CN113338929B - 一种单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法 - Google Patents

一种单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法，适用于煤矿采空区场地稳定性评价使用。首先计算出单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服和剥离宽度的总和；然后预测两侧煤壁屈服剥离前单一窄工作面采空区地表的移动数与变形值；接着计算单一窄工作面采空区宽度加上采空区两侧煤壁的最大屈服和剥离宽度之和，再预测两侧煤壁屈服剥离后的该采空区地表的移动数与变形值，最后通过对该单一工作面采空区两侧煤壁屈服数值和剥离前后预测的地表的移动与变形值作差，得到该单一窄工作面极不充分开采地表残余变形量，实现单一窄工作面极不充分开采残余变形的预测。其步骤简单，预测精度高，为煤矿采空区场地稳定性评价提供了理论依据。

Description

一种单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法
技术领域
本发明涉及一种地表残余变形预测方法，尤其适用于煤矿采空区场地稳定性评价使用的一种单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法。
背景技术
我国长期大规模煤炭开采在保证国家能源安全的同时，形成了大面积采空塌陷区。虽然经过长时间的自然压实，煤矿采空区及其上方破裂岩体处于一个相对平衡状态，但采空区覆岩内的裂隙、离层和空洞依然存在，在各种内外荷载(建筑荷载、振动荷载、地震力、地下水等)的作用下，上覆岩层的这种相对平衡状态将再次被打破，从而形成地表的二次沉降，这一过程称为老采空区的“活化”。矿区大面积采空塌陷区不良地基场地，对矿业城市转型和现代化建设迫切需要的建设用地构成了严重制约和安全隐患。
采空区场地稳定性评价是进行场地建设利用的依据，其中采空区场地地表残余变形预测是进行采空区场地稳定性评价的关键。目前国内外学者针对长壁式采空区场地地表残余变形预测方法做了大量的研究工作，建立了面向不同地质采矿条件的长壁式采空区场地地表残余变形预测方法，且已编入相应的国家规范中，已基本解决了长壁式采空区场地地表残余变形预测问题。但单一窄工作面采空区覆岩中能够形成相应比较稳定的自然平衡拱式次生结构体系，与长壁式采空区覆岩结构有显著差异，进而导致单一窄工作采空区和长壁式采空区场地地表残余变形量有较大差异。但目前尚未有计算单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法，导致单一窄工作面采空区场地稳定性评价缺乏科学依据。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种步骤简单，精准度高，兼顾了采空区两侧煤壁屈服和剥离影响的单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法。
为实现上述技术目的，本发明的一种单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法，首先计算出单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服和剥离宽度的总和；然后利用概率积分法预测两侧煤壁屈服剥离前单一窄工作面采空区地表的移动数与变形值；接着计算单一窄工作面采空区宽度加上采空区两侧煤壁的最大屈服和剥离宽度之和，再通过概率积分法预测两侧煤壁屈服剥离后的该采空区地表的移动数与变形值，最后通过对该单一工作面采空区两侧煤壁屈服数值和剥离前后预测的地表的移动与变形值作差，得到该单一窄工作面极不充分开采地表残余变形量，实现单一窄工作面极不充分开采残余变形预测。
具体步骤如下：
利用矿区基础资料确定研究区域的地层情况，包括研究区域煤层的采深、厚度等信息；
根据煤层的采深、采厚数值计算出单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服宽度；
根据煤层的采厚、碎胀系数、堆积体休止角计算出单一窄工作面采空区两侧煤壁最大剥离宽度；
之后根据单一窄工作面采空区宽度值，基于概率积分法预测单一窄工作面采空区的移动与变形值；
接着将单一窄工作面采空区宽度加上采空区两侧煤壁的最大屈服和剥离宽度之和，再基于概率积分法预测采空区和两侧煤壁上方地表移动与变形值；
最后通过对单一工作面采空区两侧煤壁屈服和剥离前后预测的地表移动与变形值作差，从而预测出单一窄工作面极不充分开采地表残余变形量，实现单一窄工作面极不充分开采残余变形预测。
进一步，根据所述地层情况包括研究区域地质采矿条件及煤层赋存条件，确定煤层厚度m和煤层深度H，之后利用公式Y＝0.0049mH计算出该区域单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服宽度Y，式中m为煤层厚度，H为煤层深度。
