CN112749477A - 厚表土薄基岩煤矿立井井筒偏斜量的预计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种厚表土薄基岩煤矿立井井筒偏斜量的预计方法，所述预计方法包括如下步骤：1)建立煤层开采引发地层水平移动的预计模型；2)建立底部含水层疏水固结引发地层水平移动的预计模型；3)获得所述厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量的预计模型；4)通过所述厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量预计模型计算所述煤矿立井井筒偏斜量。该预计方法竖直方向将研究视角延伸到深部承压含水地层疏水固结过程中的水土耦合作用，水平方向将研究视角拓展到工业广场与底部含水层非对称疏水范围，探究厚表土薄基岩开采与底含非对称疏水固结沉降共同作用下的立井井筒偏斜规律，为进一步揭示其偏斜机理提供理论依据。

Description

厚表土薄基岩煤矿立井井筒偏斜量的预计方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采领域，特别涉及一种厚表土薄基岩煤矿立井井筒偏斜量的预计方法。

背景技术

通过国内多年研究表明，造成多数井筒破损的主因是破坏煤矿立井穿越的松散层底部含水层(底砾层)多直接覆盖在煤系地层之上，煤矿生产导致底部含水层疏水，引起井筒周围土层产生二次固结沉降，产生作用于井筒之上的竖向附加力所致。

矿区厚表土(400m以深)薄基岩井筒出现了一种表土段井筒偏斜与竖向压缩变形共存的新破损形态。以一煤矿主、副、风三个立井井筒为例，该矿设计生产能力2.4Mt/a，工广内主、副、风净直径分别为5.0m、6.5m、 5.5m，主、副、风井深分别为853.0m、882.0m、773.0m，穿越的松散层厚度分别为587.4m、586.2m、578.1m，且松散层底部含水层直接覆盖于煤系地层之上。正式投产后，5年后对主、副井筒测量后发现：主井井筒向北、西两方向最大偏斜量分别为30mm、348mm；副井井筒向北、西两方向最大偏斜量分别为104mm、336mm；且井筒偏斜发生在表土基岩交界面以上表土段。

矿井筒偏斜破损形态导致其偏斜的机理研究尚属空白，迫切需要针对厚表土薄基岩地质开采条件，密切结合厚表土底部承压含水层疏水固结的真实工况，探究厚表土薄基岩开采与底含非对称疏水固结沉降共同作用下的立井井筒偏斜规律，为进一步揭示其偏斜机理提供理论依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚表土薄基岩煤矿立井井筒偏斜量的预计方法，能够揭示厚表土薄基岩开采沉陷规律及其内在机理以指导煤矿开采，用于煤矿开采沉陷区防治与确保近采区建(构)筑物安全，建立厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量的预计模型并计算煤矿立井井筒的偏斜量。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种厚表土薄基岩煤矿立井井筒偏斜量的预计方法，煤矿立井井筒由地表至下依次穿越的地层为：厚表土层和薄基岩层，所述厚表土层的上表面为所述地表、所述厚表土层的下部为底部含水层、所述地表与所述底部含水层之间为上覆表土层，所述上覆表土层包括多层上部含水层和多层隔水层，所述上部含水层和所述隔水层交替出现，与所述底部含水层的上端接触的为一层所述上部隔水层，所述底部含水层内为具有固相土粒和承压水的固液两相随机介质；煤矿采区由地表至下依次穿越的地层为：厚表土层、薄基岩层和煤层；所述煤矿立井井筒偏斜量由所穿越地层的水平移动所致，所述水平移动由煤层开采和底部含水层疏水固结共同引发，所述煤矿立井井筒偏斜量体现为地层的水平移动，

所述预计方法包括如下步骤：

1)建立煤层开采引发地层水平移动的预计模型

在二维坐标系情况下任一煤层单元dξ₂dη₂开采引发上覆地层任意点 A(x,z)的下沉量W_ce(x,z)为：

r(z)：煤层开采对z水平地层沉陷的影响半径，r(z)＝(H+z)/tanβ₂；dξ₂：所述煤层单元的水平尺寸；dη₂：所述煤层单元的竖向尺寸；β₂：主要影响角正切；

将所述二维坐标扩展为三维坐标系统，若煤层是水平的，煤层坐标系o₂、ξ₂、

η₂和地层变形坐标系o、x、y、z水平投影重合，则煤层单元

的开采引发地层任意点A(x,y,z)的下沉量W_ce(x,y,z)为：

在倾斜煤层中，煤层顶板的最大下沉量为W₀，则在整个开采范围Ω₂内采煤引发地层任意点A(x,y,z)点的下沉量为：

则在整个开采范围Ω₂内采煤引起地层任意点A(x,y,z)点沿任意方向

的水平移动的移动量为：

b为水平移动系数，

为地层任意点A(x,y,z)任一方向顺时针与x轴的夹角；

2)建立底部含水层疏水固结引发地层水平移动的预计模型

所述底部含水层疏水固结引发的地层任意点的下沉量W_w(x,y,z)可由下沉源函数

和下沉传播分布函数

表示为：

其中，Ω₁为底部含水层疏水区域；

则所述底部含水层疏水固结引发的地层任意点A(x,y,z)沿任意方向

的水平移动的移动量为：

B为厚表土层水平移动系数；η₁为上覆地层某一点到底部含水层底部的距离，在地表任意处η₁＝H，H为所述厚表土层的厚度；β₁为底含疏水固结引起上覆地层沉降的主要影响范围角；

