为倾向和走向的采动程度系数，若其值大于1，则取1。

式中：K₁，K₃分别取0.8；D₁，D₃分别为倾向和走向的长度；H₀为平均采深。

以上下沉系数的求取方法和描述的下沉系数与下沉率的关系式，是密函数关系，这反映了一种增长关系，但与实际的下沉率变化有一定偏差，特别是厚松散层条件下偏差很大。对于岩土双介质条件，基岩的采动充分性、地表的采动充分性涉及多种因素，影响关系复杂，下沉率的影响因素较多。实际煤层开采中，急需有理论指导或预测厚松散层条件下煤层开采的地表下沉率，这样可以在开采前以及开采中对开采沉陷进行预判，确保安全生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚松散层条件煤层开采地表下沉率交迭双波兹曼拟合方法，能够在煤层开采前和开采中预判厚松散层条件下煤层开采的地表下沉率。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：厚松散层条件煤层开采地表下沉率交迭双波兹曼拟合方法，包括如下步骤：

(1)根据实测资料分析，确定研究区在基岩达到充分采动时采宽与基岩厚度之比，即确定研究区在基岩达到充分采动时的临界宽基比k_Lj0；

(2)以临界宽基比k_Lj0作为分段拟合的分界点，分两段进行波兹曼函数拟合；

(3)第一段，宽基比k_Lj≤k_Lj0，基岩非充分采动，以综合宽深比k_L作为自变量，采用的波兹曼函数及参数为：η₁(k_L)＝BZM(k_L；0,q₁,A₃₁,A₄₁)，其中 通过符合本段条件的实测数据求取参数q₁,A₃₁,A₄₁；k_L＝L/H_z，H_z＝H_j+ks×h，L为工作面采宽，H_j为基岩厚度，h为松散层厚度，ks为松散层折减系数，ks在0.1～0.6之间取值；η1为基岩非充分采动时的地表下沉率；

(4)第二段，宽基比k_Lj>k_Lj0，基岩充分和超充分采动，以松散层失水厚度h_ss与采厚M之比h_ss/M作为自变量，采用的波兹曼函数及参数为：η₂(h_ss/M)＝BZM(h_ss/M；q₁,q₂,A₃₂,A₄₂)，通过符合本段条件的实测数据求取参数q₂,A₃₂,A₄₂；η2为基岩充分或超充分采动时的地表下沉率；

(5)在基岩临界宽基比处进行步骤(3)和步骤(4)中两函数的迭合，得到地表下沉率的交迭双波兹曼拟合函数和拟合曲线(如图6所示)：

并得到不失水时的下沉系数q₁和失水情况的下沉系数q₂。

上述厚松散层条件煤层开采地表下沉率交迭双波兹曼拟合方法，在步骤(1)中：k_Lj0的取值为：基岩为软岩时k_Lj0＝0.8～1.2，k_Lj0的取值范围包括下端点、但不包括上端点；基岩为中硬岩时k_Lj0＝1.2～1.6，，k_Lj0的取值范围包括下端点、但不包括上端点；基岩为坚硬岩时k_Lj0＝1.6～2.0，k_Lj0的取值范围包括下端点和上端点。

上述厚松散层条件煤层开采地表下沉率交迭双波兹曼拟合方法，基岩上方覆盖的厚松散层是指松散层厚度大于200米或者松散层与基岩岩层厚度之比大于或等于1:1。

上述厚松散层条件煤层开采地表下沉率交迭双波兹曼拟合方法，软岩是指综合硬度系数为：f<3，中硬岩是指综合硬度系数为：3≤f<8，坚硬岩是指综合硬度系数为：f>8。

本发明的有益效果如下：

缓倾斜、中倾斜煤层开采地表下沉率η是不同开采状况下地表最大下沉值与竖向采厚的比值，而下沉系数是地表充分采动时的下沉率。地表下沉率η受到多种地质采矿因素的综合影响，影响方式复杂多变。在厚松散层条件下，地表下沉率还受松散层富水性、失水厚度等因素影响，呈现变主因素的多重变化的特点。本发明描述了厚松散层条件、不同采动状况地表下沉率的变化规律，反映了岩土双介质体影响下的采动平衡结构动态变化引起的地表最大下沉量的变化，拟合函数可用于不同开采状况地表最大下沉值的计算以及煤层开采之前和开采中地表下沉率的预判，确保安全生产及保护地面构筑物。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1潘谢矿区地表水体分布图；

