一種急傾斜特厚煤層老采空區(qū)殘余變形預(yù)計方法與流程

本發(fā)明涉及巖土工程研究領(lǐng)域，具體涉及一種急傾斜特厚煤層老采空區(qū)殘余變形預(yù)計方法。
背景技術(shù)：
：近些年來，隨著我國城市軌道交通的飛速發(fā)展以及礦區(qū)建設(shè)步伐的不斷加快，一些新建地鐵線路不可避免地要穿越老采空區(qū)塌陷區(qū)。這些塌陷的采空區(qū)雖然已經(jīng)歷長期的自然壓實，但采空區(qū)塌陷后仍然存在著破碎巖體空隙等不密實等現(xiàn)象，此時在外界環(huán)境的影響下破碎巖體中已形成的相對應(yīng)力平衡狀態(tài)就有可能被打破，從而產(chǎn)生塌陷區(qū)及其上覆巖體的再次移動和變形，進(jìn)而使塌陷后的采空區(qū)上方產(chǎn)生較大的殘余移動變形使地鐵結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，因此老采空區(qū)上方地表殘余沉降和變形預(yù)測是老采空區(qū)上方修建地鐵結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。然而，既有研究或是針對長壁開采的薄水平煤層或是緩傾斜煤層殘余變形的研究。一般來講，將煤層傾角大于45°、厚度大于30m的煤層稱之為急傾斜特厚煤層。目前還未有完整的針對急傾斜特厚煤層老采空區(qū)的殘余變形預(yù)測的研究。概率積分法是基于水平層狀礦體的開采沉陷預(yù)計模型，以巖體各向同性或水平各向同性為基礎(chǔ)，目前已被廣泛應(yīng)用于水平或緩傾斜煤層開挖引起的地表沉降研究中，但這些研究是以傳統(tǒng)的隨機(jī)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，定性描述從采空區(qū)到上覆巖體的傳播途徑(在巖體內(nèi)部沿層面法線方向傳播，沿地表為垂直向上傳播)，但實際上隨著煤層傾角的增大，原始各向同性層面的各向異性程度會不斷加劇，這使得上述傳統(tǒng)的處理方式往往會產(chǎn)生較大的偏差。因此對于急傾斜特厚煤層，采用傳統(tǒng)的概率積分法則會存在一定的缺陷。同時，對于開采急傾斜特厚煤層，其下沉盆地形態(tài)并非像開采水平層狀礦體那樣表現(xiàn)為鉛直向上的對稱性正態(tài)分布曲線，而是表現(xiàn)出明顯的不對稱性，在上山方向的影響范圍遠(yuǎn)小于下山方向。上節(jié)內(nèi)容已得出巖層移動在底板側(cè)主要沿底板以剪切滑移為主，頂板側(cè)離層遭到破壞隨之向垮落區(qū)發(fā)展，兩者傳播方向不同，說明急傾斜特厚煤層開采巖層移動方向的非一致性，即開采影響角不是一個定值，而是一個變量。因此研究急傾斜特厚煤層老采空區(qū)的殘余變形，是一個亟待解決的問題。針對相關(guān)技術(shù)中的問題，目前尚未提出有效的解決方案。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對相關(guān)技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)明在于提供一種基于變化的開采影響傳播角的急傾斜特厚煤層老采空區(qū)殘余變形預(yù)計方法。