CN115829133A - 一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法：首先，在获取采用充填工艺回收条带煤柱的煤层赋存参数和充填工艺参数的基础上，确定充填工艺回采条带煤柱时诱发岩层移动及地表沉陷的主要因素来源分为两大部分，其一是条带煤柱充填开采等效采高区域的未充填剩余空间；其二是采矿活动引起两侧采空区上覆岩层的“活化”作用。其次，将两部分沉陷来源基于随机介质理论回归至概率积分法预测模型。最后，利用基于概率积分法预计模型叠加计算整个充填开采活动回收条带煤柱诱发的地表下沉、水平移动、倾斜变形、水平变形和曲率变形。该方法能准确预测采用充填工艺回收条带煤柱引起的地表沉陷，操作简便、易于实现、预测精确。

Description

一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法

技术领域

本发明涉及开采沉陷和绿色开采技术领域，特别涉及一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法。

背景技术

条带开采技术通过将开采区域划分成较为规则的条带形状进行隔段开采，使未采出的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量，实现上覆岩层和地表沉陷的有效减沉控制，从而保护采动地表的建(构)筑物、土地资源及生态环境，已成为我国解决“三下一上”压煤开采的有效技术途径，广泛应用于我国各大矿区的开采实践。

然而条带开采必须留设足够的保护煤柱才能实现上覆岩层和地表沉陷的减沉目的，这就意味着煤炭资源的过度损失和浪费。随着我国绿色开采技术的不断发展和应用，充填开采在控制采空区上覆岩层移动及地表沉陷前提下能够实现煤炭资源的充分释放，在我国部分煤矿实现了“三下一上”压煤和各种保护煤柱、条带煤柱、边角残煤等煤炭资源的充分回收。

条带煤柱采用充填工艺回收可大大提高煤炭资源的采出率，但由于其两侧条带采空区上覆岩层垮落不充分，充填回采期间易受采动影响再次打破原有条带开采后重新平衡的次生结构，且充填回采结束后充填体代替了原条带煤柱，发生从“顶板-煤柱-底板”的围岩稳定体系向“顶板-充填体-底板”的围岩支撑系统的转变，该过程随之产生的上覆岩层移动及地表沉陷预测问题也成为有待解决的问题，目前没有专门针对充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法。

为此，本申请设计了一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明为了弥补现有技术中的不足，提供了一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，该发明操作简便、易于实现、预测精确，能够准确预测采用充填工艺回收条带煤柱引起的地表沉陷，对条带煤柱资源回收和地面生态环境保护具有现实指导意义。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，包括：首先在获取采用充填工艺回收条带煤柱的煤层赋存参数和工艺参数的基础上，确定充填工艺回采条带煤柱时诱发岩层移动及地表沉陷的主要因素来源分为两部分，其一是条带煤柱充填开采等效采高部分未充填的剩余下沉空间，平面范围涵盖条带煤柱区域和两侧采空区各自区域；其二是采矿活动引起两侧采空区上覆岩层的“活化”作用对地表造成的附加下沉空间。其次，将两部分沉陷来源基于随机介质理论回归至概率积分法预测模型。最后，利用基于概率积分模型的地表沉陷预测预报系统叠加计算整个充填活动回收条带煤柱诱发的地表下沉、水平移动、倾斜变形、水平变形和曲率变形。

具体做法如下：

根据采矿地质资料获取区域煤层赋存参数和工艺参数：煤层赋存参数包括煤层埋深h、煤层倾角α、开采厚度m、条带煤柱宽度a₂和长度b₂、两侧采空区尺寸(采厚m₁和m₂、宽度a₁和a₃、长度b₁和b₃)；充填工艺参数包括充填体的充填率η和充填体的压实率η_压。

条带煤柱回采前可被视为“孤岛桥墩”，并处于“顶板-煤柱-底板”的围岩稳定体系，采用充填工艺对其回采后，充填体与采空区上覆岩层之间形成了“顶板-充填体-底板”的围岩支撑系统，因充填体的充填率及其可压缩特性，其不能完全替代原条带煤柱“孤岛桥墩”的“顶板-煤柱-底板”的围岩稳定体系。由此可以将充填工艺回收条带煤柱引起的地表沉陷来源分为两部分，其一是条带煤柱充填开采等效采高m_c后未充填的剩余沉陷空间A，其平面范围涵盖条带煤柱平面区域和两侧采空区各自平面区域；其二是采矿活动引起两侧采空区上覆岩层的“活化”作用，致使上覆岩层直至地表中的离层、裂隙等再次被压密产生的附加下沉空间B。

