CN115344928A - 一种耕地下采煤区域变形控制的地表沉叠加陷计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷叠加计算方法，属于地表沉陷预测领域。将地表沉陷问题简化为采空区下沉的高度，之后根据采空区间隔留下的垮落区空间以及充填体空间计算填满垮落区后的地表沉陷高度，由于充填体在受力过程中会出现压缩，因此根据充填体的充实率判断充填体在受力后的压缩空间，从而计算出充填体压实空间产生的地表沉陷高度，将前后两个地面沉陷高度相加即可获得地下开采空间产生的地表沉陷的总高度。其计算步骤简单，更符合实际情况，有效提高了区域岩层控制下地表移动和变形计算结果的精度，对实现煤粮复合区煤炭绿色开采和耕地协同修复治理有很强的指导作用。

Description

一种耕地下采煤区域变形控制的地表沉叠加陷计算方法
技术领域
本发明涉及一种耕地下采煤区域变形控制的地表沉叠加陷计算方法，适用于煤粮复合区耕地下采煤设计，属于地表沉陷预测领域。
技术背景
耕地是国家粮食安全的重要基础，煤炭是我国能源战略安全的根本保证，煤粮复合区采煤沉陷耕地损毁与保护矛盾日趋凸显。长期以来，我国煤粮复合区煤炭开发主要采用长壁开采全部垮落法管理顶板，覆岩破坏和地表沉陷剧烈，对耕地破坏尤为严重。目前，虽然充填开采技术应用较为广泛，但全部充填成本高、效益低，而耕地的抗变形能力强，所以部分带状充填的区域性岩层控制必将成为未来耕地保护的主流方向。因此，如何计算煤粮复合区源头控制与耕地保护相结合的区域性地表移动与变形是亟待解决的瓶颈难题之一。
煤粮复合区采煤耕地协同保护的前提是需要实现区域性地表移动与变形的精准计算，保障其变形极值不超过耕地防控指标。目前，我国进行采煤地表沉陷和移动变形预计应用最广泛的方法是概率积分法，此外，在充填开采领域用于地表移动变形计算的等效采高理论经过不断发展研究，成为计算充填开采地表移动变形主流理论，但面向煤粮复合区耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷计算方法尚缺乏相应的计算方法。
发明内容
针对上述技术中的问题，提供一种耕地下采煤区域变形控制的地表沉叠加陷计算方法，计算步骤简单，更符合实际情况，实现了如何计算煤粮复合区耕地下煤炭开采区域变形控制。
为实现上述技术目的，本发明的一种耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷叠加计算方法，将地表沉陷问题简化为采空区下沉的高度，之后根据采空区间隔留下的垮落区空间以及充填体空间计算填满垮落区后的地表沉陷高度，由于充填体在受力过程中会出现压缩，因此根据充填体的充实率判断充填体在受力后的压缩空间，从而计算出充填体压实空间产生的地表沉陷高度，将前后两个地面沉陷高度相加即可获得地下开采空间产生的地表沉陷的总高度；其中实际采空区充填体越接近采空区中心区域压缩程度越高，越接近采空区两侧则压缩程度越低，因此在采用相同的充填材料和充填方法的情况下则认为所有采空区充填体的充实率相同，即压缩程度是相同的。
具体步骤如下：
针对煤粮复合区进行耕地下采煤区域，收集研究采煤区域地质资料、地层分布情况、钻孔柱状图等地质采矿资料，确定待开采煤层的开采深度H、开采厚度m、煤层倾角α信息；
确定该区域开采方法使用间隔垮落与回填交替设置的回填开采方式进行，然后根据采动程度和下沉系数的非线性关系，确定垮落工作面开采宽度为b，数量为n；充填开采工作面宽度为a，数量为n-1，填开采工作面的充实率为
Figure BDA0003805745520000021
基于等效采高理论计算充填工作面的等效采高
Figure BDA0003805745520000022
等效采高m1为顶板压缩回填后的开采工作面的高度，
Figure BDA0003805745520000023
为压缩后回填开采工作面充填体的高度；
将垮落工作面的原始开采范围为定义为开采范围R2，剖面范围R2等于采厚m乘以开采宽度b，将充填开采工作面顶部被下沉的顶板压缩空间的剖面定义为开采范围R1，开采范围R1等于等效采高m1乘以充填开采工作面宽度a；
将面向煤粮复合区耕地保护的地表变形区域控制的剖面开采范围R看作是n-1长度为a、高度为m1的开采范围R1加上n个长度为b、高度为m的开采范围R2；