3)将所述煤层开采和所述底部含水层疏水固结引发的地层水平移动的移动量进行线性叠加以获得所述厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量的预计模型；

4)通过所述厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量预计模型计算所述煤矿立井井筒偏斜量。

进一步地，在上述的预计方法中，在所述步骤2)中，由所述下沉源函数

计算得到底部含水层三维单元

疏水产生的压缩变形量ds，在二维坐标系中，底部含水层疏水前位于深度H-η₁处的平面单元 dξ₁dη₁固相土粒间的有效应力为σ满足如下计算公式：

σ＝(H-M)γ₀+(M-η₁)γ_f-(h-η₁)γ_w式7

其中，η₁：底部含水层内任一平面单元到底部含水层底部的距离；γ₀：底部含水层以上所有地层土体的平均容重，kN/m³；γ_f：底部含水层内承压水中饱和土体的容重，kN/m³；γ_w：底部含水层内承压孔隙水的容重，kN/m³； h：底部含水层各点初始水头的高度；H：所述厚表土层的厚度；M：所述底部含水层的厚度；dξ₁：所述平面单元的水平尺寸；dη₁：所述平面单元的竖向尺寸；底部含水层的底部发生疏水，初始水头的高度下降Δh，由于上覆表土层的总应力保持恒定，孔隙水压力降低的部分转化为由固相土粒承担，故底部含水层内深度H-η₁处平面单元dξ₁dη₁的有效应力增加为：

由土的压密系数公式和固结公式，可得位于深度(H-η₁)处的平面单元 dξ₁dη₁在有效应力增量

作用下产生的压缩变形量ds，其压缩量函数即为底部含水层平面单元的所述下沉源函数

其中，e₀：所述底部含水层的初始孔隙比；C_c：所述底部含水层的压缩指数。

进一步地，在上述的预计方法中，在所述步骤2)中，根据将所述底部含水层二维平面单元的所述下沉源函数

计算得到底部含水层疏水产生的压缩变形量ds，由所述下沉传播分布函数计算得到所述底部含水层二维平面单元疏水固结引发的地层下沉量，即：

其中，W_we(x,z)是任一二维平面单元疏水固结引发的地层任意点A(x,z)下沉量，r(η₁)为η₁水平上所述底部含水层疏水固结引起上覆地层沉降的主要影响范围；

在整个所述底部含水层疏水固结影响的半径范围-R_w～+R_w内，任何二维平面单元疏水固结均产生微小体积压缩dξ₁ds，地层由于底部含水层疏水固结引发的最终下沉量W_w(x,z)即为二维平面单元dξ₁dη₁影响的叠加：

将所述二维坐标系统扩展为三维坐标系统，底部含水层疏水固结坐标系 o₁、ξ₁、

η₁和地层变形坐标系o、x、y、z水平投影重合，则地层x方向的下沉W_we(x,z)和y方向下沉量W_we(y,z)分别为：

则底部含水层η₁水平处某一三维单元

的疏水固结引发所述地层任意点A(x,y,z)的下沉量W_we(x,y,z)可表示为：

则在底部含水层顶部与底部含水层底部之间的整个底部含水层疏水固结影响半径范围-R_w～+R_w内，任何三维单元疏水固结均产生微小体积压缩

地层因底部含水层疏水固结引发的最终下沉量W_w(x,y,z)即为上述微元体影响的叠加：

进一步地，在上述的预计方法中，在所述步骤3)中，所述煤层开采和所述底部含水层疏水固结均将引发地层水平移动，所述煤层开采和所述底部含水层疏水固结引发的地层水平移动相互独立，则地层水平移动的最终移动量可表示为所述煤层开采引发的地层水平移动和所述底部含水层疏水固结引发的地层水平移动线性叠加的结果：

进一步地，在上述的预计方法中，在所述步骤1)之前还包括准备步骤，所述准备步骤具体包括，由所述地表对薄基岩层和厚表土层进行钻孔取芯，确定所述底部含水层的厚度M并对取芯的试样开展力学试验，测试底部含水层容重γ₀及其以上所有地层土体的平均容重γ_f、所述底部含水层的压缩指数C_c与初始孔隙比e₀；监测煤层开采前后及其开采过程中所述底部含水地层的水位变化；根据所述底部含水地层的水位变化，确定所述底部含水地层疏水固结前的初始水位h以及所述底部含地层疏水固结后的稳定水位f(ξ₁)；根据所述底部含水地层不同位置处的水位变化计算水位下降值：Δh＝h-f(ξ₁)。

进一步地，在上述的预计方法中，所述地层变形的中心、所述煤层开采的中心以及底部含水层疏水固结的中心在地表水平面投影重合，采用统一坐标系建立预计模型，所述统一坐标系包括地层变形坐标系、煤层开采坐标系和底部含水层疏水固结坐标系共三个坐标系，上述三个坐标系的比例尺相同，其中，所述地层变形坐标系选择走向采空区中央正上方的地表点o作为横坐标轴x的原点，由原点沿水平面指向煤层走向方向为x轴正向；由原点竖直向上为z轴正向；y轴分别垂直x轴和z轴，且x、y、z轴满足右手螺旋定则；地层任意点A(x,y,z)下沉值W(x,y,z)和水平移动值

