CN112632717A - 一种采煤沉陷区内堤坝移动变形预测方法 - Google Patents

一种采煤沉陷区内堤坝移动变形预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开一种采煤沉陷区内堤坝移动变形预测方法，属于煤矿开采沉陷量测技术领域。依据堤坝所在矿区的煤层、煤层覆岩类型，结合所述矿区地质勘探资料及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中按覆岩岩性区分的地表移动参数综合表，确定用于预测堤坝移动变形所需预测参数；读取矿区河道地形图，沿河道划分多个河道横截面；基于所述预测参数，根据线积分法对每相邻两个截面之间的堤坝进行剖面移动变形计算，基于得到的所有剖面的移动变形量绘制整个堤坝的移动变形剖面图；根据所述整个堤坝的移动变形剖面图对堤坝移动变形进行预测。便于对沉陷区内堤坝移动变形进行预测，从而为沉陷区堤坝治理提供必要的数据基础。

Description

一种采煤沉陷区内堤坝移动变形预测方法
技术领域
本发明属于煤矿开采沉陷量测技术领域，特别是涉及一种采煤沉陷区内堤坝移动变形预测方法。
背景技术
地下煤层被采出后，上覆岩层的原始状态遭到破坏，由于应力重新分布，导致一定范围内的地面下沉，形成地表沉陷盆地，一般也称为开采沉陷(Mining subsidence)。目前开采沉陷计算范围大都是针对沉陷盆地，而类似于矩形范围区域，例如像堤坝、河道这种延伸长度较长的建、构筑物的沉陷区域的地表移动变形，尚没有相应的预测方法。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种采煤沉陷区内堤坝移动变形预测方法，便于对沉陷区内堤坝移动变形进行预测，从而为沉陷区堤坝治理提供必要的数据基础。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种采煤沉陷区内堤坝移动变形预测方法，包括步骤：
S10、依据堤坝所在矿区的煤层、煤层覆岩类型，结合所述矿区地质勘探资料及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中按覆岩岩性区分的地表移动参数综合表，确定用于预测堤坝移动变形所需预测参数；所述预测参数至少包括：地表下沉系数、主要影响角正切、开采影响传播角、水平移动系数及拐点偏移距；
S20、读取矿区河道地形图，沿河道划分多个河道横截面；每个河道横截面处；
S30、基于所述预测参数，根据线积分法对每相邻两个截面之间的堤坝进行剖面移动变形计算，基于得到的所有剖面的移动变形量绘制整个堤坝的移动变形剖面图；
S40、根据所述整个堤坝的移动变形剖面图对堤坝移动变形进行预测。
可选地，所述步骤S30中，基于所述预测参数，根据线积分法对每相邻两个截面之间的堤坝进行剖面移动变形计算具体包括：接收输入至线积分计算模型中的所述预测参数；所述线积分计算模型包括线积分公式；
基于所述预测参数，调用所述线积分公式，根据线积分法计算出每个堤坝剖面移动变形量。
可选地，所述堤坝移动变形量包括水平移动量与水平变形量；
所述基于所述预测参数，根据线积分法计算出每个堤坝剖面移动变形量包括：在每个剖面中取若干样本点，样本点坐标为(x，y)；
根据公式
Figure BDA0002828582300000021
计算堤坝剖面沿X方向的水平移动量；
根据公式
Figure BDA0002828582300000022
计算堤坝剖面沿Y方向的水平移动量；
根据公式
Figure BDA0002828582300000023
计算堤坝剖面沿X方向的水平变形量；
根据公式
Figure BDA0002828582300000024
计算堤坝剖面沿Y方向的水平变形量；
式中：Wcm＝m·ηcosα，单位：mm；Ucm＝b·Wcm，单位：mm；m为采厚，mm；η为地表下沉系数，ξ为地表坐标值；α为煤层倾角，b为水平移动系数；r为等价计算工作面的主要影响半径，mm，r＝Hd/tgβ；Hd为等价开采影响深度，m；tgβ为主要影响角正切；Li等价计算工作面各边界的直线段；θ0为开采影响传播角；ix(x，y)为沿X方向的倾斜值，mm/m；所述X方向为煤层走向；Ux(x，y)为沿x(煤层走向)方向的水平移动值，mm；Uy(x，y)为沿Y方向的水平移动值，mm；εx(x，y)为沿X方向的水平变形量，mm/m；εy(x，y)为沿Y方向的水平变形量，mm/m。
可选地，所述移动变形量还包括下沉量；
在步骤S30中，根据线积分法计算出每个堤坝剖面移动变形量还包括：
基于若干样本点，根据公式
Figure BDA0002828582300000031
计算出堤坝剖面下沉量。
可选地，所述移动变形量还包括倾斜量；在步骤S30中，所述基于所述预测参数，根据线积分法计算出每个堤坝剖面移动变形量还包括：