图2淮南煤田新生界含、隔水层(组)分布示意图；

图3基岩非充分开采时地表下沉率与综合宽深比的拟合曲线；

图4基岩充分开采时地表下沉率与综合宽深比的拟合曲线；

图5潘谢矿区下沉率双波兹曼函数全程拟合曲线；

图6地表下沉率双波兹曼函数全程拟合曲线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

潘谢矿区从西到东，生产矿井有:谢桥矿、张集矿、顾桥矿、顾北矿、丁集矿、潘三矿、潘北矿、朱集矿、潘一矿、潘二矿。地表水体分布如图1所示，淮河、西淝河、凤新河、黑河、泥河交汇于此，花家湖、瓦埠湖。

图2所示为淮南矿区新生界含水层隔水层的分布图。地下水属松散岩类孔隙水，赋存于第三系及第四系松散沉积物中，按照含水层埋藏条件，由上至下可分为上部、中部、下部三个含水组：

(1)上部含水层

考虑到淮南市区目前开发地下水的具体情况和本地区地层分布的特点，这里所谈的浅层含水层(组)，是指埋深在30～40m以内的含水层(组)，为第四系沉积物。该含水层(组)的分布，与现代河流方向大体一致。但在淮河以南的山前斜地，砂层缺失，水位埋深一般为1～3m，地下水类型属潜水～承压水。

(2)中部含水层

该含水层是指埋深在30～130m范围内的含水层，它主要由中下更新统(Q1+Q2)地层组成，广泛分布于沿淮及淮河以北的平原区，根据埋深，可分为中部含水层上段和中部含水层下段。一般砂层的厚度大，层位比较稳定，但其富水性因地区而异。如潘集矿区富水胜较强的地区，含水砂层的平均厚度在30m以上，水位埋深2.0～4.5m，导水系数大于500m²/d，单井出水量大于1000m³/d；潘集以东和以南至二道河地区，富水性逐渐减弱，含水层累计厚度约20m，水位埋深3.0～4.5m，导水系数300～500m²/d，单井出水量100～1000m³/d。古沟至高皇一带，含水砂层累计厚度15～30m，富水性较差，水位理深2.5～3.5m，导水系数一般小于300m²/d，单井出水量小于100m³/d。

(2)下部含水层

该含水组由第三系地层组成，大致以淮河为界，淮河以南大部分地区缺乏。淮河以北分布广泛，含水层的岩性主要为中、粗砂及泥质半胶结的砂砾层，埋深在140m以下，累计厚度大于150m，其富水性在空间上存在一定差异性。地下水位埋深也同样具有这种规律。如在泥河附近，含水层埋深在135m以上，平均厚度180m左右，水位埋深在20m以上。

由图2可知，潘谢矿区第三系、第四系松散层厚度200-500m，总体呈西厚东薄分布，含水层存在“三含三隔”，顾桥矿和顾北矿附近含水层厚度最大。下部含水层西薄东厚，对采动影响程度失水可能性较大。

潘谢矿区地质条件、开采条件变化幅度较大，实测获得15个地表下沉率参数在0.15～1.10区间变化。类似条件的淮北矿区20个观测站的下沉系数为0.7～1.41。

从实测结果来看，下沉率受到多因素的分段交叉非线性复杂影响，这些因素包括工作面宽度、开采厚度、基岩厚度、松散层厚度、松散层含水性及层位、岩层岩性等。如何准确反映下沉率与地质开采条件的关系，对于揭示地表移动规律和进行地表沉陷预测均是相当关键的问题。

潘谢矿区地表下沉率实测分析

一、实测下沉率的变化特点

表1潘谢矿区采动程度与实测下沉率统计表

表1中，顾北矿1232(3)工作面和顾桥矿1111(3)工作面地表下沉率最大，这与其工作面采宽大、采厚较大、基岩薄、厚松散下部含水层较厚，隔水层薄，易破坏致使含水层失水有密切关系。