為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：本發(fā)明所述的一種急傾斜特厚煤層老采空區(qū)殘余變形預(yù)計方法，其步驟如下：(1)建立急傾斜特厚煤層水平分段單元開采地表下沉模型，建立坐標(biāo)系xo’z，煤層傾角為α，開采深度為h，沿水平方向?qū)⒎侄喂ぷ髅姘磫卧_采，每個水平分段工作面長為l，開采單元橫坐標(biāo)為x，開采影響傳播角θ0不是一個固定值，而是一個關(guān)于煤層傾角α和開采位置橫坐標(biāo)x的函數(shù)，可表示為θ0(α,x)，靠近頂板側(cè)開采影響傳播角θ01和底板側(cè)開采影響傳播角θ02分別為單元開采影響傳播角的極小值和極大值，中間開采單元的影響傳播角θ0(x)是隨開采位置橫坐標(biāo)x變化的量，按線性內(nèi)插法得到水平任意開采單元影響傳播角為則用開采影響傳播系數(shù)表示水平任意單元開采影響傳播角為單元開采下沉盆地的表達(dá)式為其中，we(x,z)為單元開采引起(x,z)點的沉降值；rz為覆巖距工作面深度為z位置的下沉盆地主要影響半徑。則對于整個單元厚度的煤層開采，橫坐標(biāo)為s的地表點a的下沉值wu(s)為0～l范圍內(nèi)各單元開采引起的下沉值之和，即為若分層開采厚度為m，則橫坐標(biāo)為s的地表點a的下沉值w(s)為其中，q為大變形階段分層開采的下沉系數(shù)，即小變形階段殘余變形剛開始出現(xiàn)的地表下沉系數(shù)。α'為分層工作面的傾角，當(dāng)采用水平分段開采方式時，α'＝0。(2)當(dāng)老采空區(qū)垮落區(qū)活化后，若所有破碎巖體空隙均被充分壓實，則單層開采引起的地表最大沉降值不會超過采厚m(包括殘余下沉值)，即極限下沉系數(shù)取為1。則殘余下沉等效開采厚度m'為m'＝m(1-q)，則運用matlab編程得到老采空區(qū)垮落區(qū)對應(yīng)等效開采厚度引起的殘余沉降為：殘余傾斜變形為：殘余曲率變形為：殘余水平移動為：式中，b為水平移動系數(shù)，其值取實測走向上最大水平移動值umax與實測地表最大下沉值wmax的比值。殘余水平變形為：進(jìn)一步的，在上述步驟的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到殘余沉降的動態(tài)預(yù)測方法。由于上述模型所預(yù)計的移動變形值為潛在最大殘余移動變形值，即老采空區(qū)垮落區(qū)活化后，所有采動空隙均被充分壓實。因此由上述殘余沉降曲線函數(shù)可得到潛在最大殘余沉降值。隨著時間的延續(xù)，老采空區(qū)垮落區(qū)內(nèi)碎裂巖體的空隙不斷變小，巖體應(yīng)變不斷增加，最后趨于常數(shù)。在地表殘余沉降動態(tài)預(yù)測中表現(xiàn)為地表沉降逐漸增加，最后趨于潛在最大殘余沉降值。在巖石力學(xué)中，上述老采空區(qū)垮落區(qū)內(nèi)巖體空隙壓密過程可看成巖石的蠕變過程，可以用kelvin模型很好地描述該過程。kelvin蠕變方程為由蠕變方程可知，當(dāng)t→∞時，ε＝σ0/k趨于常數(shù)。實際上在巖石蠕變過程中，老采空區(qū)垮落區(qū)內(nèi)破碎巖體空隙被壓實后，殘余沉降值趨于最大潛在沉降值wc(s)，蠕變方程中的參數(shù)k/η可綜合為影響參數(shù)μ，則地表殘余沉降動態(tài)預(yù)測模型為wc(s,t)＝wc(s)[1-exp(-μt)]。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明主要采用了以隨機(jī)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)的概率積分法，通過修正模型中參數(shù)構(gòu)建基于變化的開采影響傳播角的沉陷預(yù)計模型，結(jié)合等效開采厚度思想運用matlab編程得到殘余移動計算模型，從而實現(xiàn)急傾斜特厚煤層老采空區(qū)殘余變形預(yù)計及殘余沉降動態(tài)預(yù)測。