分别由原点o 竖直向下和竖直向上；所述底部含水层疏水固结底部含水层疏水固结坐标系的坐标原点在走向采空区底板中点正上方的底部含水层的底部o₁，横坐标ξ₁与x轴方向相同，纵坐标η₁竖直向上；

轴分别垂直ξ₁轴和η₁轴，且ξ₁、

η₁轴满足右手螺旋定则；所述煤层开采坐标系的坐标原点在走向采空区底板中点o₂，横坐标ξ₂与x轴方向相同，纵坐标η₂竖直向上；

轴分别垂直ξ₂轴和η₂轴，且ξ₂、

η₂轴满足右手螺旋定则。

进一步地，在上述的预计方法中，所述煤层开采引发的地层沉陷满足传统概率积分法沉陷模型，遵循线性叠加原理，移动稳定后由于煤层开采引发的地层下沉体积V_下沉2等于煤采出体积V_采煤，即V_下沉2＝V_采煤；

所述底部含水层疏水固结中的底部含水层为承压含水地层，所述底部含水层中的孔隙被承压水充满、固相土粒和孔隙内的承压水不可压缩，可视为水平均质、各向同性的固液两相随机介质，所述上覆表土层在所述底部含水层疏水固结下沉过程中服从随机介质理论；

所述底部含水层为半无限空间体，底部含水层疏水固结造成的孔隙压缩仅沿竖向发生，同类土的压缩性质不随深度而变化。

进一步地，在上述的预计方法中，所述底部含水层属于承压含水层，所述底部含水层疏水形成虚拟降落漏斗，整个所述底部含水层还充满承压水，在疏水固结的影响范围内整个底部含水层均发生疏水固结压缩，将底部含水层的虚拟降落漏斗范围内疏水固结引发的地层压缩看作变厚开采。

进一步地，在上述的预计方法中，在所述步骤4)中，所述煤矿立井井筒的偏斜量借助厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量的预计模型来计算，具体方式如下：

把所述煤矿立井井筒的偏斜量等效为厚表土薄基岩内不同深度对应层位坐标点A(x,y,z)的地层水平移动来处理，所以所述煤矿立井井筒的偏斜量采用概率积分法进行预计，预计时采用步骤3)中所述厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量的预计模型中相同的公式，参数应取预计点在不同深度 H-η₁上所具有的不同值，即：

r(z)＝(H+z)/tanβ₂。

经研究分析表明，随着厚表土薄基岩下煤炭资源的大量开采，底含水通过基岩导水裂隙带大量疏降，水位显著降低，发生二次固结沉降，这种由于采煤作用引起的底含疏水沉降，进而对各地层产生的附加沉降变形已无法忽视。

分析可知，本发明提供的厚表土薄基岩煤矿立井井筒偏斜量的预计方法，针对厚表土薄基岩地质条件，密切结合厚表土底部承压含水层疏水固结的真实工况，竖直方向将研究视角延伸到深部承压含水地层疏水固结过程中的水土耦合作用，水平方向将研究视角拓展到工业广场与底部含水层非对称疏水范围，探究厚表土薄基岩开采与底含非对称疏水固结沉降共同作用下的立井井筒偏斜规律，为进一步揭示其偏斜机理提供理论依据。

考虑到厚表土底部含水层属于承压含水层，其疏水固结沉降特性与浅部潜水地层的疏水显著不同。鉴于目前针对厚表土薄基岩煤层开采与底含承压水疏水沉降共同作用下煤矿立井井筒偏斜破损机理研究方面尚无偏斜量预计模型及预计方法，为揭示厚表土薄基岩煤矿立井井筒偏斜破损机理以指导煤矿立井井筒防治与确保近采区建(构)筑物安全，建立厚表土薄基岩煤矿立井井筒偏斜量的预计方法，对确保类似条件矿井井筒运行安全具有重要的理论意义和应用价值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明一实施例的煤矿立井井筒与煤矿采区位置关系示意图。

图2为本发明一实施例的由煤层开采和底部含水层疏水固结共同引发地层变形的示意图。

图3为本发明一个实施例的底部含水层疏水固结引发的地层变形的二维平面模型示意图；

图4为本发明一个实施例的底部含水层疏水固结引发的地层变形的三维坐标系示意图；

图5为本发明一个实施例的地表沉陷与埋深100米处地层沉陷的计算结果；

图6为本发明一个实施例的地表水平移动与埋深100米处地层水平移动的计算结果；

图7为本发明一个实施例的煤矿立井井筒距离煤矿开采中心1500m处的偏斜量预计结果。

附图标记说明：1煤矿采区；2立井井筒；3厚表土层；4底部含水层；5 薄基岩层；6煤层；7底板。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

如图1至图7所示，根据本发明的实施例，提供了一种厚表土薄基岩煤矿立井井筒2偏斜量的预计方法。煤矿立井井筒2由地表至下依次穿越的地层为：厚表土层3和薄基岩层5，厚表土层3的上表面为地表、厚表土层3 的下部为底部含水层4、地表与底部含水层4之间为上覆表土层，上覆表土层包括多层上部含水层和多层隔水层，上部含水层和隔水层交替出现，与底部含水层4的上端接触的为一层上部隔水层，底部含水层4内为具有固相土粒和承压水的固液两相随机介质。