据实测地表下沉率呈现以下特点：

1)地表下沉率与工作面宽度、基岩厚度、松散层厚度、含水层厚度和分布等多个要素有关。

2)地表下沉率与地质开采条件的关系复杂多变，非单类因素，也非每几个因素形成一致性影响。

3)总体来看，宽基比k_Lj越大，下沉率越大。当宽基比较小时，下沉率较小，松散层厚度对下沉率有较大影响，而含水性影响不明显；当宽基比较大时，下沉率较大，松散层含水性对下沉率有显著影响，下部含水层的厚度越大。

根据岩土双介质的采动状况模拟实验和平衡结构分析，地表下沉率首先与基岩的采动充分性分有关，为此分基岩非充分开采和充分开采两种情况进行讨论。

二、地表下沉率拟合分析

1、基岩非充分采动时地表下沉率拟合

基岩非充分采动下，松散层的采动影响较小，地表下沉主要来源于岩层移动和土层的跟随移动。在基岩非充分开采条件下，地表下沉率取决于地表的采动程度，即综合宽深比(工作面的宽度与岩土综合采深之比)，反映了岩土介质的采动影响差别。

表2基岩非充分采动地表下沉率拟合参数表

根据表2中的实测资料分析，确定研究区的临界宽基比k_Lj0为1.4。

以临界宽基比k_Lj0作为分段拟合的分界点，分两段进行波兹曼函数拟合。

第一段，宽基比k_Lj≤k_Lj0，基岩非充分采动，以综合宽深比k_L作为自变量，采用的波兹曼函数及参数为：η₁(k_L)＝BZM(k_L；0,q₁,A₃₁,A₄₁)，其中 通过符合本段条件的实测数据求取参数q₁,A₃₁,A₄₁；k_L＝L/H_z，H_z＝H_j+ks×h，L为工作面采宽，H_j为基岩厚度，h为松散层厚度，ks为松散层折减系数，ks在0.1～0.6之间取值；η1为基岩非充分采动时的地表下沉率。

综合宽深比k_L可按下式表示，H_综为综合采深；L为工作面采宽，H_j为基岩厚度；k_s为松散层折减系数，淮南矿区取0.28；h为松散层厚度。

潘谢矿区基岩非充分开采信息及下沉率如表2，采用波兹曼(Boltzmann)函数取(0，1)参数进行拟合，得到地表下沉率与综合宽深比的拟合关系如下式，拟合曲线如图3所示。地表最大下沉率为0.80。

2、基岩充分和超充分采动地表下沉率拟合

基岩达到充分采动后，地表下沉由岩层移动带动土层的移动和松散层的失水引起的固结沉降两部分组成。两部分的沉降机制不同，松散层的失水沉降与基岩的采动充分性(基岩面下沉盆地平底宽度即为上覆松散层的失水宽度)有关，与松散层的含水性和失水高度有关。在基岩较充分采动的情况下，地表下沉率主要考虑失水高度的非线性影响，即把失水厚度与采厚之比作为影响参量，潘谢矿区基岩充分采动工作面地质采矿条件及下部含水层厚度等信息见表3。

表3基岩充分和超充分采动地表下沉率拟合参数表

第二段，宽基比k_Lj>k_Lj0，基岩充分和超充分采动，以松散层失水厚度h_ss与采厚M之比h_ss/M作为自变量，采用的波兹曼函数及参数为：η₂(h_ss/M)＝BZM(h_ss/M；q₁,q₂,A₃₂,A₄₂)，通过符合本段条件的实测数据求取参数q₂,A₃₂,A₄₂；η2为基岩充分或超充分采动时的地表下沉率。

采用波兹曼函数进行拟合，得到基岩充分采动时地表下沉率与失水厚度/采厚的拟合关系如下式，拟合曲线如图4所示。

三、地表下沉率全程拟合分析

将以上分段拟合曲线进行合并，得到潘谢矿区地表下沉率全程变化拟合曲线(如图5)，该图反映了下沉率分段变主因素的影响关系，得到如下结果：

1)以基岩充分采动的临界宽基比为1.4进行分段，得到本区基于综合深厚比和松散层失水厚度的地表下沉率的交迭双波兹曼拟合曲线和拟合公式。拟合结果表明，当不涉及松散层失水时，潘谢矿区地表下沉系数为q₁＝0.80；涉及松散层失水时，潘谢矿区地表下沉系数为q₂＝1.20。