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是頂煤和圍巖破壞發(fā)展分區(qū)示意圖；圖2是采空區(qū)垮落后分區(qū)示意圖；圖3是急傾斜特厚煤層水平分段單元開采地表下沉示意圖；圖4是kelvin蠕變曲線示意圖；圖5是北大槽采空區(qū)殘余沉降監(jiān)測與動態(tài)預(yù)測對比示意圖；圖6是殘余沉降數(shù)值計算結(jié)果示意圖；圖7是殘余變形預(yù)計方法計算得到的殘余沉降結(jié)果示意圖；圖8是本發(fā)明所述一種急傾斜特厚煤層老采空區(qū)殘余變形預(yù)計方法的步驟示意圖；其中：1—頂煤破壞成拱區(qū)；2—底板滑落區(qū)；3—頂板離層破壞區(qū)；4—地表塌陷坑；5—頂板斷裂區(qū)；6—垮落區(qū)。具體實施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。以新疆某急傾斜特厚煤礦為例，介紹一種急傾斜特厚煤層老采空區(qū)殘余變形預(yù)計方法，包含如下順序步驟：(1)分析急傾斜特厚煤層在水平分段開采條件下的殘余變形機(jī)理。對于開采引起的地表移動變形可以分為兩個階段：一是采動過程中覆巖的移動變形和采后3-5年內(nèi)地表變形階段，即大變形階段，“三下”開采規(guī)程認(rèn)為本階段后地表穩(wěn)定；二是地表穩(wěn)定后地表殘余變形階段，即小變形階段。針對急傾斜特厚煤層開采引起變形機(jī)理分析如下：大變形階段：該階段開采過程頂煤和圍巖的破壞過程可概化為三個區(qū)域，如圖1所示。區(qū)域i為頂煤破壞成拱區(qū)，隨著煤層水平分段開采從而形成地下采空區(qū)域，空區(qū)周圍巖體失去原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，直接頂煤首先破碎，相繼垮落并不斷放出，老頂煤層以梁彎曲的拱形式沿層面法線方向移動、彎曲，隨著向上發(fā)展繼而引起上覆煤層破碎、垮落，從而引起地表移動變形；區(qū)域ii為底板滑落區(qū)，靠近底板側(cè)的部分頂煤，開采后沿著煤層底板滑落并充填采空區(qū)；區(qū)域iii為頂板離層破壞區(qū)，隨開采的不斷發(fā)展，懸露到一定程度后的頂板離層遭到破壞，隨之向采空區(qū)發(fā)展。隨著頂煤的不斷破碎垮落及底板滑落區(qū)的向上發(fā)展，由開采造成的上覆巖體的冒落逐漸發(fā)展到地表，從而在地表形成塌陷坑。小變形階段：“三下”開采規(guī)程認(rèn)為，地表移動延續(xù)時間一般為3-5年，即從地表移動下沉10mm開始，到連續(xù)6個月下沉不超過30mm時結(jié)束，在此之后，為地表殘余變形階段，即小變形階段。地表移動延續(xù)時間結(jié)束后，采空區(qū)及上覆巖土體基本形成了垮落區(qū)、斷裂區(qū)兩個相對穩(wěn)定的區(qū)域，如圖2所示?？迓鋮^(qū)主要由離層破壞的垮落頂板和煤層上覆破碎巖體組成，由于垮落體的具有一定膨脹系數(shù)，因此垮落區(qū)很快被垮落體填滿。斷裂區(qū)主要由煤層上覆斷裂巖體和地表沉陷巖體組成。