一种急倾斜特厚煤层老采空区残余变形预计方法技术

本发明专利技术公开了一种急倾斜特厚煤层老采空区残余变形的预计方法，包括：首先对急倾斜特厚煤层老采空区残余变形机理进行分析，然后分析急倾斜特厚煤层的开采影响传播规律，采用变化的开采影响传播角描述岩层移动的特殊形式，对传统概率积分法理论模型中参数进行修正，建立基于开采影响传播角变化的开采沉陷预计模型，然后结合等效开采厚度思想运用matlab编程构建残余移动变形预计模型，引入Kelvin模型，分析老采空区蠕变特性，构造残余沉降动态预测函数，实现残余沉降的动态分析。本发明专利技术的有益效果：提供一种针对急倾斜特厚煤层采空区塌落稳定后在外力影响下老采空区进一步活化产生的残余变形确定方法，也可应用于老采空区上方新建建筑的地基稳定性评价中。

Prediction method for residual deformation of old goaf in steep and very thick seam

The invention discloses a steep prediction method, thick coal seam goaf residual deformation include: firstly, steep thick seam mined goaf residual deformation mechanism is analyzed, and then analysis the law of mining steeply inclined thick coal seam propagation, influence propagation by changing angles to describe the special form of rock the move, on the traditional parameters of probability integral method in the theoretical model is modified based on the influence propagation angle of mining subsidence prediction model, and then combined with the equivalent mining thickness using MATLAB programming thought construction residual movement deformation prediction model, the introduction of Kelvin model, analysis of the creep characteristics of old goaf mining, tectonic dynamic residual subsidence prediction function. The dynamic analysis of residual subsidence. The beneficial effect of the invention to provide a method for determining the residual deformation of steeply inclined thick coal seam Goaf Collapse after stability under the influence of the external force of the goaf further activated to produce, but also can be applied to the evaluation of foundation stability over old goaf in new buildings.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及岩土工程研究领域，具体涉及一种急倾斜特厚煤层老采空区残余变形预计方法。
技术介绍