2)下沉率全程曲线反映了本区地质条件下不同开采状况的岩土双介质的采动平衡结构变化。当工作面宽基比k_Lj≤0.8时，基岩处于非充分采动，主岩拱形成，拱上有覆岩弯压和土体堆压，岩土体呈现Ⅰ类平衡结构；当0.8<k_Lj≤1.4时，主岩拱断，主岩土叠拱形成，呈现Ⅱ类平衡结构；当k_Lj〉1.4之后随着k_Lj的增大，副岩土拱的先形成后破断，岩土体先为Ⅲ类，松散层失水宽度较窄，后呈Ⅳ类(采厚较小)或Ⅴ类结构(采厚较大)，松散层失水宽度大。

3)潘谢矿区基岩较薄，在基岩(面)达到充分采动的情况下，基岩内难以形成稳定的承载结构，覆岩破坏直达松散层，松散层发生跟随式移动。工作面推进过程中，松散层阶段动态变形，下部含水层容易破坏失水固结，或者流失颗粒，造成松散层失水性沉降和地表附加下沉，下沉率增大。

4)拟合结果表明，当不涉及松散层失水时，潘谢矿区地表下沉系数为q₁＝0.80；涉及松散层失水时，潘谢矿区地表下沉系数为q₂＝1.20。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.厚松散层条件煤层开采地表下沉率交迭双波兹曼拟合方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据实测资料分析，确定研究区在基岩达到充分采动时采宽与基岩厚度之比，即确定研究区在基岩达到充分采动时的临界宽基比k_Lj0；

(2)以临界宽基比k_Lj0作为分段拟合的分界点，分两段进行波兹曼函数拟合；

(3)第一段，宽基比k_Lj≤k_Lj0，基岩非充分采动，以综合宽深比k_L作为自变量，采用的波兹曼函数及参数为：η₁(k_L)＝BZM(k_L；0,q₁,A₃₁,A₄₁)，其中 通过符合本段条件的实测数据求取参数q₁,A₃₁,A₄₁；k_L＝L/H_z，H_z＝H_j+ks×h，L为工作面采宽，H_j为基岩厚度，h为松散层厚度，ks为松散层折减系数，ks在0.1～0.6之间取值；η₁为基岩非充分采动时的地表下沉率；

(4)第二段，宽基比k_Lj>k_Lj0，基岩充分和超充分采动，以松散层失水厚度h_ss与采厚M之比h_ss/M作为自变量，采用的波兹曼函数及参数为：η₂(h_ss/M)＝BZM(h_ss/M；q₁,q₂,A₃₂,A₄₂)，通过符合本段条件的实测数据求取参数q₂,A₃₂,A₄₂；η₂为基岩充分或超充分采动时的地表下沉率；

(5)在基岩临界宽基比处进行步骤(3)和步骤(4)中两函数的迭合，得到地表下沉率的交迭双波兹曼拟合函数和拟合曲线：

并得到不失水时的下沉系数q₁和失水情况的下沉系数q₂，得出第一段、第二段拟合曲线的拐点A₃₁、A₃₂。

2.根据权利要求1所述的厚松散层条件煤层开采地表下沉率交迭双波兹曼拟合方法，其特征在于，在步骤(1)中：k_Lj0的取值为：基岩为软岩时k_Lj0＝0.8～1.2，k_Lj0的取值范围包括下端点、但不包括上端点；基岩为中硬岩时k_Lj0＝1.2～1.6，，k_Lj0的取值范围包括下端点、但不包括上端点；基岩为坚硬岩时k_Lj0＝1.6～2.0，k_Lj0的取值范围包括下端点和上端点。

3.根据权利要求1所述的厚松散层条件煤层开采地表下沉率交迭双波兹曼拟合方法，其特征在于，基岩上方覆盖的厚松散层是指松散层厚度大于200米或者松散层与基岩岩层厚度之比大于或等于1:1。

4.根据权利要求1所述的厚松散层条件煤层开采地表下沉率交迭双波兹曼拟合方法，其特征在于，软岩是指综合硬度系数为：f<3，中硬岩是指综合硬度系数为：3≤f<8，坚硬岩是指综合硬度系数为：f>8。