采空區(qū)被垮落的上覆巖體填充，垮落區(qū)內(nèi)巖體呈破碎、離散狀態(tài)，斷裂區(qū)內(nèi)巖體呈離層斷裂狀態(tài)，這些其中的裂隙、離層不可能被充分壓實，因此在外界環(huán)境(如地震、上方修建地鐵等)影響下，就可能破壞覆巖結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性，使老采空區(qū)產(chǎn)生活化，造成覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、離層閉合，最終垮落區(qū)被壓實，繼而新的移動變形就會在地表出現(xiàn)，即殘余移動變形。在開采急傾斜特厚煤層時，這種殘余移動變形將更加明顯。因此本發(fā)明將塌落區(qū)內(nèi)空洞、裂隙等轉(zhuǎn)化為等效開采厚度進(jìn)行殘余移動變形的預(yù)計。(2)在步驟(1)的基礎(chǔ)上，研究急傾斜特厚煤層水平分段開采時的開采影響傳播規(guī)律。概率積分法是基于水平層狀礦體的開采沉陷預(yù)計模型，以巖體各向同性或水平各向同性為基礎(chǔ)，目前已被廣泛應(yīng)用于水平或緩傾斜煤層開挖引起的地表沉降研究中，但這些研究是以傳統(tǒng)的隨機(jī)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，定性描述從采空區(qū)到上覆巖體的傳播途徑(在巖體內(nèi)部沿層面法線方向傳播，沿地表為垂直向上傳播)，但實際上隨著煤層傾角的增大，原始各向同性層面的各向異性程度會不斷加劇，這使得上述傳統(tǒng)的處理方式往往會產(chǎn)生較大的偏差。因此對于急傾斜特厚煤層，采用傳統(tǒng)的概率積分法則會存在一定的缺陷。對于開采急傾斜特厚煤層，其下沉盆地形態(tài)并非像開采水平層狀礦體那樣表現(xiàn)為鉛直向上的對稱性正態(tài)分布曲線，而是表現(xiàn)出明顯的不對稱性，在上山方向的影響范圍遠(yuǎn)小于下山方向。上節(jié)內(nèi)容已得出巖層移動在底板側(cè)主要沿底板以剪切滑移為主，頂板側(cè)離層遭到破壞隨之向垮落區(qū)發(fā)展，兩者傳播方向不同，說明急傾斜特厚煤層開采巖層移動方向的非一致性，即開采影響角θ0不是一個定值，而是一個變量。因此本發(fā)明采用變化的開采影響傳播角描述巖層移動的特殊形式，修正傳統(tǒng)概率積分模型中的某個參數(shù)，構(gòu)建基于變化的開采影響傳播角的沉陷預(yù)計模型。(3)根據(jù)步驟(2)的研究建立急傾斜特厚煤層水平分段單元開采地表下沉模型，如圖3所示。如圖所示建立坐標(biāo)系xo’z，煤層傾角為α，開采深度為h，沿水平方向?qū)⒎侄喂ぷ髅姘磫卧_采，每個水平分段工作面長為l，開采單元橫坐標(biāo)為x，開采影響傳播角θ0不是一個固定值，而是一個關(guān)于煤層傾角α和開采位置橫坐標(biāo)x的函數(shù)，可表示為θ0(α,x)，靠近頂板側(cè)開采影響傳播角θ01和底板側(cè)開采影響傳播角θ02分別為單元開采影響傳播角的極小值和極大值，中間開采單元的影響傳播角θ0(x)是隨開采位置橫坐標(biāo)x變化的量，因此在圖3所示坐標(biāo)系中按線性內(nèi)插法得到水平任意開采單元影響傳播角為則用開采影響傳播系數(shù)表示水平任意單元開采影響傳播角為單元開采下沉盆地的表達(dá)式為其中，we(x,z)為單元開采引起(x,z)點的沉降值；rz為覆巖距工作面深度為z位置的下沉盆地主要影響半徑。則對于整個單元厚度的煤層開采，橫坐標(biāo)為s的地表點a的下沉值wu(s)為0～l范圍內(nèi)各單元開采引起的下沉值之和，即為若分層開采厚度為m，則橫坐標(biāo)為s的地表點a的下沉值w(s)為其中，q為大變形階段分層開采的下沉系數(shù)，即小變形階段殘余變形剛開始出現(xiàn)的地表下沉系數(shù)。