煤矿采区1由地表至下依次穿越的地层为：厚表土层3、薄基岩层5和煤层6；煤层6的下方为底板7。

煤矿立井井筒2偏斜量由所穿越地层的水平移动所致，水平移动由煤层 6开采和底部含水层4疏水固结共同引发，煤矿立井井筒2偏斜量体现为地层的水平移动，地层的水平移动为非均匀水平移动。其中，底部含水层4属于承压含水层，底部含水层4疏水形成虚拟降落漏斗，整个底部含水层4还充满承压水，在疏水固结的影响范围内整个底部含水层4均发生疏水固结压缩，将底部含水层4的虚拟降落漏斗范围内疏水固结引发的地层压缩看作变厚开采。

所述预计方法包括如下步骤：

1)建立煤层开采引发地层水平移动的预计模型

在二维坐标系情况下任一煤层单元dξ₂dη₂开采引发上覆地层任意点 A(x,z)的下沉量W_ce(x,z)为：

r(z)：煤层开采对z水平地层沉陷的影响半径，r(z)＝(H+z)/tanβ₂；dξ₂：煤层单元的水平尺寸；dη₂：煤层单元的竖向尺寸；β₂：主要影响角正切；

将二维坐标扩展为三维坐标系统，若煤层是水平的，煤层坐标系o₂、ξ₂、

η₂和地层变形坐标系o、x、y、z水平投影重合，则煤层单元

的开采引发地层任意点A(x,y,z)的下沉量W_ce(x,y,z)为：

在倾斜煤层6中，煤层6顶板的最大下沉量为W₀，则在整个开采范围Ω₂内采煤引发地层任意点A(x,y,z)点的下沉量为：

则在整个开采范围Ω₂内采煤引起地层任意点A(x,y,z)点沿任意方向

的水平移动的移动量为：

b为水平移动系数，

为地层任意点A(x,y,z)任一方向顺时针与x轴的夹角。

煤层开采引发的地层沉陷满足传统概率积分法沉陷模型，传统概率积分法沉陷模型可参见《煤矿开采沉陷学》，郭增长等，第91页，煤炭工业出版社，2016年7月第2版。煤层开采引发的地层沉陷遵循线性叠加原理，移动稳定后由于煤层开采引发的地层下沉体积V_下沉2等于煤采出体积V_采煤，即V _下沉2＝V_采煤；

底部含水层疏水固结中的底部含水层为承压含水地层，底部含水层中的孔隙被承压水充满、固相土粒和孔隙内的承压水不可压缩，可视为水平均质、各向同性的固液两相随机介质，上覆表土层在底部含水层疏水固结下沉过程中服从随机介质理论；

底部含水层为半无限空间体，即土的压缩是在具有侧限的情况下进行，底部含水层中的疏水固结造成的孔隙压缩仅沿竖向发生，同类土的压缩性质不随深度而变化。

2)建立底部含水层疏水固结引发地层水平移动的预计模型

底部含水层疏水固结引发的地层任意点的下沉量W_w(x,y,z)可由下沉源函数

和下沉传播分布函数

表示为：

其中，Ω₁为底部含水层疏水区域；

则底部含水层疏水固结引发的地层任意点A(x,y,z)沿任意方向

的水平移动的移动量为：

B为厚表土层水平移动系数，其值的定义与煤层开采沉陷中的水平移动系数b相似，但其值与底含实际的渗透特性、变形特性和疏水特征有关，一般取值约在0.2～0.4之间；η_i为上覆地层某一点到底部含水层底部的距离，在地表任意处η₁＝H，H为厚表土层的厚度；β₁为底含疏水固结引起上覆地层沉降的主要影响范围角；

在步骤2)中，底部含水层疏水固结主要是由于承压水(孔隙水)压力降低后有效应力增加而导致的固相土粒孔隙的减小。由下沉源函数

计算得到底部含水层三维单元

疏水产生的压缩变形量 ds，

在二维坐标系中，底部含水层疏水前位于深度(H-η₁)处的二维平面单元dξ₁dη₁固相土粒间的有效应力为σ满足如下计算公式：

σ＝(H-M)γ₀+(M-η₁)γ_f-(h-η₁)γ_w 式7

其中，η₁：底部含水层内任一二维平面单元到底部含水层底部的距离；γ₀：底部含水层以上所有地层土体的平均容重，kN/m³；γ_f：底部含水层内承压水中饱和土体的容重，kN/m³；γ_w：底部含水层内承压孔隙水的容重，kN/m³； h：底部含水层各点初始水头的高度；H：厚表土层的厚度；M：底部含水层的厚度；dξ₁：二维平面单元的水平尺寸；dη₁：二维平面单元的竖向尺寸；

底部含水层的底部发生疏水，初始水头的高度下降Δh，由于上覆表土层的总应力保持恒定，孔隙水压力降低的部分转化为由固相土粒承担，故底部含水层内深度(H-η₁)处二维平面单元dξ₁dη₁的有效应力增加为：