近些年来，随着我国城市轨道交通的飞速发展以及矿区建设步伐的不断加快，一些新建地铁线路不可避免地要穿越老采空区塌陷区。这些塌陷的采空区虽然已经历长期的自然压实，但采空区塌陷后仍然存在着破碎岩体空隙等不密实等现象，此时在外界环境的影响下破碎岩体中已形成的相对应力平衡状态就有可能被打破，从而产生塌陷区及其上覆岩体的再次移动和变形，进而使塌陷后的采空区上方产生较大的残余移动变形使地铁结构发生破坏，因此老采空区上方地表残余沉降和变形预测是老采空区上方修建地铁结构的关键。然而，既有研究或是针对长壁开采的薄水平煤层或是缓倾斜煤层残余变形的研究。一般来讲，将煤层倾角大于45°、厚度大于30m的煤层称之为急倾斜特厚煤层。目前还未有完整的针对急倾斜特厚煤层老采空区的残余变形预测的研究。概率积分法是基于水平层状矿体的开采沉陷预计模型，以岩体各向同性或水平各向同性为基础，目前已被广泛应用于水平或缓倾斜煤层开挖引起的地表沉降研究中，但这些研究是以传统的随机介质理论为基础，定性描述从采空区到上覆岩体的传播途径(在岩体内部沿层面法线方向传播，沿地表为垂直向上传播)，但实际上随着煤层倾角的增大，原始各向同性层面的各向异性程度会不断加剧，这使得上述传统的处理方式往往会产生较大的偏差。因此对于急倾斜特厚煤层，采用传统的概率积分法则会存在一定的缺陷。同时，对于开采急倾斜特厚煤层，其下沉盆地形态并非像开采水平层状矿体那样表现为铅直向上的对称性正态分布曲线，而是表现出明显的不对称性，在上山方向的影响范围远小于下山方向。上节内容已得出岩层移动在底板侧主要沿底板以剪切滑移为主，顶板侧离层遭到破坏随之向垮落区发展，两者传播方向不同，说明急倾斜特厚煤层开采岩层移动方向的非一致性，即开采影响角不是一个定值，而是一个变量。因此研究急倾斜特厚煤层老采空区的残余变形，是一个亟待解决的问题。针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现思路
针对相关技术中的上述技术问题，本专利技术在于提供一种基于变化的开采影响传播角的急倾斜特厚煤层老采空区残余变形预计方法。为实现上述技术目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术所述的一种急倾斜特厚煤层老采空区残余变形预计方法，其步骤如下：(1)建立急倾斜特厚煤层水平分段单元开采地表下沉模型，建立坐标系XO’Z，煤层倾角为α，开采深度为h，沿水平方向将分段工作面按单元开采，每个水平分段工作面长为l，开采单元横坐标为x，开采影响传播角θ0不是一个固定值，而是一个关于煤层倾角α和开采位置横坐标x的函数，可表示为θ0(α,x)，靠近顶板侧开采影响传播角θ01和底板侧开采影响传播角θ02分别为单元开采影响传播角的极小值和极大值，中间开采单元的影响传播角θ0(x)是随开采位置横坐标x变化的量，按线性内插法得到水平任意开采单元影响传播角为则用开采影响传播系数表示水平任意单元开采影响传播角为单元开采下沉盆地的表达式为其中，We(x,z)为单元开采引起(x,z)点的沉降值；rz为覆岩距工作面深度为z位置的下沉盆地主要影响半径。则对于整个单元厚度的煤层开采，横坐标为s的地表点A的下沉值Wu(s)为0～l范围内各单元开采引起的下沉值之和，即为若分层开采厚度为m，则横坐标为s的地表点A的下沉值W(s)为其中，q为大变形阶段分层开采的下沉系数，即小变形阶段残余变形刚开始出现的地表下沉系数。α'为分层工作面的倾角，当采用水平分段开采方式时，α'＝0。(2)当老采空区垮落区活化后，若所有破碎岩体空隙均被充分压实，则单层开采引起的地表最大沉降值不会超过采厚m(包括残余下沉值)，即极限下沉系数取为1。则残余下沉等效开采厚度m'为m'＝m(1-q)，则运用matlab编程得到老采空区垮落区对应等效开采厚度引起的残余沉降为：残余倾斜变形为：残余曲率变形为：残余水平移动为：式中，b为水平移动系数，其值取实测走向上最大水平移动值Umax与实测地表最大下沉值Wmax的比值。残余水平变形为：进一步的，在上述步骤的基础上进一步得到残余沉降的动态预测方法。由于上述模型所预计的移动变形值为潜在最大残余移动变形值，即老采空区垮落区活化后，所有采动空隙均被充分压实。因此由上述残余沉降曲线函数可得到潜在最大残余沉降值。随着时间的延续，老采空区垮落区内碎裂岩体的空隙不断变小，岩体应变不断增加，最后趋于常数。在地表残余沉降动态预测中表现为地表沉降逐渐增加，最后趋于潜在最大残余沉降值。在岩石力学中，上述老采空区垮落区内岩体空隙压密过程可看成岩石的蠕变过程，可以用Kelvin模型很好地描述该过程。Kelvin蠕变方程为由蠕变方程可知，当t→∞时，ε＝σ0/k趋于常数。实际上在岩石蠕变过程中，老采空区垮落区内破碎岩体空隙被压实后，残余沉降值趋于最大潜在沉降值Wc(s)，蠕变方程中的参数k/η可综合为影响参数μ，则地表残余沉降动态预测模型为Wc(s,t)＝Wc(s)[1-exp(-μt)]。