CN111428357A - 基于覆岩剩余自由空间高度的地表最大下沉值确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿山开采技术领域，提供一种基于覆岩剩余自由空间高度的地表最大下沉值确定方法，包括：步骤1：构建待采工作面地表最大下沉值计算模型：W₀＝H₀，H₀＝M‑H_c，H_c＝H‑H_m；步骤2：获取冒落带高度H_m；步骤3：对采空区顶板岩层自下而上编号为1,2,3,...，获取第i层岩层的厚度s_i；步骤4：从第一层开始，通过实验测试第n层岩层冒落岩体的残余碎胀性系数k_n，在

成立时，判断第n层是冒落带发育的最高层位，计算冒落带压实后的高度H；步骤5：计算待采工作面地表最大下沉值

本发明能够提高地表最大下沉值计算的精度。

Description

基于覆岩剩余自由空间高度的地表最大下沉值确定方法

技术领域

本发明涉及矿山开采技术领域，特别是涉及一种基于覆岩剩余自由空间高度的地表最大下沉值确定方法。

背景技术

地表移动变形预计准确度很大程度上取决于参数的选择，从概率积分法的地表移动变形预计计算公式可知，最大下沉值选择的合理与否，直接影响着其它移动变形值的预计精度。待采工作面下沉值不能直接测定，而现有的采用工程类比法的地表最大下沉值确定方法的计算误差较大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于覆岩剩余自由空间高度的地表最大下沉值确定方法，能够提高地表最大下沉值计算的精度。

本发明的技术方案为：

一种基于覆岩剩余自由空间高度的地表最大下沉值确定方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：构建待采工作面地表最大下沉值计算模型为

W₀＝H₀ (1)

式(1)中，W₀为地表最大下沉值，H₀为覆岩剩余自由空间高度；

H₀＝M-H_c (2)

式(2)中，M为采高，H_c为冒落岩体的残余碎胀高度；

H_c＝H-H_m (3)

式(3)中，H为冒落带压实后的高度，H_m为冒落带高度；

步骤2：获取冒落带高度H_m；

步骤3：对采空区顶板岩层自下而上编号为1,2,3,...，获取第i层岩层的厚度s_i；

步骤4：判定冒落带发育的最高岩层层位，并计算冒落带压实后的高度：

步骤4.1：令n＝1；

步骤4.2：通过实验测试第n层岩层冒落岩体的残余碎胀性系数k_n；

步骤4.3：判断

是否成立：

若是，则第n层是冒落带发育的最高层位，计算冒落带压实后的高度为

若否，则第n层不是冒落带发育的最高层位，令n＝n+1，转至步骤4.2；

步骤5：计算待采工作面地表最大下沉值为

进一步的，所述步骤2包括下述步骤：

步骤2.1：获取待采工作面所在井田的多个工作面的地质采矿参数、冒落带高度；所述地质采矿参数包括岩性比例系数d、采深s、采高M、工作面长度l、推进长度L、推进速度v；

步骤2.2：利用多个工作面的地质采矿参数、冒落带高度数据，采用MATLAB中的多元非线性回归分析拟合冒落带高度与地质采矿参数之间的关系，得到

其中，a₀、a₁、a₂、...、a₅、a₆、b₁、b₂、...、b₅、c₁、c₂、...、c₅均为拟合得到的系数；

步骤2.3：将待采工作面的地质采矿参数输入式(6)，得到待采工作面的冒落带高度。

本发明的有益效果为：

本发明基于冒落带高度和残余碎胀性系数来判定冒落带发育的最高岩层层位，并计算冒落带压实后的高度，根据冒落带压实后的高度和冒落带高度来计算覆岩剩余自由空间高度，将覆岩剩余自由空间高度作为地表最大下沉值，降低了地表最大下沉值计算的误差。本发明还利用多个工作面的地质采矿参数、冒落带高度数据，采用多元非线性回归分析拟合冒落带高度与地质采矿参数之间的关系，提高了冒落带高度的计算精度，进一步提高了地表最大下沉值计算的准确性，计算所得结果能够为采空区上覆地表及地表构筑物的安全评价和修复方案设计提供安全保障。