对于因条带煤柱“孤岛桥墩”及两侧采空区域抽取等效采高为m_c的“板”后形成了等效开采空间A＝(a₁×b₁+a₂×b₂+a₃×b₃)×m_c，开采其引起的地表沉陷计算如表达式(1)所示：

W_A(x,y)＝W_A左(x,y)+W_A充(x,y)+W_A右(x,y)(1)

式中，坐标系以左侧采空区左下角为坐标原点，x、y方向分别代表走向方向和倾斜方向；W_A左(x,y)为左侧采空区平面范围的等效开采空间地表沉陷预计表达式；W_A充(x,y)为中间充填体平面范围的等效开采空间地表沉陷预计表达式；W_A右(x,y)为右侧采空区平面范围的等效开采空间地表沉陷预计表达式。

进一步，条带煤柱和两侧采空区各自平面区域的等效开采空间引起的地表沉陷计算表达式如(2)(3)(4)所示：

式中，q_c为充填体等效采高的下沉系数；r、r₁、r₂为分别代表走向方向、下山方向和上山方向主要影响半径。

进一步，基于等效采高理论，根据充填体的充填率和压缩性可计算出等效采高如(5)：

m_c＝m×(1-η)+m×η×η_压 (5)

进一步，等效开采空间的下沉系数q_c依据等效采高理论，应比矿区充分采动条件下垮落法开采实测数据反演的下沉系数q增大5～10％，即q_c＝(1.05～1.1)·q。水平移动系数b_c、主要影响角正切tanβ_c、拐点偏移距S_c、开采影响传播角θ_c可分别选取为矿区充分采动条件下垮落法开采实测数据反演结果水平移动系数b、主要影响角正切tanβ、拐点偏移距S、开采影响传播角θ。

对于因充填采矿活动会再次打破条带煤柱“孤岛桥墩”两侧采空区上覆岩层短时间内未完全恢复的应力平衡状态，从而传递到地表产生的附加下沉，可通过极限下沉系数与实际下沉系数带入概率积分法进行计算，表达式(6)(7)包括：

W_B(x,y)＝W_B极限(x,y)-W_B实际(x,y) (6)

式中，W_B极限(x,y)代表极限状态下地表任意点下沉，q_极为极限状态下的下沉系数；W_B实际(x,y)代表工作面开采后任意点实际下沉，q_实为作面开采后的实际下沉系数。

进一步，因两侧采空区原为条带工作面非充分开采，极限状态的下沉系数q_极、水平移动系数b_极、主要影响角正切tanβ_极、拐点偏移距S_极、开采影响传播角θ_极可选取为矿区非充分采动条件下垮落法开采实测数据反演结果。

进一步，实际下沉系数q_实、水平移动系数b_实、主要影响角正切tanβ_实、拐点偏移距S_实、开采影响传播角θ_实应通过条带煤柱“孤岛桥墩”两侧条带工作面非充分开采的地表移动变形实际观测数据反演得到。

根据采用充填工艺回采条带煤柱确定的地表沉陷两部分来源A和B，结合各部分的概率积分法预计参数采用基于概率积分模型的叠加计算出任意点的地表下沉W及沿

方向的倾斜变形i、水平移动U、曲率变形K和水平变形ε。各自表达式如(8)所示：

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，能够针对孤岛条带煤柱采用充填工艺进行回收过程中的上覆岩层移动及地表沉陷特征，基于充填开采等效采高理论确定等效采高计算范围，同时兼顾两侧采空区受采动影响的“活化”作用，最大限度的确保了预测方法的可靠性，并分别给出了各自的概率积分法预计参数采用概率积分法预计模型叠加计算了充填工艺回收条带煤柱的地表下沉、倾斜变形、水平移动、曲率变形和水平变形。该方法计算步骤清晰、操作简便、易于实现、预测精确，在今后的充填工艺回收条带煤柱的大趋势下能够准确预测出地表沉陷状况，对条带煤柱资源回收和地面生态环境保护具有现实指导意义。

附图说明

图1为本发明的充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法示意图；

图2为本发明的充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测三维空间计算图；

图3为本发明的充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法实例计算下沉等值线图。

图中，

1、煤层；2、条带采空区；3、条带煤柱；4、充填体；5、开采单元；6、地表任意计算点；7、剩余充填部分；8、充填体压缩部分；9、离层、裂隙、空洞等附加下沉源。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的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。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1-图3为本发明的一种具体实施例，该实施例为一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法。