进一步，单一窄工作面采空区两侧煤壁剥离的最大宽度的计算步骤为：
首先根据研究区域地质采矿条件及煤层赋存条件确定出研究区域的煤层厚度m，之后利用公式
Figure GDA0003735387190000021
计算出该区域单一窄工作面采空区两侧煤壁的最大剥离宽度dm，式中
Figure GDA0003735387190000022
为堆积体休止角，取值45°；k为碎胀系数，取值1.1。
进一步，利用公式：bm＝Y+dm计算单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服和剥离宽度和，其中Y为单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服宽度，dm为最大剥离宽度。
进一步，根据单一窄工作面采空区宽度b，基于概率积分法预测地表移动与变形值：下沉值W(x,y)、倾斜变形值
Figure GDA0003735387190000023
曲率变形
Figure GDA0003735387190000024
水平移动值
Figure GDA0003735387190000025
水平变形值
Figure GDA0003735387190000026
具体预测模型如下：
计算任意点A(x，y)的下沉值W(x，y)具体为
W(x,y)＝WcmC'xC'y (1)
其中：
Figure GDA0003735387190000031
式中：Wcm为充分采动条件下地表最大下沉值，Wcm＝mqcosα；m为采出煤层厚度；α为煤层倾角；q为地表下沉系数；Cx′，Cy′为待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数；l，b为采区拐点平移后走向长度及倾斜方向在地表的计算开采宽度；r，r1，r2分别为走向、下山、上山方向的主要影响半经；x、y为待求点坐标；
计算地表任意点A(x，y)沿
Figure GDA0003735387190000032
方向倾斜变形值
Figure GDA0003735387190000033
具体为
Figure GDA0003735387190000034
式中：T(x，y)m为待求点的最大倾斜值，mm/m；
Figure GDA0003735387190000035
为最大倾斜值方向与OX轴的夹角，即沿逆时针方向旋转；Tx，Ty分别为待求点沿走向和倾向主断面上投影点处迭加后的倾斜变形值，单位mm/m；
地表任意点A(x，y)沿
Figure GDA0003735387190000036
方向的曲率变形
Figure GDA0003735387190000037
具体为
Figure GDA0003735387190000038
式中：
Figure GDA0003735387190000039
K(x，y)max，K(x，y)min分别为待求点最大、最小曲率变形值；Kx，Ky分别为待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加后的曲率值；
地表任意点A(x，y)沿
Figure GDA00037353871900000310
方向的水平移动值
Figure GDA00037353871900000311
具体为
Figure GDA00037353871900000312
式中：
Figure GDA00037353871900000313
为最大水平移动方向与OX轴的夹角；Ux，Uy分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处的水平移动值，针对倾斜方向需加Cy′·Wcm·ctgθ；
地表任意点A(x，y)沿
Figure GDA00037353871900000314
方向的水平变形值
Figure GDA00037353871900000315
具体为
Figure GDA0003735387190000041
式中：ε(x，y)max，ε(x，y)min为待求点最大、最小水平变形值。
进一步，利用公式：b′＝b+bm计算采空区两侧煤壁屈服和剥离后的采空区实际宽度，式中b为单一窄工作面采空区宽度，bm为两侧煤壁最大屈服和剥离宽度和，同样基于概率积分法可以预测得到工作面采空区两侧煤壁屈服和剥离后的地表移动与变形值：下沉值W(x,y)′、倾斜变形值
Figure GDA0003735387190000042
曲率变形
Figure GDA0003735387190000043
水平移动值
Figure GDA0003735387190000044
水平变形值
Figure GDA0003735387190000045
有益效果：本申请能兼顾单一窄工作面采空区两侧煤壁的屈服和剥离特征，推导出单一窄工作面的实际采空区宽度，从而计算出单一窄工作面采空区场地地表残余量，实现了单一窄工作面采空区场地地表残余变形预测，为单一窄工作面采空区场地稳定性评价提供了科学依据。