附图说明

图1为本发明的基于覆岩剩余自由空间高度的地表最大下沉值确定方法的流程图。

图2为本发明的基于覆岩剩余自由空间高度的地表最大下沉值确定方法中覆岩剩余自由空间高度的计算原理图。

图3为采空区顶板岩层的结构示意图。

图4为具体实施方式中工作面测点的布置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

本实施例中，以大平井田内S2S2综放工作面为例，使用本发明的方法确定工作面充分采动下的地表最大下沉值，并与实测效果对比，验证计算模型的准确度。

如图1所示，本发明的基于覆岩剩余自由空间高度的地表最大下沉值确定方法，包括下述步骤：

步骤1：构建待采工作面地表最大下沉值计算模型为

W₀＝H₀ (1)

式(1)中，W₀为地表最大下沉值，H₀为覆岩剩余自由空间高度。

在采空区内，煤层开采后形成的空间首先由顶板垮落岩层所充满，然后冒落岩石在其上的裂隙带和弯曲下沉带的岩层重力作用下逐渐压实、高度逐渐缩小。冒落岩石初始高度与压实高度之差为覆岩剩余自由空间高度，即覆岩层和地表垂直向下移动的距离，也就是地表最大下沉值。因此，地表最大下沉值的实质是地表在覆岩重力作用下能够向下移动的垂直距离，其大小等于覆岩剩余自由空间高度。

如图2所示，覆岩剩余自由空间高度是指采高与冒落破碎岩石压实后的残余碎胀高度之差，是上覆岩层及地表允许的下沉量，也是地表的最大下沉量。其中，冒落破碎岩石压实后的残余高度是指冒落破碎岩石压实后的高度与冒落带高度(冒落岩层厚度)之差。

只要计算出冒落岩体残余碎胀高度，根据采高即可计算出地表最大下沉值：

H₀＝M-H_c (2)

式(2)中，M为采高，H_c为冒落岩体的残余碎胀高度。

冒落岩体的残余碎胀高度为

H_c＝H-H_m (3)

式(3)中，H为冒落带压实后的高度，H_m为冒落带高度。

由式(1)-(3)得到W₀＝M-(H-H_m)

步骤2：获取冒落带高度H_m。

冒落带高度H_m可以采用本领域公知的任意一种手段来获取。

本实施例中，为提高冒落带高度计算的精度，采用下述步骤来获取待采工作面的冒落带高度：

步骤2.1：获取待采工作面所在井田的多个工作面的地质采矿参数、冒落带高度；所述地质采矿参数包括岩性比例系数d、采深s、采高M、工作面长度l、推进长度L、推进速度v；

步骤2.2：利用多个工作面的地质采矿参数、冒落带高度数据，采用MATLAB中的多元非线性回归分析拟合冒落带高度与地质采矿参数之间的关系，得到

其中，a₀、a₁、a₂、...、a₅、a₆、b₁、b₂、...、b₅、c₁、c₂、...、c₅均为拟合得到的系数；

步骤2.3：将待采工作面的地质采矿参数输入上式，得到待采工作面的冒落带高度。

本实施例中，获取了大平井田内多个工作面的地质采矿参数、冒落带高度数据，采用MATLAB中的多元非线性回归分析，得到

根据S2S2综放工作面的作业规程等相关资料，提炼出该工作面的各地质采矿参数如表1所示。

表1

将表1中S2S2综放工作面的地质采矿参数代入到冒落带高度计算公式中，得到冒落带高度为80.75m。

步骤3：如图3所示，对采空区顶板岩层自下而上编号为1,2,3,...，获取第i层岩层的厚度s_i。

步骤4：判定冒落带发育的最高岩层层位，并计算冒落带压实后的高度：

步骤4.1：令n＝1；

步骤4.2：通过实验测试第n层岩层冒落岩体的残余碎胀性系数k_n；

步骤4.3：判断

是否成立：

若是，则第n层是冒落带发育的最高层位，计算冒落带压实后的高度为

若否，则第n层不是冒落带发育的最高层位，令n＝n+1，转至步骤4.2。

其中，由于各岩层岩体的碎胀性系数和残余碎胀性系数不相同，为了得到煤层开采后冒落岩体被压实后的高度，首先要对冒落岩层发育的最高层位和最高位置进行判定，然后根据各个冒落岩层的高度和各个岩层岩体的残余碎胀性系数，才能求得冒落岩体被压实后的高度。