基于若干样本点，根据公式
Figure BDA0002828582300000032
计算出堤坝剖面沿X方向的倾斜量；
根据公式
Figure BDA0002828582300000033
计算出堤坝剖面沿Y方向的倾斜量。
本发明实施例提供的采煤沉陷区内堤坝移动变形预测方法，通过依据堤坝所在矿区的煤层、煤层覆岩类型，结合所述矿区地质勘探资料及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中按覆岩岩性区分的地表移动参数综合表，确定用于预测堤坝移动变形所需预测参数；基于矿区河道地形图进行分割出多个剖面，计算得到所有剖面移动变形量，并根据所有剖面绘制出整个堤坝的移动变形剖面图；根据所述整个堤坝的移动变形剖面图对堤坝移动变形进行预测。相比于目前的仅采用基于随机介质理论的概率积分法在开采沉陷区移动和变形预测中的应用，便于较为准确地对沉陷区内堤坝移动变形进行预测，从而为沉陷区堤坝治理提供必要的数据基础。
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它的附图。
图1是本发明中采煤沉陷区内堤坝移动变形预测方法一实施例流程示意图；
图2是本发明中开展预测实验所选择的一矿区地形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，为了更加清楚说明本发明，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本发明同样可以实施。另外，为了凸显本发明的发明主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本发明的实施。本文所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的采煤沉陷区内堤坝移动变形预测方法，主要针对采煤沉陷区内堤坝或河道移动变形进行预测。可以理解的是，该类矿区一般位于临近河道，如图2所示，堤坝或河道位于采煤形成的沉陷区内，目前针对采煤沉陷区一般采用概率积分法煤矿开采引起的地表沉陷盆地变形等进行计算分析，对于堤坝或河道这样延伸延伸长度较长的建、构筑物的沉陷区域尚未有相应移动变形预测方案。
如图1所示，本发明提供的采煤沉陷区内堤坝移动变形预测方法包括步骤：
S10、依据堤坝所在矿区的煤层、煤层覆岩类型，结合所述矿区地质勘探资料及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中按覆岩岩性区分的地表移动参数综合表，确定用于预测堤坝移动变形所需预测参数：所述预测参数至少包括：地表下沉系数、主要影响角正切、开采影响传播角、水平移动系数及拐点偏移距：堤坝移动变形所需预测参数如下表1所示：
序号 预计参数 符号 取值 备注
1 地表下沉系数 η 0.9
2 主要影响角正切 tanβ 2.5
3 开采影响传播角 θ 90o-0.6α α为煤层倾角°
4 水平移动系数 b 0.3
5 拐点偏移距 S 0
表1
S20、读取矿区河道地形图，沿河道划分多个河道横截面：每个河道横截面宽于两侧堤坝之间的距离，且位于下方采煤工作面开采完毕后产生的最大沉降处。
其中，矿区河道地形图可以基于地图软件，如高德地图、腾讯地图等采集的当前矿区河道三维地形图，直接进行读取：也可以用计算机绘图软件进行绘制。河道地形图确定之后，为便于后续线积分计算，需要沿河道划分多个河道横截面：划分时，每个河道横截面宽于两侧堤坝之间的距离。
S30、基于所述预测参数，根据线积分法对每相邻两个截面之间的堤坝进行剖面移动变形计算，基于得到的所有剖面的移动变形量绘制整个堤坝的移动变形剖面图；
本实施例中，线积分法也称为线积分转换，其由于可以利用格林公式将概率积分法的二重积分转换为定积分，完美解决了由于煤矿开采工作面的不规则性导致的利用概率积分法的二重积分上下限难以确定的问题。
S40、根据所述整个堤坝的移动变形剖面图对堤坝移动变形进行预测。
本发明实施例提供的采煤沉陷区内堤坝移动变形预测方法，通过依据堤坝所在矿区的煤层、煤层覆岩类型，结合所述矿区地质勘探资料及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中按覆岩岩性区分的地表移动参数综合表，确定用于预测堤坝移动变形所需预测参数；基于矿区河道地形图进行分割、剖面计算得到所有剖面，并根据所述剖面绘制出移动变形剖面图模型；并在所述模型中预设线积分公式，根据所述整个堤坝的移动变形剖面图、及其预设的线积分公式及所述预测参数对堤坝移动变形进行预测。相比于目前的仅采用基于随机介质理论的概率积分法在开采沉陷区移动和变形预测中的应用(一般用于针对开采沉陷盆地的移动和变形进行计算分析)，便于较为准确地对沉陷区内堤坝移动变形进行预测，从而为沉陷区堤坝治理提供必要的数据基础。