附图说明
图1为本发明单一窄工作面极不充分开采残余变形预测方法流程图
图2为本发明单一窄工作面两侧煤壁应力分区示意图
图3为本发明单一窄工作面采空区两侧煤壁剥离模型示意图
图4为本发明单一窄工作面采空区场地地表残余下沉分布等值线图
具体实施方式
下面将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，本发明的一种单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法，首先计算出单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服和剥离宽度的总和；然后利用概率积分法预测两侧煤壁屈服剥离前单一窄工作面采空区地表的移动数与变形值；接着计算单一窄工作面采空区宽度加上采空区两侧煤壁的最大屈服和剥离宽度之和，再通过概率积分法预测两侧煤壁屈服剥离后的该采空区地表的移动数与变形值，最后通过对该单一工作面采空区两侧煤壁屈服数值和剥离前后预测的地表的移动与变形值作差，得到该单一窄工作面极不充分开采地表残余变形量，实现单一窄工作面极不充分开采残余变形预测。
具体步骤如下：
利用矿区基础资料确定研究区域的地层情况，包括研究区域煤层的采深、厚度等信息；
根据煤层的采深、采厚数值计算出单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服宽度；
如图2、图3所示，首先利用矿区的地质采矿资料，获得煤层的采深H、厚度m，利用公式Y＝0.0049mH，则可以计算该区域单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服宽度Y；
利用公式
Figure GDA0003735387190000051
其中
Figure GDA0003735387190000052
式中dm—煤柱最大剥离深度(m)；
Figure GDA0003735387190000053
—堆积体休止角，取45°；k—碎胀系数，取1.1。可以计算出该区域单一窄工作面采空区两侧煤壁的最大剥离宽度dm。
根据单一窄工作面采空区宽度b，利用概率积分法预测单一窄工作面采空区两侧煤壁屈服和剥离前地表移动与变形值
Figure GDA0003735387190000054
具体计算模型如下所示：
(1)任意点A(x，y)的下沉值W(x,y)
W(x,y)＝WcmC'xC'y (15)
其中：
Figure GDA0003735387190000055
式中：
Wcm—充分采动条件下地表最大下沉值，Wcm＝mqcosα；
m—采出煤层厚度；α—煤层倾角；
q—地表下沉系数；
Cx′，Cy′—为待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数；
l，b—为采区拐点平移后走向长度及倾斜方向在地表的计算开采宽度；
r，r1，r2——分别为走向、下山、上山方向的主要影响半经；
x、y——待求点坐标。
(2)地表任意点A(x，y)沿
Figure GDA0003735387190000056
方向倾斜变形值
Figure GDA0003735387190000057
Figure GDA0003735387190000058
式中：
T(x，y)m——待求点的最大倾斜值，mm/m；
Figure GDA0003735387190000061
——最大倾斜值方向与OX轴的夹角(沿逆时针方向旋转)，度；
Tx，Ty——分别为待求点沿走向和倾向主断面上投影点处迭加后的倾斜变形值，mm/m。
(3)地表任意点A(x，y)沿
Figure GDA0003735387190000062
方向的曲率变形
Figure GDA0003735387190000063
Figure GDA0003735387190000064
式中：
Figure GDA0003735387190000065
K(x，y)max，K(x，y)min——分别为待求点最大、最小曲率变形值；
Kx，Ky——分别为待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加后的曲率值。
(4)地表任意点A(x，y)沿
Figure GDA0003735387190000066
方向的水平移动值
Figure GDA0003735387190000067
Figure GDA0003735387190000068
式中：
Figure GDA0003735387190000069
——为最大水平移动方向与OX轴的夹角
Figure GDA00037353871900000610
Ux，Uy——分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处的水平移动值，mm。对于倾斜方向需加Cy′·Wcm·ctgθ。