利用概率积分模型计算出开采范围R1引起的地表下沉W1、地表水平移动U1、地表倾斜I1、地表水平变形ε1和地表曲率K1，并且计算出开采范围R2引起的地表下沉W2、地表水平移动U2、地表倾斜I2、地表水平变形ε2和地表曲率K2；
最后计算出地表变形区域控制的地表下沉W＝W1+W2、地表水平移动U＝U1+U2、地表倾斜I＝I1+I2、地表水平变形ε＝ε1+ε2和地表曲率K＝K1+K2，即可准确预测出耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷。
进一步，根据矿区已有的工作面开采沉陷实测参数确定地表沉陷概率积分模型预计参数，包括下沉系数q、水平移动系数B、主要影响角正切tanβ，开采影响传播角θ，拐点偏移距S，开采范围R1中单个垮落工作面沉陷预计参数与本矿区相同面宽工作面垮落法开采条件下的实测参数相同，根据这些参数和前文已经确定的开采深度H、开采厚度m、煤层倾角α即可进行地表沉陷计算。
进一步，开采范围R2中单个充填工作面沉陷预计参数参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》，除下沉系数外其余预计参数采用本矿区薄煤层垮落法开采条件下实测参数，下沉系数应增大5％～10％。
有益效果：本发明以煤粮复合区耕地保护为前提，兼顾煤炭高效绿色开采，创造性的提出了一种耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷叠加计算方法，解决了煤粮复合区耕地下采煤区域变形控制设计时地表移动变形如何计算的难题，其计算步骤简单，更符合实际情况，从科学合理的角度实现了地表沉陷的叠加计算，为煤粮复合区耕地下煤炭绿色开采设计提供了技术支撑，对实现煤粮复合区煤炭绿色开采和耕地保护协调可持续发展等具有重要的实际意义与应用价值。
附图说明
图1为本发明的耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷叠加计算示意图。
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，本发明的一种耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷叠加计算方法，步骤为：
首先通过研究区域地质采矿资料确定煤层的采深H、采厚m、倾角α等信息；然后根据采动程度和下沉系数的非线性关系，确定垮落工作面开采宽度b；之后设计充填开采工作面宽度a、充实率
Figure BDA0003805745520000031
以及垮落工作面的个数n，接着可以确定充填工作面的个数为n-1，并基于等效采高理论计算充填工作面的等效采高
Figure BDA0003805745520000032
这样面向煤粮复合区耕地保护的地表变形区域控制的剖面开采范围R看作是n-1长度为a、高度为m1的开采范围R1加上n个长度为b、高度为m的开采范围R2。然后可以利用概率积分模型计算出开采范围R1引起的地表下沉W1、地表水平移动U1、地表倾斜I1、地表水平变形ε1和地表曲率K1，同样可以计算出开采范围R2引起的地表下沉W2、地表水平移动U2、地表倾斜I2、地表水平变形ε2和地表曲率K2，这样就可以计算出地表变形区域控制的地表下沉W＝W1+W2、地表水平移动U＝U1+U2、地表倾斜I＝I1+I2、地表水平变形ε＝ε1+ε2和地表曲率K＝K1+K2，进而实现了耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷预测。
具体步骤为：
步骤1：针对煤粮复合区进行耕地下采煤区域，收集研究采煤区域地质资料、地层分布情况、钻孔柱状图等地质采矿资料，确定待开采煤层的开采深度H、开采厚度m、煤层倾角α等信息。
步骤2：根据矿区现有的工作面开采地表沉陷资料，建立采动程度和下沉系数的非线性关系，基于此可以确定地表非充分采动的垮落工作面宽度b；
步骤3：根据矿区的生产技术条件、待开采煤层的范围、充填方法、充填体材料等因素设计充填工作面宽度a、充实率
Figure BDA0003805745520000033