在一些实施例中，所述步骤S30中，基于所述预测参数，根据线积分法对每相邻两个截面之间的堤坝进行剖面移动变形计算具体包括：
步骤S31、接收输入至线积分计算模型中的所述预测参数；所述线积分计算模型包括线积分公式；
S32、基于所述预测参数，调用所述线积分公式，根据线积分法计算出每个堤坝剖面移动变形量。
在一些具体实施例中，所述堤坝移动变形量包括水平移动量与水平变形量；
所述基于所述预测参数，根据线积分法计算出每个堤坝剖面移动变形量包括：在每个剖面中取若干样本点，样本点坐标为(x，y)；
基于若干样本点，根据公式
Figure BDA0002828582300000071
计算堤坝剖面沿X方向的水平移动量；
根据公式
Figure BDA0002828582300000072
计算堤坝剖面沿Y方向的水平移动量；
根据公式
Figure BDA0002828582300000073
计算堤坝剖面沿X方向的水平变形量；
根据公式
Figure BDA0002828582300000074
计算堤坝剖面沿Y方向的水平变形量；
式中：Wcm＝m·ηcosα，单位：mm；Ucm＝b·Wcm，单位：mm；m为采厚，mm；η为地表下沉系数，ξ为地表坐标值；α为煤层倾角，b为水平移动系数；r为等价计算工作面的主要影响半径，mm，r＝Hd/tgβ；Hd为等价开采影响深度，m；tgβ为主要影响角正切；Li等价计算工作面各边界的直线段；θ0为开采影响传播角；ix(x，y)为沿X方向的倾斜值，mm/m；所述X方向为煤层走向；Ux(x，y)为沿x(煤层走向)方向的水平移动值，mm；Uy(x，y)为沿Y方向的水平移动值，mm；εx(x，y)——沿X方向的水平变形量，mm/m；εy(x，y)为沿Y方向的水平变形量，mm/m。
在另外一些实施例中，所述移动变形量还包括下沉量；
在步骤S30中，所述基于所述预测参数，调用所述线积分公式，根据线积分法计算出每个堤坝剖面移动变形量还包括：
基于若干样本点，根据公式
Figure BDA0002828582300000081
计算出堤坝剖面下沉量。
具体地，所述移动变形量还包括倾斜量；在步骤S30中，所述基于所述预测参数，根据线积分法计算出每个堤坝剖面移动变形量还包括：
基于若干样本点，根据公式
Figure BDA0002828582300000082
计算出堤坝剖面沿X方向的倾斜量；
根据公式
Figure BDA0002828582300000083
计算出堤坝剖面沿Y方向的倾斜量。
式中，ix(x，y)为沿X(煤层走向)方向的倾斜值，mm/m；iy(x，y)为沿Y(煤层倾向)方向的倾斜值，mm/m；
在一些实施例中，所述移动变形量还包括堤坝曲率变形量；在步骤S30中，所述基于所述预测参数，根据线积分法计算出每个堤坝剖面移动变形量还包括：
基于若干样本点，根据公式
Figure BDA0002828582300000084
计算出堤坝剖面沿X方向的曲率变形量。
基于若干样本点，根据公式：
Figure BDA0002828582300000085
计算出堤坝剖面沿Y方向的曲率变形量；
式中：Kx(x，y)为沿X(煤层走向)方向的曲率变形值，10-3×1/m；Ky(x，y)为沿Y(煤层倾向)方向的曲率变形值，10-3×1/m。
在一些基于本发明实施例提供的堤坝移动变形预测方法的实验实例中，如图2所示，在临近河道的矿区，首先确定了沉陷预测所需的参数，具体为依据某矿II3区煤层、煤层覆岩类型，参考该矿现有资料，并结合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中按覆岩岩性区分的地表移动参数综合表，确定最终预计参数的选取，一些具体参数值可以参看表1。
其次，划分堤坝横截面。如图2所示，具体为：为预测河道与堤坝变形移动情况，沿河道划分十一个河道横截面，截面宽于两侧堤坝之间的距离，尽量保证每个横截面都位于下方工作面开采完毕后产生的最大沉降处，截面划分好之后，对每相邻两个截面之间的堤坝进行剖面计算，最终将所有剖面进行整合，绘制整个堤坝的移动变形剖面图。
再次，在移动变形剖面图模型绘制好之后，对堤坝及河道整体移动变形影响进行分析。具体为：在II3煤层开采时，右侧工作面首采面为三片工作面之后依次为右四→右五→右六→右七→右八→右九→右十→右一→右二→左片区工作面，每个阶段结束之后对东西侧堤坝及河道的移动变形情况基于本实施提供的预测方法，利用所述移动变形剖面图模型对堤坝移动变形进行计算预测；并绘制预测结果剖面图，统计每个阶段堤坝的地表下沉值，如表2所示。
Figure BDA0002828582300000091
Figure BDA0002828582300000101
表2