(5)地表任意点A(x，y)沿
Figure GDA00037353871900000611
方向的水平变形值
Figure GDA00037353871900000612
Figure GDA00037353871900000613
式中：
Figure GDA00037353871900000614
ε(x，y)max，ε(x，y)min——为待求点最大、最小水平变形值；
然后单一窄工作面采空区宽度b和两侧煤壁最大屈服和剥离宽度和bm，可以计算得到采空区两侧煤壁屈服和剥离后的采空区实际宽度b′＝b+bm，同样基于概率积分法可以预测得到工作面采空区两侧煤壁屈服和剥离后的地表移动与变形值
Figure GDA0003735387190000071
Figure GDA0003735387190000072
最后通过对单一工作面采空区两侧煤壁屈服和剥离前后预测的地表移动与变形值作差，可以得到单一窄工作面极不充分开采地表残余变形量，实现单一窄工作面极不充分开采残余变形预测。
实施例一、
步骤1：收集某研究区域地质采矿条件资料，确定煤层采厚为2.47m、采深为466.6m。
步骤2：利用公式Y＝0.0049mH，则可以计算该区域单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服宽度Y＝5.647m。
步骤3：利用公式
Figure GDA0003735387190000073
可以计算出该区域单一窄工作面采空区两侧煤壁的最大剥离宽度dm＝1.145m
步骤4：根据单一窄工作面采空区宽度50m，基于概率积分法预测单一窄工作面采空区两侧煤壁屈服和剥离前地表移动与变形值
Figure GDA0003735387190000074
步骤5：根据单一窄工作面采空区宽度50m和两侧煤壁最大屈服和剥离宽度和6.792m，可以计算得到采空区两侧煤壁屈服和剥离后的采空区实际宽度56.792m。
步骤6：根据单一窄工作面采空区两侧煤壁屈服和剥离后的采空区实际宽度56.792m，基于概率积分法预测单一窄工作面采空区两侧煤壁屈服和剥离后地表移动与变形值
Figure GDA0003735387190000075
Figure GDA0003735387190000076
步骤7：通过对单一工作面采空区两侧煤壁屈服和剥离前后预测的地表移动与变形值作差，可以得到单一窄工作面极不充分开采地表残余变形量。生成如图4所示该实例单一窄工作面采空区场地地表残余下沉分布等值线图。

Claims (7)

1.一种单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法，其特征在于：首先计算出单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服和剥离宽度的总和；然后利用概率积分法预测两侧煤壁屈服剥离前单一窄工作面采空区地表的移动数与变形值；接着计算单一窄工作面采空区宽度加上采空区两侧煤壁的最大屈服和剥离宽度之和，再通过概率积分法预测两侧煤壁屈服剥离后的该采空区地表的移动数与变形值，最后通过对单一窄工作面采空区两侧煤壁屈服数值和剥离前后预测的地表的移动与变形值作差，得到该单一窄工作面极不充分开采地表残余变形量，实现单一窄工作面极不充分开采残余变形预测。
2.根据权利要求1所述的单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法，其特征在于具体步骤如下：
利用矿区基础资料确定研究区域的地层情况，包括研究区域煤层的采深、厚度信息；
根据煤层的采深、采厚数值计算出单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服宽度；
根据煤层的采厚、碎胀系数、堆积体休止角计算出单一窄工作面采空区两侧煤壁最大剥离宽度；
之后根据单一窄工作面采空区宽度值，基于概率积分法预测单一窄工作面采空区的移动与变形值；
接着将单一窄工作面采空区宽度加上采空区两侧煤壁的最大屈服和剥离宽度之和，再基于概率积分法预测采空区和两侧煤壁上方地表移动与变形值；
最后通过对单一窄工作面采空区两侧煤壁屈服和剥离前后预测的地表移动与变形值作差，从而预测出单一窄工作面极不充分开采地表残余变形量，实现单一窄工作面极不充分开采残余变形预测。
3.根据权利要求2所述的单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法，其特征在于：根据所述地层情况包括研究区域地质采矿条件及煤层赋存条件，确定煤层厚度m和煤层深度H，之后利用公式Y＝0.0049mH计算出该区域单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服宽度Y，式中m为煤层厚度，H为煤层深度。
4.根据权利要求2所述的单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法，其特征在于单一窄工作面采空区两侧煤壁剥离的最大宽度的计算步骤为：
