一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法技术

本发明专利技术涉及煤矿开采领域，提出了一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法，包括以下步骤：S1、设置20~50个仅地形变化的数值模型；S2、在模型上模拟单元开采，计算地表沉陷值，含下沉和水平移动；选择偏态分布的概率密度函数作为下沉的影响函数，对其进行局部求导作为水平移动的影响函数，用最小二乘法将2个影响函数和模拟的沉陷值进行拟合，得到对应各个数值模型的影响函数参数值；S3、用最小二乘法拟合得到影响函数的各个参数关于地表倾角ag、覆岩层平均厚度H的表达式；S4、计算山区地形条件下单元开采和全采区开采的沉陷值。本发明专利技术使用2个偏态影响函数表征单元开采的地表下沉和水平移动进行山区沉陷预测，计算结果比经典方法更加准确。

A Method of Predicting Coal Mining Subsidence in Mountain Area by Using Skewness Impact Function

【技术实现步骤摘要】
一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法
本专利技术涉及煤矿开采领域，具体涉及一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法。
技术介绍
由于地形起伏的影响，山区地下开采使地表沉陷产生不同于平地的特征，准确的沉陷计算难度较大。实践发现地表非水平时，下沉不再关于开采中心所在的铅垂线对称，水平移动不再关于开采中心正上方的地表点对称，倾斜(下沉的一阶导数)和水平移动不相似。影响函数法，包括我国常用的概率积分法，在煤矿地下开采的地表沉陷计算中应用广泛，原理简单，计算速度快。这种方法理论上适用于计算水平地表条件下、水平～缓倾层状矿体开采对地表的影响。计算时用一个影响函数表征单元开采造成的地表下沉，然后将所有开采单元的下沉累加，得到全采区的下沉，其他移动变形量，包括倾斜、曲率、水平移动、水平变形都由下沉计算。经典的影响函数法使用一个对称的函数作为影响函数(如，概率积分法用正态分布的概率密度函数)，在山区沉陷预测应用中有一定局限性。数值模拟在沉陷计算中也广泛采用，用计算机模拟煤层开采后岩土体的应力应变和移动变形情况。数值模拟是用计算机做实验，具有可重复性。越精细的模型得到的结果越准确，但建模难度大、计算耗时，所以往往用于沉陷规律研究，可作为影响函数法参数确定的理论支撑。山区煤矿开采沉陷预测的难题在于：1)经典的影响函数法使用对称的单元开采影响函数表征下沉，与山区沉陷特征不符；2)经典的影响函数法用倾斜(下沉的一阶导数)计算水平移动，但山区倾斜和水平移动曲线不相似，用倾斜计算水平移动精度不高；3)矿区地形条件和地质环境复杂，现场实测沉陷数据的特征并不是仅仅由地形变化引起，且数据量不足以支撑山区沉陷预测方法改良。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法，该方法基于偏态分布的概率密度函数构建单元开采下沉和水平移动的影响函数来计算山区煤矿开采沉陷。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法，包括以下步骤：S1、设置20～50个数值模型，所述数值模型中，地层简化为包括底板、矿体和覆岩3个地层，覆岩层平均厚度H和地表倾角ag变化，其它地质采矿条件相同；3个地层的物理力学性质固定，采用摩尔-库伦本构模型，分别设置杨氏模量、泊松比、抗拉强度、内聚力、摩擦角，取值由现场勘查或资料调研获取；S2、对设置的数值模型分别进行模拟单元开采，开挖的单元位于模型矿体层中央相同位置，计算开采后的地表沉陷值，所述地表沉陷值包括下沉和水平