根据上述表2中的计算结果可知，西侧堤坝受采动影响总长度为2580m，东侧堤坝受采动影响总长度为2820m，河道受采动影响总长度为2700m，右九工作面开采完毕之后河道与堤坝下沉值达到最大，均超过12m，最大值位置产生在D-D，与E-E，截面之间，左一工作面开采完毕后，位于左一工作面上方的东侧堤坝下沉值为2.9m，西侧堤坝及河道受左片区工作面影响较小。
另外，根据剖面图模型还可以直观看到堤坝移动变形情况，并通过预测结果有针对性的设计堤坝保护方案，最终达到保护堤坝的目的。
本发明实施例中，针对堤坝这种延伸方向较长的建构筑物设计了沉陷预测方法，沿着延伸方向划分多个横截面，然后对相邻两个截面之间的部分进行剖面计算，最后将全部剖面进行整合，统计所有剖面的移动变形情况，绘制整体的剖面图，根据整体堤坝剖面图便于直观地预测沉陷区内堤坝的移动变形状况，从而为沉陷区堤坝治理提供必要的数据基础。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种采煤沉陷区内堤坝移动变形预测方法，其特征在于，包括步骤：
S10、依据堤坝所在矿区的煤层、煤层覆岩类型，结合所述矿区地质勘探资料及《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中按覆岩岩性区分的地表移动参数综合表，确定用于预测堤坝移动变形所需预测参数；所述预测参数至少包括：地表下沉系数、主要影响角正切、开采影响传播角、水平移动系数及拐点偏移距；
S20、读取矿区河道地形图，沿河道划分多个河道横截面；每个河道横截面宽于两侧堤坝之间的距离，且位于下方采煤工作面开采完毕后产生的最大沉降处；
S30、基于所述预测参数，根据线积分法对每相邻两个截面之间的堤坝进行剖面移动变形计算，基于得到的所有剖面的移动变形量绘制整个堤坝的移动变形剖面图；
S40、根据所述整个堤坝的移动变形剖面图对堤坝移动变形进行预测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S30中，基于所述预测参数，根据线积分法对每相邻两个截面之间的堤坝进行剖面移动变形计算具体包括：接收输入至线积分计算模型中的所述预测参数；所述线积分计算模型包括线积分公式；
基于所述预测参数，调用所述线积分公式，根据线积分法计算出每个堤坝剖面移动变形量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述堤坝移动变形量包括水平移动量与水平变形量；
所述基于所述预测参数，根据线积分法计算出每个堤坝剖面移动变形量包括：在每个剖面中取若干样本点，样本点坐标为(x，y)；
基于若干样本点，根据公式
Figure FDA0002828582290000021
计算堤坝剖面沿X方向的水平移动量；
根据公式
Figure FDA0002828582290000022
计算堤坝剖面沿Y方向的水平移动量；
根据公式
Figure FDA0002828582290000023
计算堤坝剖面沿X方向的水平变形量；
根据公式
Figure FDA0002828582290000024
计算堤坝剖面沿Y方向的水平变形量；
式中：Wcm＝m·ηcosα，单位：mm；Ucm＝b·Wcm，单位：mm；m为采厚，mm；η为地表下沉系数，ξ为地表坐标值；α为煤层倾角，b为水平移动系数；r为等价计算工作面的主要影响半径，mm，r＝Hd/tgβ；Hd为等价开采影响深度，m；tgβ为主要影响角正切；Li等价计算工作面各边界的直线段；θ0为开采影响传播角；ix(x，y)为沿X方向的倾斜值，mm/m；所述X方向为煤层走向；Ux(x，y)为沿x(煤层走向)方向的水平移动值，mm；Uy(x，y)为沿Y方向的水平移动值，mm；εx(x，y)为沿X方向的水平变形量，mm/m；εy(x，y)为沿Y方向的水平变形量，mm/m。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述移动变形量还包括下沉量；
在步骤S30中，根据线积分法计算出每个堤坝剖面移动变形量还包括：
基于若干样本点，根据公式
Figure FDA0002828582290000025
计算出堤坝剖面下沉量。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述移动变形量还包括倾斜量；在步骤S30中，根据线积分法计算出每个堤坝剖面移动变形量还包括：
基于若干样本点，根据公式
Figure FDA0002828582290000031
计算出堤坝剖面沿X方向的倾斜量；
根据公式
Figure FDA0002828582290000032
计算出堤坝剖面沿Y方向的倾斜量。
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