首先根据研究区域地质采矿条件及煤层赋存条件确定出研究区域的煤层厚度m，之后利用公式
Figure FDA0003735387180000011
计算出该区域单一窄工作面采空区两侧煤壁的最大剥离宽度dm，式中
Figure FDA0003735387180000012
Figure FDA0003735387180000013
为堆积体休止角，取值45°；k为碎胀系数，取值1.1。
5.根据权利要求4所述的单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法，其特征在于：利用公式：bm＝Y+dm计算单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服和剥离宽度和，其中Y为单一窄工作面采空区两侧煤壁最大屈服宽度，dm为最大剥离宽度。
6.根据权利要求4所述的单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法，其特征在于根据单一窄工作面采空区宽度b，基于概率积分法预测地表移动与变形值：下沉值W(x,y)、倾斜变形值
Figure FDA0003735387180000021
曲率变形
Figure FDA0003735387180000022
水平移动值
Figure FDA0003735387180000023
水平变形值
Figure FDA0003735387180000024
具体预测模型如下：
计算任意点A(x，y)的下沉值W(x，y)具体为
W(x,y)＝WcmC'xC'y (1)
其中：
Figure FDA0003735387180000025
式中：Wcm为充分采动条件下地表最大下沉值，Wcm＝mqcosα；m为采出煤层厚度；α为煤层倾角；q为地表下沉系数；Cx′，Cy′为待求点在走向和倾向主断面上投影点处的下沉分布系数；l，b为采区拐点平移后走向长度及倾斜方向在地表的计算开采宽度；r，r1，r2分别为走向、下山、上山方向的主要影响半经；x、y为待求点坐标；
计算地表任意点A(x，y)沿
Figure FDA0003735387180000026
方向倾斜变形值
Figure FDA0003735387180000027
具体为
Figure FDA0003735387180000028
式中：T(x，y)m为待求点的最大倾斜值，mm/m；
Figure FDA0003735387180000029
为最大倾斜值方向与OX轴的夹角，即沿逆时针方向旋转；Tx，Ty分别为待求点沿走向和倾向主断面上投影点处迭加后的倾斜变形值，单位mm/m；
地表任意点A(x，y)沿
Figure FDA00037353871800000210
方向的曲率变形
Figure FDA00037353871800000211
具体为
Figure FDA00037353871800000212
式中：
Figure FDA0003735387180000031
K(x，y)max，K(x，y)min分别为待求点最大、最小曲率变形值；Kx，Ky分别为待求点沿走向及倾向在主断面投影处迭加后的曲率值；
地表任意点A(x，y)沿
Figure FDA0003735387180000032
方向的水平移动值
Figure FDA0003735387180000033
具体为
Figure FDA0003735387180000034
式中：
Figure FDA0003735387180000035
为最大水平移动方向与OX轴的夹角；Ux，Uy分别为待求点沿走向和倾向在主断面投影点处的水平移动值，针对倾斜方向需加Cy′·Wcm·ctgθ；
地表任意点A(x，y)沿
Figure FDA0003735387180000036
方向的水平变形值
Figure FDA0003735387180000037
具体为
Figure FDA0003735387180000038
式中：ε(x，y)max，ε(x，y)min为待求点最大、最小水平变形值。
7.根据权利要求6所述的单一窄工作面极不充分开采地表残余变形预测方法，其特征在于：利用公式：b′＝b+bm计算采空区两侧煤壁屈服和剥离后的采空区实际宽度，式中b为单一窄工作面采空区宽度，bm为两侧煤壁最大屈服和剥离宽度和，同样基于概率积分法预测得到工作面采空区两侧煤壁屈服和剥离后的地表移动与变形值：下沉值W(x,y)′、倾斜变形值
Figure FDA0003735387180000039
曲率变形
Figure FDA00037353871800000310
水平移动值
Figure FDA00037353871800000311
水平变形值
Figure FDA00037353871800000312
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