由土的压密系数公式和固结公式，可得位于深度(H-η₁)处的二维平面单元dξ₁dη₁在有效应力增量

作用下产生的压缩变形量ds，其压缩量函数即为底部含水层4二维平面单元的下沉源函数

其中，e₀：底部含水层的初始孔隙比；C_c：底部含水层的压缩指数。压密系数公式为

固结公式为

式中，a_v：底部含水层压密系数；e₀：底部含水层初始孔隙比；Δe：底部含水层孔隙比的变化；

为底部含水层有效应力增量；Δs_i：某级有效应力增量下底部含水层变形量；Δe_i：某级有效应力增量下底部含水层孔隙比的变化；e_0i：某级有效应力增量前底部含水层孔隙比；H_i：某级有效应力增量前底部含水层厚度。

根据随机介质理论，二维平面问题中二维平面单元dξ₁dη₁疏水固结压缩下沉引发的地层沉陷即为底部含水层疏水固结造成的地层下沉传播分布函数。

在步骤2)中，根据将底部含水层二维平面单元的下沉源函数

计算得到底部含水层疏水产生的压缩变形量ds，由下沉传播分布函数计算得到底部含水层二维平面单元疏水固结引发的地层下沉量，即：

其中，W_we(x,z)是任一二维平面单元疏水固结沉降引发的地层任意点 A(x,z)下沉量，r(η₁)为η₁水平上底部含水层疏水固结引起上覆地层沉降的主要影响范围；

下沉传播分布函数是计算一个微小压缩量产生后，是如何向地层传递的，即计算下沉源函数向地层的传递量。

在整个底部含水层疏水固结影响的半径范围-R_w～+R_w内，即R_w是底部含水层疏水的影响半径，任何二维平面单元疏水固结均产生微小体积压缩dξ₁ds，地层由于底部含水层疏水固结引发的最终下沉量W_w(x,z)即为二维平面单元 dξ₁dη₁影响的叠加：

将二维坐标系统扩展为三维坐标系统，底部含水层疏水固结坐标系o₁、ξ₁、

η₁和地层变形坐标系o、x、y、z水平投影重合，则地层x方向的下沉 W_we(x,z)和y方向下沉量W_we(y,z)分别为：

则底部含水层η₁水平处某一三维单元

的疏水固结引发地层任意点A(x,y,z)的下沉量W_we(x,y,z)可表示为：

则在底部含水层顶部、即η₁＝M时与底部含水层底部、即η₁＝0时之间的整个底部含水层疏水固结影响半径范围-R_w～+R_w内，任何三维单元疏水固结均产生微小体积压缩

地层因底部含水层疏水固结引发的最终下沉量W_w(x,y,z)即为上述微元体影响的叠加：

3)将煤层开采和底部含水层疏水固结引发的地层水平移动的移动量进行线性叠加以获得厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量的预计模型。

在步骤3)中，

煤层开采和底部含水层疏水固结均将引发地层水平移动，煤层开采和底部含水层疏水固结引发的地层水平移动相互独立，则地层水平移动的最终移动量可表示为煤层开采引发的地层水平移动和底部含水层疏水固结引发的地层水平移动线性叠加的结果：

4)通过厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量预计模型计算煤矿立井井筒偏斜量。

在步骤4)中，煤矿立井井筒的偏斜量可以借助厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量的预计模型来计算，具体方式如下：

把煤矿立井井筒的偏斜量等效为厚表土薄基岩内不同深度对应层位坐标点A(x,y,z)的地层水平移动来处理，所以煤矿立井井筒的偏斜量可以采用概率积分法进行预计，预计时可以采用与预计地层水平移动量相同的公式，但部分参数应取预计点在不同深度上所具有的不同值，即：

r(z)＝(H+z)/tanβ₂。

煤层开采对z水平地层沉陷的影响半径r(z)、η₁水平上底部含水层疏水固结引起上覆地层沉降的主要影响范围r(η₁)。将相应的主要影响半径和影响范围需换算成相应层位的值，每个层位的影响半径和影响范围不同。

优选地，在步骤1)之前还包括准备步骤，准备步骤具体包括，

由地表对薄基岩层和厚表土层进行钻孔取芯，确定底部含水层的厚度M 并对取芯的试样开展力学试验，测试底部含水层容重γ₀及其以上所有地层土体的平均容重γ_f、底部含水层的压缩指数C_c与初始孔隙比e₀；

监测煤层开采前后及其开采过程中底部含水地层的水位变化；可通过临近类似煤层或临近矿区类似煤层上覆地层的水文观测孔监测煤层开采前后及其开采过程中底部含水地层的水位变化。

根据底部含水地层的水位变化，确定底部含水地层疏水固结前的初始水位h以及底部含地层疏水固结后的稳定水位f(ξ₁)；

根据底部含水地层不同位置处的水位变化计算水位下降值：Δh＝h-f(ξ₁)。

在本发明公开的厚表土薄基岩煤矿立井井筒偏斜量的预计方法中，地层变形的中心、煤层开采的中心以及底部含水层疏水固结的中心在地表水平面投影重合，采用统一坐标系建立预计模型，

统一坐标系包括地层变形坐标系、煤层开采坐标系和底部含水层疏水固结坐标系共三个坐标系，上述三个坐标系的比例尺相同，其中，

地层变形坐标系选择走向采空区中央正上方的地表点o作为横坐标轴x 的原点，由原点沿水平面指向煤层走向方向为x轴正向；由原点竖直向上为 z轴正向；y轴分别垂直x轴和z轴，且x、y、z轴满足右手螺旋定则；地层任意点A(x,y,z)下沉值W(x,y,z)和水平移动值

