一種黃土溝壑區(qū)下煤層開采地表下沉系數(shù)的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤層開采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種黃土溝壑區(qū)下煤層開采地表下沉系 數(shù)的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于地表移動變形各個指標(biāo)均與地表的最大下沉值有直接關(guān)系，且地表最大下沉 值是由下沉系數(shù)決定，可見，地表下沉系數(shù)對準(zhǔn)確地預(yù)計地表移動變形具有決定性的作用， 因此，較為準(zhǔn)確地確定地表下沉系數(shù)顯得尤為重要。
[0003] 目前，地表下沉系數(shù)的確定方法通常為地表觀測的實際下沉值與煤層開采高度的 比值，地表下沉系數(shù)為一定值，應(yīng)用該方法在一般采礦地質(zhì)條件下較為適用，但對于黃土溝 壑區(qū)下煤層開采，地表下沉系數(shù)的確定按照上述計算方法，由于未考慮黃土溝壑區(qū)坡體自 身的穩(wěn)定性，將導(dǎo)致下沉系數(shù)增大，導(dǎo)致地表下沉預(yù)計誤差較大；同時按照上述計算方法， 地表下沉不是一個定值，計算的下沉系數(shù)隨坡體的穩(wěn)定性就不同，將產(chǎn)生較大的偏差，給現(xiàn) 場進(jìn)行地表沉陷預(yù)計帶來不確定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種黃土溝壑區(qū)下煤層開采地表下沉系數(shù)的確定 方法，該方法步驟簡單，實現(xiàn)方便，能夠較為精確地確定黃土溝壑區(qū)地表下沉系數(shù)，使用效 果好，便于推廣使用。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0006] -種黃土溝壑區(qū)下煤層開采地表下沉系數(shù)的確定方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一、根據(jù)黃土溝壑區(qū)下煤層開采地面布設(shè)觀測站測量的數(shù)據(jù)，初步計算該條 件下煤層開采的下沉系數(shù)：
[0008]
[0009]式中：m為根據(jù)地表實際測量數(shù)據(jù)得出的地表下沉系數(shù);為地表實際測量的地 表最大下沉量，單位mm ;m為煤層實際開采厚度，單位m; a為煤層的角度；
[0010]步驟二、對坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并計算坡體穩(wěn)定性給地表造成的下沉附加量； [0011] (1)坡體穩(wěn)定性分析：
[0012]
[0013] 式中：G為坡體自身的穩(wěn)定性判別系數(shù);δ為坡體的角度;h為表土層的厚度，單位m; γ為土體的密度，單位kg/m3;C為土體的內(nèi)聚力，單位Pa; P為土體的內(nèi)摩擦角；
[0014] (2)坡體滑移引起的下沉附加量：
[0015] Δ w(x) =G X sin5(w(x) X sin5+u(x) X cos5)
[0016] 式中：Aw(x)為沿坡體方向因坡體滑移引起的下沉附加量，單位mm;w(X)為沿坡體 方向地表實際測量的最大下沉量，單位mm;u(X)為沿坡體方向地表實際測量的最大水平移 動量，單位mm;其中，坡體自身穩(wěn)定性判別系數(shù)和坡體滑移產(chǎn)生的附加量的計算，其關(guān)鍵步 驟為：（1)需要準(zhǔn)確地確定坡體自身的角度S、表土層的厚度h、土體的密度γ、土體的內(nèi)聚力 C和土體的內(nèi)摩擦角Ρ;(2)需要準(zhǔn)確地觀測坡體上觀測點的最大下沉值和水平移動值；
[0017]步驟三、結(jié)合地表實測數(shù)據(jù)和溝壑區(qū)坡體滑移產(chǎn)生的附加量，利用計算機(jī)反演模 擬的方法，進(jìn)一步確定地表下沉系數(shù)η;具體方法為：
[0018] S31、結(jié)合坡體自身穩(wěn)定性判別系數(shù)和地表沿坡體方向?qū)崪y的最大垂直移動量w (X)與水平移動量u(x)，計算出坡體滑移引起的地表下沉附加量AwU);
[0019] S32、假設(shè)地表下沉系數(shù)II，則地表下沉系數(shù)表達(dá)式為：
[0020]
[0021 ] 此時地表的最大下沉值wmax*:
[0022] Wmax=m · η · cosa
[0023] S33、將求取的地表最大下沉值wmax代入地表下沉盆地預(yù)計公式進(jìn)行計算機(jī)反演模 擬計算，將計算求取的地表下沉值與該溝壑區(qū)地面觀測點下沉值進(jìn)行對比分析，反復(fù)步驟 S31和步驟S32,直至計算機(jī)反演數(shù)值與地表觀測數(shù)據(jù)相吻合為止，從而確定地表下沉系數(shù) n〇
[0024] 其中：所述步驟三的具體步驟為：
[0025] 步驟101、初步確定地表下沉系數(shù)
在此基礎(chǔ)上計算該工況下 地表的最大下沉值:Wmax = m · n · cosa;
[0026] 步驟102、根據(jù)公式
勿進(jìn)行全盆地的地表下沉值 的預(yù)計，其中，j為計算開采單元的塊段數(shù)目；k為計算開采每一塊段的拐點數(shù);qh為使用計 算的直角坐標(biāo)系中x軸與通過計算點和拐點h連線間的夾角;Rk為極坐標(biāo)半徑，其表達(dá)式為：
[0027] 、? Λ 屮 i < ft， 乂