本专利技术的有益效果：本专利技术主要采用了以随机介质理论为基础的概率积分法，通过修正模型中参数构建基于变化的开采影响传播角的沉陷预计模型，结合等效开采厚度思想运用matlab编程得到残余移动计算模型，从而实现急倾斜特厚煤层老采空区残余变形预计及残余沉降动态预测。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，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他的附图。图1是顶煤和围岩破坏发展分区示意图；图2是采空区垮落后分区示意图；图3是急倾斜特厚煤层水平分段单元开采地表下沉示意图；图4是Kelvin蠕变曲线示意图；图5是北大槽采空区残余沉降监测与动态预测对比示意图；图6是残余沉降数值计算结果示意图；图7是残余变形预计方法计算得到的残余沉降结果示意图；图8是本专利技术所述一种急倾斜特厚煤层老采空区残余变形预计方法的步骤示意图；其中：1—顶煤破坏成拱区；2—底板滑落区；3—顶板离层破坏区；4—地表塌陷坑；5—顶板断裂区；6—垮落区。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。以新疆某急倾斜特厚煤矿为例，介绍一种急倾斜特厚煤层老采空区残余变形预计方法，包含如下顺序步骤：(1)分析急倾斜特厚煤层在水平分段开采条件下的残余变形机理。对于开采引起的地表移动变形可以分为两个阶段：一是采动过程中覆岩的移动变形和采后3-5年内地表变形阶段，即大变形阶段，“三下”开采规程认为本阶段后地表稳定；二是地表稳定后地表残余变形阶段，即小变形阶段。针对急倾斜特厚煤层开采引起变形机理分析如下：大变形阶段：该阶段开采过程顶煤和围岩的破坏过程可概化为三个区域，如图1所示。区域I为顶煤破坏成拱区，随着煤层水平分段开采从而形成地下采空区域，空区周围岩体失去原始应力平衡状态，直接顶煤首先破碎，相继垮落并不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种急倾斜特厚煤层老采空区残余变形预计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立急倾斜特厚煤层水平分段单元开采地表下沉模型，因为水平任意开采单元影响传播角为则用开采影响传播系数表示水平任意单元开采影响传播角为单元开采下沉盆地的表达式为其中，We(x，z)为单元开采引起(x，z)点的沉降值；rz为覆岩距工作面深度为z位置的下沉盆地主要影响半径；则对于整个单元厚度的煤层开采，横坐标为s的地表点A的下沉值Wu(s)为0～1范围内各单元开采引起的下沉值之和，即为若分层开采厚度为m，则横坐标为s的地表点A的下沉值W(s)为(2)当老采空区垮落区活化后，若所有破碎岩体空隙均被充分压实，则单层开采引起的地表最大沉降值不会超过采厚m(包括残余下沉值)，即极限下沉系数取为1，则残余下沉等效开采厚度m为m′＝m(1‑q)，即可得到老采空区垮落区对应等效开采厚度引起的残余沉降为：残余倾斜变形为：残余曲率变形为：残余水平移动为：残余水平变形为：

【技术特征摘要】
1.一种急倾斜特厚煤层老采空区残余变形预计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立急倾斜特厚煤层水平分段单元开采地表下沉模型，因为水平任意开采单元影响传播角为则用开采影响传播系数表示水平任意单元开采影响传播角为单元开采下沉盆地的表达式为其中，We(x，z)为单元开采引起(x，z)点的沉降值；rz为覆岩距工作面深度为z位置的下沉盆地主要影响半径；则对于整个单元厚度的煤层开采，横坐标为s的地表点A的下沉值Wu(s)为0～1范围内各单元开采引起的下沉值之和，即为若分层开采厚度为m，则横坐标为s的地表点A的下沉值W(s)为(2)当老采空区垮落区活化后，若所有破碎岩体空隙均被充分压实，则单层开采引起的地表最大沉降值不会超过采厚m(包括残余下沉值)，即极限下沉系数取为1，则残余下沉等效开采厚度m为m′＝m(1-q)，即可得到老采空区垮落区对应等效开采厚度引起的残余沉降为：残余倾斜...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙礼超，马伊磊，徐红，黄昌富，田书广，丁银平，郭道根，李永明，刘宝玉，
申请(专利权)人：乌鲁木齐城市轨道集团有限公司，中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京科技大学，
类型：发明
国别省市：新疆;65