以及垮落工作面的个数n，接着则可以确定充填工作面的个数为n-1，之后基于等效采高理论可以计算出充填工作面充填体被压实后的高度为
Figure BDA0003805745520000034
那么煤层采厚减去压实后充填体的厚度即为充填工作面的等效采高
Figure BDA0003805745520000035
步骤4：根据步骤2和步骤3确定的垮落工作面和充填工作面参数，可以将面向煤粮复合区耕地保护的地表变形区域控制的剖面开采范围R看作是n-1长度为a、高度为m1的开采范围R1加上n个长度为b、高度为m的开采范围R2。
步骤5：根据矿区已有的地表沉陷实测参数确定概率积分预计参数，包括下沉系数q、水平移动系数b、主要影响角正切tanβ，开采影响传播角θ，拐点偏移距S。开采范围R1中单个垮落工作面沉陷预计参数与本矿区相同面宽工作面垮落法开采条件下的实测参数相同，开采范围R2中单个充填工作面沉陷预计参数除下沉系数外其余预计参数可以采用本矿区薄煤层垮落法开采条件下实测参数，下沉系数应增大5％～10％。
步骤6：利用概率积分模型分别计算出开采范围R1引起的地表下沉W1、地表水平移动U1、地表倾斜I1、地表水平变形ε1和地表曲率K1，同样可以计算出开采范围R2引起的地表下沉W2、地表水平移动U2、地表倾斜I2、地表水平变形ε2和地表曲率K2。这样就可以计算出地表变形区域控制的地表下沉W＝W1+W2、地表水平移动U＝U1+U2、地表倾斜I＝I1+I2、地表水平变形ε＝ε1+ε2和地表曲率K＝K1+K2，进而实现了耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷预测。
实施例一、
步骤1：针对某矿区耕地下采煤区域，根据收集到的地质采矿资料确定待开采煤层的开采深度H＝500m、开采厚度m＝3m、煤层倾角α＝0°。
步骤2：根据该矿区已有的工作面开采地表沉陷资料，建立采动程度和下沉系数的非线性关系，基于此确定垮落工作面宽度b＝200m。
步骤3：根据该矿区的生产技术条件、待开采煤层的范围、充填方法、充填体材料等因素设计充填工作面宽度a＝180m、充实率
Figure BDA0003805745520000041
以及垮落工作面的个数n＝3，接着则可以确定充填工作面的个数为n-1＝2，之后基于等效采高理论可以计算出充填工作面充填体被压实后的高度为
Figure BDA0003805745520000042
那么煤层开采厚度减去被压实后充填体的厚度即为充填工作面的等效采高
Figure BDA0003805745520000043
步骤4：根据步骤2和步骤3确定的垮落工作面和充填工作面参数，可以将面向煤粮复合区耕地保护的地表变形区域控制的剖面开采范围R看作是n-1＝2个长度为a＝180m、高度为m1＝0.6m的开采范围R1加上n＝3个长度为b＝200m、高度为m＝3m的开采范围R2。
步骤5：根据该矿区已有的地表沉陷实测参数确定概率积分预计参数，下沉系数q＝0.5、水平移动系数B＝0.27、主要影响角正切tanβ＝2.3，开采影响传播角θ＝90°，拐点偏移距S＝10m。开采范围R1中单个垮落工作面沉陷预计参数与上述实测参数相同，开采范围R2中单个充填工作面沉陷预计参数除下沉系数外其余预计参数与上述实测参数相同，下沉系数增大5％，取qe＝(1+0.05)×q＝0.525。
步骤6：利用概率积分模型分别计算出开采范围R1引起的地表下沉W1、地表水平移动U1、地表倾斜I1、地表水平变形ε1和地表曲率K1，同样可以计算出开采范围R2引起的地表下沉W2、地表水平移动U2、地表倾斜I2、地表水平变形ε2和地表曲率K2。这样就可以计算出地表变形区域控制的地表下沉W＝W1+W2、地表水平移动U＝U1+U2、地表倾斜I＝I1+I2、地表水平变形ε＝ε1+ε2和地表曲率K＝K1+K2，进而实现了耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷预测。在本案例中计算得到的地表移动变形极值为；地表下沉最大值Wmax＝1043.7mm，水平移动最大值Umax＝350mm，地表倾斜Imax＝5.9mm/m，地表水平变形最大值εmax＝4.0mm/m，地表曲率最大值Kmax＝0.07mm/m2。