移动；选择偏态分布的概率密度函数作为下沉的影响函数vs(x)，对其进行局部求导作为水平移动的影响函数hd(x)，分别用下沉的影响函数和水平移动的影响函数对模拟得到的模型地表下沉和水平移动进行非线性最小二乘拟合，得到对应各个数值模型的影响函数的参数sm1、α1、μ1、σ1、sm2、α2、μ2、σ2的值；所述下沉的影响函数和水平移动的影响函数的表达式分别为：其中，x表示地表点相对开采单位的位置，sm1、sm2为数值纠正参数，α1、α2为形状参数，μ1、μ2为定位参数，σ1、σ2为尺度参数；S3、提取各个数值模型的覆岩层平均厚度H和地表倾角ag的值，通过最小二乘拟合，得到影响函数的各个参数sm1、α1、μ1、σ1、sm2、α2、μ2、σ2关于地表倾角ag、覆岩层平均厚度H的函数表达式；S4、根据山区地表的覆岩层平均厚度H以及地表倾角值ag，下沉和水平移动的影响函数vs(x)和hd(x)，以及影响函数的各个参数sm1、α1、μ1、σ1、sm2、α2、μ2、σ2关于地表倾角ag和覆岩层平均厚度H的函数表达式，计算得到山区地表单元开采沉陷值和全采区开采沉陷值。所述步骤S4中，简单倾斜的山区地表单元开采沉陷的计算方法为：提取覆岩层平均厚度H和地表倾角ag，代入步骤S3拟合得到的函数表达式求出参数sm1、α1、μ1、σ1、sm2、α2、μ2、σ2的值；将参数值代入步骤S2单元开采地表下沉、水平移动的影响函数的表达式，得到开采单元采出后对任意地表点的下沉和水平移动；坡度不规则山区地表单元开采沉陷的计算方法为：过地表点P1做原始地表的切线，以该切线与水平方向的夹角作为地表倾角，通过简单倾斜的山区地表单元开采沉陷的计算方法计算单元开采造成的P1点处的地表沉陷值；依次计算所有原始地表点的沉陷值，得到单元开采后对坡度不规则山区地表造成的下沉和水平移动。山区地表全采区开采沉陷计算的计算方法为：将开采工作面划分为n个等长的单元，n的取值范围为20～200；根据山区地表单元开采沉陷的计算方法依次求单元1，2，…，n开采对地表造成的地表沉陷值；将全部n个单元开采造成的地表沉陷值中的下沉和水平移动分别进行叠加，即得整个开采范围对地表造成的下沉和水平移动；对整个开采范围对地表造成的下沉分别求一阶、二阶导数得倾斜、曲率，对整个开采范围对地表造成的水平移动求一阶导数得水平变形，完成山区地表全采区开采沉陷计算。对开采工作面进行划分时，开采单元的宽度小于等于50m。所述步骤S1设置的数值模型的宽度的取值范围为1500～3000m，底板层层厚取值范围为100～200m，矿体层层厚取值范围为2～10m；地表倾角的取值范围为0～35°，覆岩层平均厚度取值范围为50～1000m。所述山区的坡度范围为0～35°。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术提供了一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法，基于偏态分布的概率密度函数构建单元开采下沉和水平移动的影响函数来计算山区煤矿开采沉陷，相较于以一个正态分布的概率密度函数作为单元开采影响函数计算沉陷的方法，本专利技术的方法在山区条件下可取得更好的计算效果。附图说明图1为本专利技术实施例中仅地形变化的数值模型的示意图；图2为本专利技术实施例中下沉和水平移动影响函数的8个参数与地形参数(覆岩层平均厚度H和地表倾角ag)的拟合曲面图；图3为本专利技术实施例中全采区开采后山区地表沉陷计算示意图；图4为本专利技术实施例中应用本专利技术的方法和经典的概率积分法分别计算山区采煤沉陷的结果与实测数据的对比示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例提出一种基于偏态分布的概率密度函数构建单元开采下沉和水平移动的影响函数来计算山区煤矿开采沉陷的方法，其包括以下步骤：S1、数值模型设计为了将地形对开采沉陷的影响从复杂的地质因素中分离出来，在数值模拟软件中设计一系列(20～50个)简化的数值模型，系列模型之间仅地形条件不同，其他地质采矿条件简化且取固定值。