【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及矿山开采沉陷研究，尤其涉及一种地表开采沉陷动态预测时间函数模型及其求参方法。
技术介绍
1、开采沉陷是一个随空间和时间变化的复杂四维问题。在进行建筑物下采煤时，对建筑物的采动损害也是一个复杂的动态过程，在该过程中建筑物会受到压、拉以及剪切破坏。因而，提供由采煤引发的地表沉陷动态过程，对降低和预防建筑遭受采动损害是非常重要的。由于地表开采沉陷静态预测模型已经相对成熟，因此，当前影响地表开采沉陷动态预测精度的关键是确定高精度的地表开采沉陷动态预测时间函数，并精准求取确定相关该时间函数的参数。
2、关于地表沉陷动态预测的时间函数，knothe于1952年建立了knothe时间函数模型，该模型仅有一个参数，实现了地表沉陷动态下沉预测，但在反映地表下沉速度和加速度的变化规律方面效果不是很好。鉴于knothe时间函数存在的不足，sroka(1982-1983)构造了双参时间函数，该函数能够较好的反映地表下沉速度和加速度的变化规律。但地下开采的影响并不是瞬间就传递到地表的，一般当工作面从开切眼开始推进0.25～0.5倍的采深时，地下采动影响才在地表显现，对于这方面双参时间函数不能较好的体现。为此，kowalski(2001)从地表采动显现滞后于地下开采的观点出发，提出了广义时间函数，该函数有三个参数，理论上能够较好的反映地表移动变形的整个过程。然而，尽管双参时间函数和广义时间函数在理论上较knothe时间函数有较大的优越性，但由于前两者所含参数较多，不同的地质采矿条件下，参数确定相对困难，且对地表开采开采沉陷动态预测
3、当前关于时间函数的求取方法主要有图解法、最小二乘曲线拟合法、区间估算法及其改进的充分采动角法等。其中图解法和充分采动角法的解算精度均取决于作图人的经验，如果作图人经验不足，解算精度则不能保证；最小二乘曲线拟合法则需要大量实测数据，如果没有或缺乏足够的实测数据，无法应用该方法求出可靠的时间函数参数。区间估算法是基于采动地表的一般移动规律而建立的，在缺乏实测数据时，采用一般经验数值仍然可以使用，但由区间估算法解算出的时间函数参数值是个区间值，结果缺乏精准性。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种地表开采沉陷动态预测时间函数模型及其求参方法，该预测方法和模型不仅能够实现精确动态预测地表下沉轨迹特征、下沉总时间特征、下沉速度特征和加速度特征，而且时间函数参数求取方法简单，求参所用参数均是常用地表开采沉陷静态预测模型-概率积分法的相关预测参数，因此，在实际操作层面，该时间函数的参数更加容易求取。
2、具体地，本专利技术通过以下技术方案实现：
3、一种地表开采沉陷动态预测时间函数模型，所述时间函数模型的公式为：
4、s(t)＝(1+e(-nt+6))-1
5、其中，n为时间影响系数，所述时间影响系数的获得方式为联合所述时间函数模型和概率积分法理论而获得；t为采动地表点下沉持续时间。
6、进一步地，所述时间影响系数的计算公式为：
7、
8、其中，v为工作面的推进速度，γl和sl分别为回采方向的开切眼处的主要影响半径和拐点偏移距，γr和sr分别为回采方向的停采线处的主要影响半径和拐点偏移距。
9、进一步地，所述时间影响系数的获得方式具体为：
10、根据概率积分法理论，当工作面开采达到充分采动时，地表最大下沉值近似等于0.98w0，假设工作面的推进速度为v，采空区达到充分采动时的尺寸为lc，那么可以求得地表移动达到充分采动时的时间为lc/v，从而联立所述时间函数模型的公式得到：
11、
12、其中，w0为最终沉降值。
13、进一步地，采空区达到充分采动时的尺寸lc用下式计算：
14、lc＝γl+γr+sl+sr
15、其中，γl和sl分别为回采方向的开切眼处的主要影响半径和拐点偏移距，γr和sr分别为回采方向的停采线处的主要影响半径和拐点偏移距。
16、本专利技术还提供一种地表开采沉陷动态预测时间函数模型的求参方法，包括如下步骤：
17、s1、获得待预测矿区的时间影响系数n：
18、
19、其中，v为工作面的推进速度，γl和sl分别为回采方向的开切眼处的主要影响半径和拐点偏移距，γr和sr分别为回采方向的停采线处的主要影响半径和拐点偏移距；