以我国东部某矿区为例，对前期条带开采遗留的条带煤柱进行回收，回收方式为采用膏体充填工艺，回收完毕后极大提高了矿区的煤炭资源采出率。现对其回收后的地表沉陷情况进行预测，步骤如下：

第一步，目标区域拟回收的条带煤柱工作面基本信息的获取情况：目标工作面平均埋深h＝725m、煤层平均倾角α＝6°、开采厚度m＝2.8m、拟回收条带煤柱宽度a₂＝57m和长度b₂＝400m、两侧采空区尺寸(采厚m₁＝2.68m和m₂＝3.2m、宽度a₁＝66m和a₃＝57m、长度b₁＝415m和b₃＝470m)；膏体充填工艺的充填率η＝90％和充填体的压实率η_压＝20％。

第二步，通过膏体充填体的充填率和压缩率就可以计算出条带煤柱“孤岛桥墩”及两侧采空区域抽取的“板”的高度m_c＝m×(1-η)+m×η×η_压＝0.79m，该“板”被抽取后不仅膏体充填区域会形成等效开采空间，两侧采空区由于受直接顶的“悬臂梁”作用也会有各自的等效开采空间，故因膏体充填最终等效开采空间为A＝(a₁×b₁+a₂×b₂+a₃×b₃)×m_c＝60814.2m³。

第三步，参照矿区通过地表岩移观测成果反演总结形成的适用于本矿区垮落法开采的概率积分法预计参数，地表下沉系数q＝0.82、水平移动系数b＝0.3、主要影响角正切tanβ＝2.0、开采影响传播角θ＝86°(传播角系数0.6)、拐点移动距S＝0。计算等效开采空间的预计参数：地表下沉系数q_c＝0.82；水平移动系数b_c＝0.3；主要影响角正切tanβ_c＝2.0；开采影响传播角θ_c＝86°；拐点移动距S_c＝0。

第四步：计算因膏体充填采矿活动引起条带煤柱“孤岛桥墩”两侧采空区的“活化”进而地表产生的下沉，原条带开采的极限下沉系数q_极＝0.55、水平移动系数b_极＝0.3、主要影响角正切tanβ_极＝1.7、拐点偏移距S_极＝0、开采影响传播角θ_极＝86°。

第五步：获取开采膏体充填工作面两侧工作面期间的地表岩移观测数据，通过计算反演得到实际下沉系数q_实＝0.34、水平移动系数b_实＝0.28、主要影响角正切tanβ_实＝1.5、拐点偏移距S_实＝0、开采影响传播角θ_实＝85°。

第六步，将以上参数带入到概率积分法计算模型，得到采用充填工艺回采条带煤柱产生的地表沉陷两部分来源A和B的各自地表移动变形值，并叠加计算实现采用膏体充填工艺回采条带煤柱的地表任意点的地表最大下沉W₀＝403mm，最大倾斜变形i₀＝1.5mm/m、最大水平移动U₀＝165mm、最大曲率变形K₀＝0.014mm/m²和最大水平变形ε₀＝1.6mm/m。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，获取采用充填工艺回收条带煤柱的煤层赋存参数和充填工艺参数，煤层赋存参数包括煤层埋深h、煤层倾角α、开采厚度m、条带煤柱宽度a₂和长度b₂、两侧采空区尺寸，所述两侧采空区尺寸包括采厚m₁和m₂、宽度a₁和a₃、长度b₁和b₃，充填工艺参数包括充填体的充填率η和充填体的压实率η_压；

S2，确定充填工艺回采条带煤柱诱发岩层移动及地表沉陷的主要因素来源，分为两大部分，其一是条带煤柱充填开采等效采高m_c后未充填的剩余沉陷空间A，其平面范围涵盖条带煤柱平面区域和两侧采空区各自平面区域；其二是采矿活动引起两侧采空区上覆岩层的“活化”作用，致使上覆岩层直至地表中的离层、裂隙等再次被压密产生的附加下沉空间B。

S3，将两部分沉陷来源基于随机介质理论回归至概率积分法预测模型中，其中A部分可简易抽象为条带煤柱“孤岛桥墩”抽取出高度为等效采高m_c的“板”，则条带煤柱上覆顶板与两侧采空区上覆顶板会同时下沉等效采高的高度，即可得到未充填的剩余下沉空间A；其中B部分的具体空间无法在复杂地层条件中表示，但采空区“活化”引起的地表附加下沉空间可利用极限残余下沉系数带入概率积分法模型进行计算；