分别由原点o竖直向下和竖直向上；

底部含水层疏水固结底部含水层疏水固结坐标系的坐标原点在走向采空区底板中点正上方的底部含水层的底部o₁，横坐标ξ₁与x轴方向相同，纵坐标η₁竖直向上；

轴分别垂直ξ₁轴和η₁轴，且ξ₁、

η₁轴满足右手螺旋定则；

煤层开采坐标系的坐标原点在走向采空区底板中点o₂，横坐标ξ₂与x轴方向相同，纵坐标η₂竖直向上；

轴分别垂直ξ₂轴和η₂轴，且ξ₂、

η₂轴满足右手螺旋定则。

实施例

根据本发明的厚表土薄基岩开采引发地表沉陷下沉量的预计方法，已知：煤层6均厚为2.5m，煤层6采深为800m，上覆表土层厚度为H＝600m，其中底部含水层4厚度为M＝80m，疏水固结的影响的半径R_w＝1000m，工作面走向长L＝200m。煤层6均厚和工作面走向长度合起来即为煤层6的开采范围Ω₂，即为煤层6开采范围。

底部含水层4疏水前水位为-300m，底部含水层4水头因疏水降低了50m， h＝H(600m)-300(-300是底部含水层4水头到地表的距离，负号代表水头低于地表)。底部含水层4压缩指数C_c＝0.4，初始孔隙比e₀＝0.6，底部含水层4以上所有地层土体的平均容重γ₀＝18kN/m³，底部含水层4内孔隙水中饱和土体的容重γ_f＝20kN/m³，底部含水层4内孔隙水的容重γ_w＝9.81kN/m³。

按照上述步骤顺序依次求解，即可得到该地质采矿条件和底部含水层4 疏水状态下地表沉陷与埋深100米处的地层沉陷以及地表水平移动与埋深 100米处的地层水平移动的计算结果，如图5和图6所示。通过将厚表土薄基岩内不同深度对应层位坐标点A(x,y,z)的地层水平移动量等效为煤矿立井井筒2对应层位的偏斜量，可获得该实施例煤矿立井井筒2距离煤矿开采中心1500m处的偏斜量预计结果，如图7所示。

分析可知，单独考虑煤层6开采效应时，地表沉陷的下沉量最大值和地层埋深100米处下沉量最大值均小于煤层6采厚，沉陷的下沉量为10mm的半径范围较小；考虑煤层6开采与底部含水层4疏水固结共同作用时，厚表土薄基岩下沉系数明显增大，地表沉陷的下沉量最大值和地层埋深100米处下沉量最大值均大于煤层6采厚，沉陷的下沉量为10mm的半径范围相对采区延伸较远。单独考虑煤层6开采效应时，地表水平移动和地层埋深100米处水平移动的半径范围均在500m以内，相对较小；考虑煤层6开采与底部含水层4疏水固结共同作用时，地表水平移动和地层埋深100米处水平移动的半径范围均大于1000m，相对采区延伸较远。考虑煤层6开采与底部含水层4疏水固结共同作用时的地层变形量范围较传统地表沉陷理论中仅考虑煤层6开采作用时的地层变形范围明显增大。通过厚表土薄基岩煤矿立井井筒 2偏斜量预计结果分析可知，单独考虑煤层6开采效应时，由于工业广场保护煤柱的作用，距离煤矿开采中心1500m处的煤矿立井井筒2在整个厚表土层3内均不会发生偏斜变形；考虑煤层6开采与底部含水层4疏水固结共同作用时，距离煤矿开采中心1500m处的煤矿立井井筒2在埋深300m范围内均发生了一定量的偏斜变形。

由于厚表土薄基岩地层的特殊性，导致煤矿立井井筒2极易受到厚表土底部含水层4的疏水沉降的影响，必须采用考虑煤层6开采与底部含水层4 疏水固结共同作用下的沉陷模型及其井筒偏斜预计方法对其保护煤柱的可靠性进行科学分析。该厚表土薄基岩开采地层水平移动量预计模型的建立揭示了厚表土薄基岩赋存条件下地层变形范围增大的特殊性的内在机理，并为厚表土薄基岩煤矿立井井筒2偏斜量的预计提供了方法，为后续开展煤矿开采沉陷区防治与确保近采区建(构)筑物安全的基础研究。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明提供的煤矿立井井筒2偏斜量的预计方法，针对厚表土薄基岩地质条件，密切结合厚表土底部承压含水层疏水固结的真实工况，竖直方向将研究视角延伸到深部承压含水地层疏水固结过程中的水土耦合作用，水平方向将研究视角拓展到工业广场与底部含水层4非对称疏水范围，揭示厚表土层3底部含水层4非对称疏水沉降与煤矿立井井筒2相互作用及其偏斜机理。

考虑到厚表土底部含水层4属于承压含水层，其疏水固结沉降特性与浅部潜水地层的疏水显著不同。鉴于目前针对厚表土薄基岩煤层6开采与底含承压水疏水沉降共同作用下煤矿立井井筒2偏斜破损机理研究方面尚无偏斜量预计模型及预计方法，为揭示厚表土薄基岩煤矿立井井筒2偏斜破损机理以指导煤矿立井井筒2防治与确保近采区建(构)筑物安全，建立厚表土薄基岩煤矿立井井筒2偏斜量的预计方法，对确保类似条件矿井井筒运行安全具有重要的理论意义和应用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种厚表土薄基岩煤矿立井井筒偏斜量的预计方法，其特征在于，