20、s2、获得待预测矿区的时间函数模型：
21、s(t)＝(1+e(-nt+6))-1
22、其中，t为采动地表点下沉持续时间。
23、进一步地，还包括步骤s3：通过上述时间函数模型获得待预测矿区的地表开采沉陷动态特征：包括待预测矿区的地表下沉轨迹特征、下沉总时间特征、下沉速度特征和加速度特征。
24、进一步地，步骤s2后还包括将所述时间函数模型进行图形表达的步骤。
25、进一步地，步骤s3中，所述地表下沉轨迹特征对应所述时间函数模型的图形曲线，所述下沉总时间特征对应所述时间函数模型的图形横坐标，所述下沉速度特征对应所述时间函数模型的一阶导数，所述加速度特征对应所述时间函数模型的二阶导数。
26、有益效果：
27、1、本专利技术以sigmoid函数为基础，通过对sigmoid函数进行相关优化改进，可实现对采动地表点动态下沉规律特征的全部表达，包括地表下沉轨迹特征、下沉总时间特征、下沉速度特征和加速度特征的全部表达。
28、2、本专利技术基于概率积分预测参数的主要影响半径提出了一种区间估算法的改进方法，求参所用参数均是常用地表开采沉陷静态预测模型-概率积分法的相关预测参数，在实际操作层面，该时间函数的参数更加容易求取。
29、3、相比于以knothe时间函数为基础的系列函数，本专利技术获得了更加稳定的单参数动态预测时间模型。尤其地，如专利cn113435636a，其提出的预测时间函数中包含两个时间因素影响系数c和n，均是与上覆岩层力学性质有关的时间因素影响系数，c主要描述采煤沉陷地表点下沉过程的动态特征，n主要描述采动地表点显现滞后于地下开采的时间特征，两个参数在求参过程中包含有相同的影响因素，求参时会互相影响。而本专利技术提出的基于改进的sigmoid动态预测时间函数中，通过综合考虑矿区各种影响因素，提出了单参数动态预测时间函数，具有更加稳定的模型结构，可解释性也更强。
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1.一种地表开采沉陷动态预测时间函数模型，其特征在于，所述时间函数模型的公式为：
2.根据权利要求1所述的地表开采沉陷动态预测时间函数模型，其特征在于，所述时间影响系数的计算公式为：
3.根据权利要求1或2所述的地表开采沉陷动态预测时间函数模型，其特征在于，所述时间影响系数的获得方式具体为：
4.根据权利要求3所述的地表开采沉陷动态预测时间函数模型，其特征在于，采空区达到充分采动时的尺寸Lc用下式计算：
5.根据权利要求1-4任一项所述地表开采沉陷动态预测时间函数模型的求参方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的求参方法，其特征在于，还包括步骤S3：
7.根据权利要求5或6所述的求参方法，其特征在于，步骤S2后还包括将所述时间函数模型进行图形表达的步骤。
8.根据权利要求7所述的求参方法，其特征在于，步骤S3中，所述地表下沉轨迹特征对应所述时间函数模型的图形曲线，所述下沉总时间特征对应所述时间函数模型的图形横坐标，所述下沉速度特征对应所述时间函数模型的一阶导数，所述加速度特征对应
...【技术特征摘要】
1.一种地表开采沉陷动态预测时间函数模型，其特征在于，所述时间函数模型的公式为：
2.根据权利要求1所述的地表开采沉陷动态预测时间函数模型，其特征在于，所述时间影响系数的计算公式为：
3.根据权利要求1或2所述的地表开采沉陷动态预测时间函数模型，其特征在于，所述时间影响系数的获得方式具体为：
4.根据权利要求3所述的地表开采沉陷动态预测时间函数模型，其特征在于，采空区达到充分采动时的尺寸lc用下式计算：
5.根据权利要求1-4任一项所述地表开采沉陷动态预测时间...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡青峰，王朋，刘文锴，王新静，李怀展，查剑锋，郭广礼，崔希民，易四海，李春意，郭庆彪，刘梓霖，张会娟，张秋霞，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：
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