倾角α的存在不影响上文涉及到的计算，与等效采高计算等无关，倾角α只影响概率积分模型计算中最大下沉W0＝mqcosα，而概率积分模型为现有技术，故不在赘述，因此即当α不为0文中内容也不受影响，只是开采沉陷一般以水平近水平煤层作为研究案例，故实际煤层是否为水平煤层均可以使用本申请进行预测。

Claims (4)

1.一种耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷叠加计算方法，其特征在于：将地表沉陷问题简化为采空区下沉的高度，之后根据采空区间隔留下的垮落区空间以及充填体空间计算填满垮落区后的地表沉陷高度，由于充填体在受力过程中会出现压缩，因此根据充填体的充实率判断充填体在受力后的压缩空间，从而计算出充填体压实空间产生的地表沉陷高度，将前后两个地面沉陷高度相加即可获得地下开采空间产生的地表沉陷的总高度；其中实际采空区充填体越接近采空区中心区域压缩程度越高，越接近采空区两侧则压缩程度越低，因此在采用相同的充填材料和充填方法的情况下则认为所有采空区充填体的充实率相同，即压缩程度是相同的。
2.根据权利要求1所述耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷叠加计算方法，其特征在于具体步骤如下：
针对煤粮复合区进行耕地下采煤区域，收集研究采煤区域地质资料、地层分布情况、钻孔柱状图等地质采矿资料，确定待开采煤层的开采深度H、开采厚度m、煤层倾角α信息；
确定该区域开采方法使用间隔垮落与回填交替设置的回填开采方式进行，然后根据采动程度和下沉系数的非线性关系，确定垮落工作面开采宽度为b，数量为n；充填开采工作面宽度为a，数量为n-1，填开采工作面的充实率为
Figure FDA0003805745510000011
基于等效采高理论计算充填工作面的等效采高
Figure FDA0003805745510000012
等效采高m1为顶板压缩回填后的开采工作面的高度，
Figure FDA0003805745510000013
为压缩后回填开采工作面充填体的高度；
将垮落工作面的原始开采范围为定义为开采范围R2，剖面范围R2等于采厚m乘以开采宽度b，将充填开采工作面顶部被下沉的顶板压缩空间的剖面定义为开采范围R1，开采范围R1等于等效采高m1乘以充填开采工作面宽度a；
将面向煤粮复合区耕地保护的地表变形区域控制的剖面开采范围R看作是n-1长度为a、高度为m1的开采范围R1加上n个长度为b、高度为m的开采范围R2；
利用概率积分模型计算出开采范围R1引起的地表下沉W1、地表水平移动U1、地表倾斜I1、地表水平变形ε1和地表曲率K1，并且计算出开采范围R2引起的地表下沉W2、地表水平移动U2、地表倾斜I2、地表水平变形ε2和地表曲率K2；
最后计算出地表变形区域控制的地表下沉W＝W1+W2、地表水平移动U＝U1+U2、地表倾斜I＝I1+I2、地表水平变形ε＝ε1+ε2和地表曲率K＝K1+K2，即可准确预测出耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷。
3.根据权利要求2所述的耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷叠加计算方法，其特征在于：根据矿区已有的工作面开采沉陷实测参数确定地表沉陷概率积分模型预计参数，包括下沉系数q、水平移动系数B、主要影响角正切tanβ，开采影响传播角θ，拐点偏移距S，开采范围R1中单个垮落工作面沉陷预计参数与本矿区相同面宽工作面垮落法开采条件下的实测参数相同，根据这些参数和前文已经确定的开采深度H、开采厚度m、煤层倾角α即可进行地表沉陷计算。
4.根据权利要求2所述的耕地下采煤区域变形控制的地表沉陷叠加计算方法，其特征在于：开采范围R2中单个充填工作面沉陷预计参数参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》，除下沉系数外其余预计参数采用本矿区薄煤层垮落法开采条件下实测参数，下沉系数应增大5％～10％。
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