S4，将两部分沉陷来源A和B等效为地下开采区域，并采用基于概率积分模型的地表沉陷预测预报系统叠加计算出充填工艺回采条带煤柱开采引起的地表下沉W、倾斜变形i、水平移动U、曲率K和水平变形ε。

2.根据权利要求1所述的充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，其特征在于：

所述S3中，条带煤柱抽象为“孤岛桥墩”作用，充填后可近似抽象为条带煤柱“孤岛桥墩”抽取出高度为等效采高m_c的“板”，根据充填体的充填率和压缩性可计算出m_c＝m×(1-η)+m×η×η_压；因充填体两侧为采空区域，故抽取“板”的平面范围涵盖条带煤柱平面区域和两侧采空区各自平面区域，即可得到等效开采空间A＝(a₁×b₁+a₂×b₂+a₃×b₃)×m_c，对应地表沉陷表达式为

W_A(x,y)＝W_A左(x,y)+W_A充(x,y)+W_A右(x,y)

式中，坐标系以左侧采空区左下角为坐标原点，x、y方向分别代表走向方向和倾斜方向；W_A左(x,y)为左侧采空区平面范围的等效开采空间地表沉陷预计表达式；W_A充(x,y)为中间充填体平面范围的等效开采空间地表沉陷预计表达式；W_A右(x,y)为右侧采空区平面范围的等效开采空间地表沉陷预计表达式；

各个表达式分别为：

式中，q_c为充填体等效采高的下沉系数；r、r₁、r₂为分别代表走向方向、下山方向和上山方向主要影响半径。

3.根据权利要求1所述充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，其特征在于：

由于原有两侧采煤导致的破裂岩体碎胀和采空区边界处顶板垮落不充分的原因，两侧条带工作面开采产生的实际下沉未达到其充分压密的极限状态；充填采矿活动会再次打破两侧采空区上覆岩层短时间内未完全恢复的应力平衡状态，从而传递到地表产生附加下沉，可通过极限下沉系数与实际下沉系数带入概率积分法预计模型进行计算，表达式为：

W_B(x,y)＝W_B极限(x,y)-W_B实际(x,y)

式中，W_B极限(x,y)代表极限状态下地表任意点下沉，q_极为极限状态下的下沉系数；W_B实际(x,y)代表工作面开采后任意点实际下沉，q_实为作面开采后的实际下沉系数。

4.根据权利要求1所述的充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，其特征在于：

所述S4具体为，基于采用充填工艺回采条带煤柱确定的地表沉陷两部分来源A和B，可快速采用概率积分法预计模型叠加计算出任意点的地表下沉W及沿

方向的倾斜变形i、水平移动U、曲率变形K和水平变形ε，表达式为：

5.根据权利要求2所述的充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，其特征在于：

因条带煤柱“孤岛桥墩”及两侧采空区域抽取等效采高为m_c的“板”后形成了等效开采空间A＝(a₁×b₁+a₂×b₂+a₃×b₃)×m_c，其采用的概率积分法预计参数选取如下：

下沉系数q_c依据等效采高理论，应比矿区充分采动条件下垮落法开采实测数据反演的下沉系数q增大5～10％，即q_c＝(1.05～1.1)·q；水平移动系数b_c、主要影响角正切tanβ_c、拐点偏移距S_c、开采影响传播角θ_c可分别选取为矿区充分采动条件下垮落法开采实测数据反演结果水平移动系数b、主要影响角正切tanβ、拐点偏移距S、开采影响传播角θ。

6.根据权利要求3所述的充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，其特征在于：

因充填采矿活动会再次打破条带煤柱“孤岛桥墩”两侧采空区上覆岩层短时间内未完全恢复的应力平衡状态，从而传递到地表产生附加下沉，其采用的概率积分法预计参数选取如下：

因两侧采空区原为条带工作面非充分开采，极限状态的下沉系数q_极、水平移动系数b_极、主要影响角正切tanβ_极、拐点偏移距S_极、开采影响传播角θ_极可选取为矿区充分采动条件下垮落法开采实测数据反演结果水平移动系数b、主要影响角正切tanβ、拐点偏移距S、开采影响传播角θ；

实际下沉系数q_实、水平移动系数b_实、主要影响角正切tanβ_实、拐点偏移距S_实、开采影响传播角θ_实应通过条带煤柱“孤岛桥墩”两侧条带工作面非充分开采的地表移动变形实际观测数据反演得到。

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