当煤层倾角较小时，采空区冒落岩石自然堆积在煤层底板之上，在继续冒落的岩块和上部岩层自重压力作用下，冒落带岩石由初始碎胀状态变成最终的压实状态。两种状态分别用初始碎胀性系数k_s和残余碎胀性系数k_i来表示。

岩石的初始碎胀性系数为岩石破碎后的体积与原岩体积之比，表示为：

其中，V₂为冒落岩石的体积，m3；V₁为岩层冒落前的体积，m3。

岩石的碎胀系数一般在1.05～1.80之间，根据工程实践表明岩石碎胀系数大小取决于岩石的强度、覆岩压力、破碎后的块度大小与排列结构等因素。

冒落岩石受上覆裂隙带和弯曲下沉带岩层的重力作用下压实，体积变小，初始碎胀性系数也变成残余碎胀性系数。冒落岩体压实稳定后的体积与原岩体积之比为岩石残余碎胀性系数k_i，表示为：

其中，V₃为破碎岩层受压后的体积，m3。

不同岩石的初始碎胀性系数与残余碎胀性系数经验值，如表2所示。

表2

采空区冒落带冒落岩体的压缩变形共分为3个阶段。第一个阶段是基本顶破断前阶段，煤层直接顶随回采冒落，冒落后的矸石在自重作用下，冒落岩石之间的碰撞，发生翻转、堆积现象，随着冒落岩体上覆自由空间的减小，冒落的程度和强度都会降低；第二阶段是基本顶破断回转压缩采空区冒落矸石阶段，冒落岩体上覆自由空间的减小，基本顶回转运动触及冒落的岩体时，会对下部冒落的岩体产生压缩作用力，将冒落岩体的体积减小，冒落岩体上覆的自由空间加大，回转部分的岩体也随之滑移、下落，充满采空区；第三阶段是基本顶回转运动趋于稳定后，冒落岩体上覆的自由空间较小，上覆岩体不能垮落，只能出现弯曲下沉，挤压下部采空区冒落的岩体，使得冒落的岩体在自重和上覆载荷的共同作用下，缓慢压缩变形，冒落岩体的下沉都不再发生变形、移动，采空区上覆地表的移动变形得到充分发育，达到最终稳定不变的状态，此时各岩层冒落岩体的碎胀性系数为残余碎胀性系数。

冒落岩层发育的最高层位与最高位置需要根据冒落带高度和各岩层厚度去判定：当冒落带高度大于第一层岩层高度时，第一层岩层冒落矸石压缩后的高度为k₁·s₁；当冒落带高度大于第一和第二层岩层高度之和时，第一和第二层岩层冒落矸石压缩后的高度为k₁·s₁+k₂·s₂；当冒落带高度小于第一至第n层高度之和也即

时，冒落带压缩后的高度为

其具体判定流程如图1所示。

本实施例中，结合S2S2综放工作面各岩层的层位高度关系，通过执行步骤4，得到S2S2综放工作面冒落带发育的最高层位为第4层。其中，S2S2综放工作面的冒落带依次发育在油页岩、粉砂岩、泥岩和砂泥岩四个岩层上，油页岩厚度为11m，上覆夹杂的粉砂岩厚度为10m，泥岩发育厚度为32m，砂泥岩发育厚度为32m。