所述数值模型中，地层简化为底板、矿体和覆岩3层，各个模型仅覆岩层平均厚度和地表倾角变化，其它地质采矿条件相同，包括各地层的尺寸和物理力学性质。本实施例采用FLAC2D有限差分软件进行模拟，其包括如下两个方面。(11)模型分层和尺寸设计所有数值模型均简化为3个地层，包括底板、矿体和覆岩。覆岩层上表面即地表，设计为倾角统一的简单倾斜地表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、设置20～50个数值模型，所述数值模型中，地层简化为包括底板、矿体和覆岩3个地层，覆岩层平均厚度H和地表倾角ag变化，其它地质采矿条件相同；3个地层的物理力学性质固定，采用摩尔‑库伦本构模型，分别设置杨氏模量、泊松比、抗拉强度、内聚力、摩擦角，取值由现场勘查或资料调研获取；S2、对设置的数值模型分别进行模拟单元开采，开挖的单元位于模型矿体层中央相同位置，计算开采后的地表沉陷值，所述地表沉陷值包括下沉和水平移动；选择偏态分布的概率密度函数作为下沉的影响函数vs(x)，对其进行局部求导作为水平移动的影响函数hd(x)，分别用下沉的影响函数和水平移动的影响函数对模拟得到的模型地表下沉和水平移动进行非线性最小二乘拟合，得到对应各个数值模型的影响函数的参数sm1、α1、μ1、σ1、sm2、α2、μ2、σ2的值；所述下沉的影响函数和水平移动的影响函数的表达式分别为：

【技术特征摘要】
1.一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、设置20～50个数值模型，所述数值模型中，地层简化为包括底板、矿体和覆岩3个地层，覆岩层平均厚度H和地表倾角ag变化，其它地质采矿条件相同；3个地层的物理力学性质固定，采用摩尔-库伦本构模型，分别设置杨氏模量、泊松比、抗拉强度、内聚力、摩擦角，取值由现场勘查或资料调研获取；S2、对设置的数值模型分别进行模拟单元开采，开挖的单元位于模型矿体层中央相同位置，计算开采后的地表沉陷值，所述地表沉陷值包括下沉和水平移动；选择偏态分布的概率密度函数作为下沉的影响函数vs(x)，对其进行局部求导作为水平移动的影响函数hd(x)，分别用下沉的影响函数和水平移动的影响函数对模拟得到的模型地表下沉和水平移动进行非线性最小二乘拟合，得到对应各个数值模型的影响函数的参数sm1、α1、μ1、σ1、sm2、α2、μ2、σ2的值；所述下沉的影响函数和水平移动的影响函数的表达式分别为：其中，x表示地表点相对开采单位的位置，sm1、sm2为数值纠正参数，α1、α2为形状参数，μ1、μ2为定位参数，σ1、σ2为尺度参数；S3、提取各个数值模型的覆岩层平均厚度H和地表倾角ag的值，通过最小二乘拟合，得到影响函数的各个参数sm1、α1、μ1、σ1、sm2、α2、μ2、σ2关于地表倾角ag、覆岩层平均厚度H的函数表达式；S4、根据山区地表的覆岩层平均厚度H以及地表倾角值ag，下沉和水平移动的影响函数vs(x)和hd(x)，以及影响函数的各个参数sm1、α1、μ1、σ1、sm2、α2、μ2、σ2关于地表倾角ag和覆岩层平均厚度H的函数表达式，计算得到山区地表单元开采沉陷值和全采区开采沉陷值。2.根据权利要求1所述的一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法，其特征在于，所述步骤S4中，简单倾斜的山区地表单元开采沉陷的计算方法为：提...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡音飞，李晓静，廉旭刚，樊斌，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14