煤矿立井井筒由地表至下依次穿越的地层为：厚表土层和薄基岩层，所述厚表土层的上表面为所述地表、所述厚表土层的下部为底部含水层、所述地表与所述底部含水层之间为上覆表土层，所述上覆表土层包括多层上部含水层和多层隔水层，所述上部含水层和所述隔水层交替出现，与所述底部含水层的上端接触的为一层所述上部隔水层，所述底部含水层内为具有固相土粒和承压水的固液两相随机介质；

煤矿采区由地表至下依次穿越的地层为：厚表土层、薄基岩层和煤层；

所述煤矿立井井筒偏斜量由所穿越地层的水平移动所致，所述水平移动由煤层开采和底部含水层疏水固结共同引发，所述煤矿立井井筒偏斜量体现为地层的水平移动，

所述预计方法包括如下步骤：

1)建立煤层开采引发地层水平移动的预计模型

在二维坐标系情况下任一煤层单元dξ₂dη₂开采引发上覆地层任意点A(x,z)的下沉量W_ce(x,z)为：

r(z)：煤层开采对z水平地层沉陷的影响半径，r(z)＝(H+z)/tanβ₂；dξ₂：所述煤层单元的水平尺寸；dη₂：所述煤层单元的竖向尺寸；β₂：主要影响角正切；

将所述二维坐标扩展为三维坐标系统，若煤层是水平的，煤层坐标系o₂、ξ₂、

η₂和地层变形坐标系o、x、y、z水平投影重合，则煤层单元

的开采引发地层任意点A(x,y,z)的下沉量W_ce(x,y,z)为：

在倾斜煤层中，煤层顶板的最大下沉量为W₀，则在整个开采范围Ω₂内采煤引发地层任意点A(x,y,z)点的下沉量为：

则在整个开采范围Ω₂内采煤引起地层任意点A(x,y,z)点沿任意方向

的水平移动的移动量为：

b为水平移动系数，

为地层任意点A(x,y,z)任一方向顺时针与x轴的夹角；

2)建立底部含水层疏水固结引发地层水平移动的预计模型

所述底部含水层疏水固结引发的地层任意点的下沉量W_w(x,y,z)可由下沉源函数

和下沉传播分布函数

表示为：

其中，Ω₁为底部含水层疏水区域；

则所述底部含水层疏水固结引发的地层任意点A(x,y,z)沿任意方向

的水平移动的移动量为：

B为厚表土层水平移动系数；η₁为上覆地层某一点到底部含水层底部的距离，在地表任意处η₁＝H，H为所述厚表土层的厚度；β₁为底含疏水固结引起上覆地层沉降的主要影响范围角；

3)将所述煤层开采和所述底部含水层疏水固结引发的地层水平移动的移动量进行线性叠加以获得所述厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量的预计模型；

4)通过所述厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量预计模型计算所述煤矿立井井筒偏斜量。

2.根据权利要求1所述的预计方法，其特征在于，

在所述步骤2)中，由所述下沉源函数

计算得到底部含水层三维单元

疏水产生的压缩变形量ds，

在二维坐标系中，底部含水层疏水前位于深度H-η₁处的平面单元dξ₁dη₁固相土粒间的有效应力为σ满足如下计算公式：

σ＝(H-M)γ₀+(M-η₁)γ_f-(h-η₁)γ_w 式7

其中，η₁：底部含水层内任一平面单元到底部含水层底部的距离；γ₀：底部含水层以上所有地层土体的平均容重，kN/m³；γ_f：底部含水层内承压水中饱和土体的容重，kN/m³；γ_w：底部含水层内承压孔隙水的容重，kN/m³；h：底部含水层各点初始水头的高度；H：所述厚表土层的厚度；M：所述底部含水层的厚度；dξ₁：所述平面单元的水平尺寸；dη₁：所述平面单元的竖向尺寸；

底部含水层的底部发生疏水，初始水头的高度下降Δh，由于上覆表土层的总应力保持恒定，孔隙水压力降低的部分转化为由固相土粒承担，故底部含水层内深度H-η₁处平面单元dξ₁dη₁的有效应力增加为：

由土的压密系数公式和固结公式，可得位于深度(H-η₁)处的平面单元dξ₁dη₁在有效应力增量

作用下产生的压缩变形量ds，其压缩量函数即为底部含水层平面单元的所述下沉源函数

其中，e₀：所述底部含水层的初始孔隙比；C_c：所述底部含水层的压缩指数。

3.根据权利要求2所述的预计方法，其特征在于，

在所述步骤2)中，根据将所述底部含水层二维平面单元的所述下沉源函数

计算得到底部含水层疏水产生的压缩变形量ds，由所述下沉传播分布函数计算得到所述底部含水层二维平面单元疏水固结引发的地层下沉量，即：

其中，W_we(x,z)是任一二维平面单元疏水固结引发的地层任意点A(x,z)下沉量，r(η₁)为η₁水平上所述底部含水层疏水固结引起上覆地层沉降的主要影响范围；

在整个所述底部含水层疏水固结影响的半径范围-R_w～+R_w内，任何二维平面单元疏水固结均产生微小体积压缩dξ₁ds，地层由于底部含水层疏水固结引发的最终下沉量W_w(x,z)即为二维平面单元dξ₁dη₁影响的叠加：