步骤5：计算待采工作面地表最大下沉值为

结合表1中各岩层所得的冒落岩体残余碎胀性系数和式(5)，可得S2S2综放工作面的地表最大下沉值为

W₀＝13.93-(1.01-1)*11-(1.03-1)*10-(1.03-1)*32-(1.05-1)*(80.75-53)＝11.17m

本实施例中，为验证本发明的地表最大下沉值计算精度，对S2S2综放工作面的地表最大下沉值进行了实测。如图4所示，沿工作面推进方向中线位置布置一条观测线，测线距进回风巷道的垂直距离均为113.5m，测线上共计34个测点，间距为30m，各个测点均在工作面内部，其中1号测点距切眼2m。

当工作面回采结束后，工作面上覆地表中各测点连续6个月内累计下沉值小于30mm时，即认为地表移动变形结束，工作面达到充分采动。工作面达到充分采动时测点1至测点34范围内的下沉值如表3所示。

表3

根据表3中的观测结果可以看出，S2S2综放工作面充分采动后实测得到地表的最大下沉值为11.07m，与本发明计算得到的最大下沉值11.17m，相差0.1m，误差率仅为0.9％，误差较小，说明本发明的方法准确性高，而且本发明得到的最大下沉值数值比实际的大，能够为工作面开采后采空区上覆地表及地表构筑物的安全评价和修复方案设计提供安全保障。

可见，本发明将覆岩剩余自由空间高度作为地表最大下沉值，解决了待采工作面地表最大下沉值难以确定的问题。本发明基于冒落带高度和残余碎胀性系数来判定冒落带发育的最高岩层层位并计算冒落带压实后的高度，根据冒落带压实后的高度和冒落带高度来计算覆岩剩余自由空间高度，得到的地表最大下沉值计算模型大大降低了地表最大下沉值计算的误差。而且本发明还利用多个工作面的地质采矿参数、冒落带高度数据，采用多元非线性回归分析拟合了冒落带高度与地质采矿参数之间的关系，提高了冒落带高度的计算精度，进一步提高了地表最大下沉值计算的准确性，减小了由最大下沉值选择不当带来的其它移动变形值的预计误差，计算所得结果能够用于指导采空区上覆地表及地表构筑物的安全评价和修复方案设计。

显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于覆岩剩余自由空间高度的地表最大下沉值确定方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：构建待采工作面地表最大下沉值计算模型为

W₀＝H₀ (1)

式(1)中，W₀为地表最大下沉值，H₀为覆岩剩余自由空间高度；

H₀＝M-H_c (2)

式(2)中，M为采高，H_c为冒落岩体的残余碎胀高度；

H_c＝H-H_m (3)

式(3)中，H为冒落带压实后的高度，H_m为冒落带高度；

步骤2：获取冒落带高度H_m；

步骤3：对采空区顶板岩层自下而上编号为1,2,3,...，获取第i层岩层的厚度s_i；

步骤4：判定冒落带发育的最高岩层层位，并计算冒落带压实后的高度：

步骤4.1：令n＝1；

步骤4.2：通过实验测试第n层岩层冒落岩体的残余碎胀性系数k_n；

步骤4.3：判断

是否成立：

若是，则第n层是冒落带发育的最高层位，计算冒落带压实后的高度为

若否，则第n层不是冒落带发育的最高层位，令n＝n+1，转至步骤4.2；

步骤5：计算待采工作面地表最大下沉值为

2.根据权利要求1所述的基于覆岩剩余自由空间高度的地表最大下沉值确定方法，其特征在于，所述步骤2包括下述步骤：

步骤2.1：获取待采工作面所在井田的多个工作面的地质采矿参数、冒落带高度；所述地质采矿参数包括岩性比例系数d、采深s、采高M、工作面长度l、推进长度L、推进速度v；

步骤2.2：利用多个工作面的地质采矿参数、冒落带高度数据，采用MATLAB中的多元非线性回归分析拟合冒落带高度与地质采矿参数之间的关系，得到

其中，a₀、a₁、a₂、...、a₅、a₆、b₁、b₂、...、b₅、c₁、c₂、...、c₅均为拟合得到的系数；

步骤2.3：将待采工作面的地质采矿参数输入式(6)，得到待采工作面的冒落带高度。

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