、 Λ 丁 1 Λ ' ▲
[0028] 步驟103、根據(jù)上述公式計算地表對應(yīng)點的地表下沉值w(x，y)，結(jié)合坡體自身穩(wěn)定 性系數(shù)和地表的最大實測w(X)和u (X)數(shù)據(jù)，可計算出對應(yīng)地表點的預(yù)計下沉量X，y)， 其具體計算表達(dá)式為：
[0029] wfff(x,y) = w(x,y)+Aw(x)；
[0030 ]步驟10 4、根據(jù)計算對應(yīng)地表點的預(yù)計下沉量w預(yù)i+ (x，y)與地表實測的下沉量w^i (x，y)進(jìn)行對比分析，反復(fù)上述步驟101、102和103過程，直到爾心，7)與形》(1，7)相吻合為 止，此時確定的地表下沉系數(shù)n則為黃土溝壑區(qū)下煤層開采地表下沉系數(shù)。
[0031] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0032] 通過在傳統(tǒng)的計算方法基礎(chǔ)上，充分考慮坡體自身的穩(wěn)定性及坡體產(chǎn)生滑移的下 沉附加量，使原來計算方法確定的下沉系數(shù)由一個動態(tài)變化值，轉(zhuǎn)變成一個定值，實現(xiàn)了黃 土溝壑區(qū)條件下地表下沉系數(shù)的唯一性，該方法步驟簡單，實現(xiàn)方便，使用效果好，完善了 目前確定地表下沉系數(shù)的方法，便于推廣便用。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明實施例中一種黃土溝壑區(qū)下煤層開采地表下沉系數(shù)的確定方法的流 程圖。
[0034]圖2為本發(fā)明實施例中檸條塔煤礦N1114和N1206工作面斜交疊置開采地表移動變 形觀測站布置圖。
[0035]圖3為本發(fā)明實施例中N1114工作面與N1206工作面開采地表下沉等值線圖（單位： mm) 〇
[0036] 圖4為本發(fā)明實施例中D觀測線剖面圖。
[0037] 圖5為本發(fā)明實施例中D觀測線西側(cè)坡體剖面圖（局部）。
【具體實施方式】
[0038]為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步 詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。
[0039] 如圖1所示，本發(fā)明實施例提供了一種黃土溝壑區(qū)下煤層開采地表下沉系數(shù)的確 定方法，包括如下步驟：
[0040] 步驟一、根據(jù)黃土溝壑區(qū)下煤層開采地面布設(shè)觀測站測量的數(shù)據(jù)，初步計算該條 件下煤層開采的下沉系數(shù)：
[0041]
[0042] 式中：m為根據(jù)地表實際測量數(shù)據(jù)得出的地表下沉系數(shù);為地表實際測量的地 表下沉量，單位mm ;m為煤層實際開采厚度，單位m; a為煤層的角度；
[0043] 步驟二、對坡體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并計算坡體穩(wěn)定性給地表造成的下沉附加量；
[0044] (1)坡體穩(wěn)定性分析：
[0045]
[0046 ]式中：G為坡體自身的穩(wěn)定性判別系數(shù);δ為坡體的角度;h為表土層的厚度，單位m; γ為土體的密度，單位kg/m3;C為土體的內(nèi)聚力，單位Pa; P為土體的內(nèi)摩擦角；
[0047 ] (2)坡體滑移引起的下沉附加量：
[0048] Δ w(x) =G X sin5(w(x) X sin5+u(x) X cos5)
[0049] 式中：△ w(x)為沿坡體方向因坡體滑移引起的下沉附加量，單位mm;w(x)為沿坡體 方向地表實際測量的最大下沉量，單位mm;u( X)為沿坡體方向地表實際測量的最大水平移 動量，單位mm;其中，坡體自身穩(wěn)定性判別系數(shù)和坡體滑移產(chǎn)生的附加量的計算，其關(guān)鍵步 驟為：（1)需要準(zhǔn)確地確定坡體自身的角度S、表土層的厚度h、土體的密度γ、土體的內(nèi)聚力 C和土體的內(nèi)摩擦角Ρ;(2)需要準(zhǔn)確地觀測坡體上觀測點的最大下沉值和水平移動值；
[0050] 步驟三、結(jié)合地表實測數(shù)據(jù)和溝壑區(qū)坡體滑移產(chǎn)生的附加量，利用計算機(jī)反演模 擬的方法，進(jìn)一步確定地表下沉系數(shù)η;具體方法為：
[0051] 步驟101、初步確定地表下沉系數(shù)：
在此基礎(chǔ)上計算該工況下 地表的最大下沉值:Wmax = m · η · cosa;
[0052] 步驟102、根據(jù)公式
句進(jìn)行全盆地的地表下沉值 的預(yù)計，其中，j為計算開采單元的塊段數(shù)目；k為計算開采每一塊段的拐點數(shù);qh為使用計 算的直角坐標(biāo)系中x軸與通過計算點和拐點h連線間的夾角;Rk為極坐標(biāo)半徑，其表達(dá)式為：
[0053]
[0054] 步驟103、根據(jù)上述公式計算地表對應(yīng)點的地表下沉值w(x，y)，結(jié)合坡體自身穩(wěn)定 性系數(shù)和地表實測w(X)和u(X)數(shù)據(jù)，可計算出對應(yīng)地表點的預(yù)計下沉量wi計(X，y)，其具體 計算表達(dá)式為：
[0055] 砸十(x，y) =w(x，y)+Δ w(x);
[0056 ]步驟10 4、根據(jù)計算對應(yīng)地表點的預(yù)計下沉量w預(yù)i+ (x，y)與地表實測的下沉量w^i