将所述二维坐标系统扩展为三维坐标系统，底部含水层疏水固结坐标系o₁、ξ₁、

η₁和地层变形坐标系o、x、y、z水平投影重合，则地层x方向的下沉W_we(x,z)和y方向下沉量W_we(y,z)分别为：

则底部含水层η₁水平处某一三维单元

的疏水固结引发所述地层任意点A(x,y,z)的下沉量W_we(x,y,z)可表示为：

则在底部含水层顶部与底部含水层底部之间的整个底部含水层疏水固结影响半径范围-R_w～+R_w内，任何三维单元疏水固结均产生微小体积压缩

地层因底部含水层疏水固结引发的最终下沉量W_w(x,y,z)即为上述微元体影响的叠加：

4.根据权利要求3所述的预计方法，其特征在于，

在所述步骤3)中，

所述煤层开采和所述底部含水层疏水固结均将引发地层水平移动，所述煤层开采和所述底部含水层疏水固结引发的地层水平移动相互独立，则地层水平移动的最终移动量可表示为所述煤层开采引发的地层水平移动和所述底部含水层疏水固结引发的地层水平移动线性叠加的结果：

5.根据权利要求1所述的预计方法，其特征在于，

在所述步骤1)之前还包括准备步骤，所述准备步骤具体包括，

由所述地表对薄基岩层和厚表土层进行钻孔取芯，确定所述底部含水层的厚度M并对取芯的试样开展力学试验，测试底部含水层容重γ₀及其以上所有地层土体的平均容重γ_f、所述底部含水层的压缩指数C_c与初始孔隙比e₀；

监测煤层开采前后及其开采过程中所述底部含水地层的水位变化；

根据所述底部含水地层的水位变化，确定所述底部含水地层疏水固结前的初始水位h以及所述底部含地层疏水固结后的稳定水位f(ξ₁)；

根据所述底部含水地层不同位置处的水位变化计算水位下降值：Δh＝h-f(ξ₁)。

6.根据权利要求1所述的预计方法，其特征在于，

所述地层变形的中心、所述煤层开采的中心以及底部含水层疏水固结的中心在地表水平面投影重合，采用统一坐标系建立预计模型，

所述统一坐标系包括地层变形坐标系、煤层开采坐标系和底部含水层疏水固结坐标系共三个坐标系，上述三个坐标系的比例尺相同，其中，

所述地层变形坐标系选择走向采空区中央正上方的地表点o作为横坐标轴x的原点，由原点沿水平面指向煤层走向方向为x轴正向；由原点竖直向上为z轴正向；y轴分别垂直x轴和z轴，且x、y、z轴满足右手螺旋定则；地层任意点A(x,y,z)下沉值W(x,y,z)和水平移动值

分别由原点o竖直向下和竖直向上；

所述底部含水层疏水固结底部含水层疏水固结坐标系的坐标原点在走向采空区底板中点正上方的底部含水层的底部o₁，横坐标ξ₁与x轴方向相同，纵坐标η₁竖直向上；

轴分别垂直ξ₁轴和η₁轴，且ξ₁、

η₁轴满足右手螺旋定则；

所述煤层开采坐标系的坐标原点在走向采空区底板中点o₂，横坐标ξ₂与x轴方向相同，纵坐标η₂竖直向上；

轴分别垂直ξ₂轴和η₂轴，且ξ₂、

η₂轴满足右手螺旋定则。

7.根据权利要求1所述的预计方法，其特征在于，

所述煤层开采引发的地层沉陷满足传统概率积分法沉陷模型，遵循线性叠加原理，移动稳定后由于煤层开采引发的地层下沉体积V_下沉2等于煤采出体积V_采煤，即V_下沉2＝V_采煤；

所述底部含水层疏水固结中的底部含水层为承压含水地层，所述底部含水层中的孔隙被承压水充满、固相土粒和孔隙内的承压水不可压缩，可视为水平均质、各向同性的固液两相随机介质，所述上覆表土层在所述底部含水层疏水固结下沉过程中服从随机介质理论；

所述底部含水层为半无限空间体，底部含水层疏水固结造成的孔隙压缩仅沿竖向发生，同类土的压缩性质不随深度而变化。

8.根据权利要求1所述的预计方法，其特征在于，

所述底部含水层属于承压含水层，所述底部含水层疏水形成虚拟降落漏斗，整个所述底部含水层还充满承压水，在疏水固结的影响范围内整个底部含水层均发生疏水固结压缩，

将底部含水层的虚拟降落漏斗范围内疏水固结引发的地层压缩看作变厚开采。

9.根据权利要求1所述的预计方法，其特征在于，

在所述步骤4)中，所述煤矿立井井筒的偏斜量借助厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量的预计模型来计算，具体方式如下：

把所述煤矿立井井筒的偏斜量等效为厚表土薄基岩内不同深度对应层位坐标点A(x,y,z)的地层水平移动来处理，所以所述煤矿立井井筒的偏斜量采用概率积分法进行预计，预计时采用步骤3)中所述厚表土薄基岩开采引发地层水平移动量的预计模型中相同的公式，参数应取预计点在不同深度H-η₁上所具有的不同值，即：

r(z)＝(H+z)/tanβ₂。

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