α'為分層工作面的傾角，當(dāng)采用水平分段開采方式時，α'＝0。(4)根據(jù)步驟(3)的研究可知急傾斜特厚煤層老采空區(qū)殘余變形是由于小變形階段垮落區(qū)被壓實而產(chǎn)生的，采空區(qū)沒有形成像開采水平薄煤層那樣產(chǎn)生的邊界區(qū)和中間區(qū)，而是形成一個垮落的整體區(qū)域，即拐點偏移距s0＝0，因此在采用概率積分法進(jìn)行計算時，計算長度等于水平分段長度減去兩端拐點偏移距，即l-s0＝l。因此，計算殘余變形時，采用等效開采厚度m'。當(dāng)老采空區(qū)垮落區(qū)活化后，若所有破碎巖體空隙均被充分壓實，則單層開采引起的地表最大沉降值不會超過采厚m(包括殘余下沉值)，即極限下沉系數(shù)取為1。則殘余下沉等效開采厚度m'為m'＝m(1-q)，則老采空區(qū)垮落區(qū)對應(yīng)等效開采厚度引起的殘余沉降為：殘余傾斜變形為：殘余曲率變形為：殘余水平移動為：式中，b為水平移動系數(shù)，其值取實測走向上最大水平移動值umax與實測地表最大下沉值wmax的比值。殘余水平變形為：為了說明上述基于開采影響傳播角的老采空區(qū)殘余移動變形預(yù)計模型的準(zhǔn)確性，采用該煤礦南北大槽采空區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)對預(yù)計模型進(jìn)行驗證。表1為該煤礦地表移動預(yù)計基本參數(shù)。表2為該煤礦南北大槽采空區(qū)地表殘余移動變形監(jiān)測值與模型預(yù)計值對比。由表2可知，無論是南大槽還是北大槽其地表殘余移動變形預(yù)計最大值與實測最大值均比較接近，相對誤差在±7％范圍內(nèi)，說明殘余移動變形預(yù)計模型能夠較準(zhǔn)確地預(yù)計老采空區(qū)的殘余變形。(5)在上述步驟(4)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到殘余沉降的動態(tài)預(yù)測方法。由于上述模型所預(yù)計的移動變形值為潛在最大殘余移動變形值，即老采空區(qū)垮落區(qū)活化后，所有采動空隙均被充分壓實。因此由上述殘余沉降曲線函數(shù)可得到潛在最大殘余沉降值。隨著時間的延續(xù)，老采空區(qū)垮落區(qū)內(nèi)碎裂巖體的空隙不斷變小，巖體應(yīng)變不斷增加，最后趨于常數(shù)。在地表殘余沉降動態(tài)預(yù)測中表現(xiàn)為地表沉降逐漸增加，最后趨于潛在最大殘余沉降值。在巖石力學(xué)中，上述老采空區(qū)垮落區(qū)內(nèi)巖體空隙壓密過程可看成巖石的蠕變過程，可以用kelvin模型很好地描述該過程，如圖4所示。kelvin蠕變方程為由蠕變方程可知，當(dāng)t→∞時，ε＝σ0/k趨于常數(shù)。實際上在巖石蠕變過程中，老采空區(qū)垮落區(qū)內(nèi)破碎巖體空隙被壓實后，殘余沉降值趨于最大潛在沉降值wc(s)，蠕變方程中的參數(shù)k/η可綜合為影響參數(shù)μ，則地表殘余沉降動態(tài)預(yù)測模型為wc(s,t)＝wc(s)[1-exp(-μt)]。如圖5所示，選取該煤礦北大槽采空區(qū)2008-2016年監(jiān)測的殘余變形數(shù)據(jù)應(yīng)用到殘余沉降動態(tài)預(yù)測模型進(jìn)行曲線擬合，得到該煤礦北大槽采空區(qū)影響參數(shù)μ＝0.0784，實測殘余下沉最大值wc(s)＝614mm。(6)為了進(jìn)一步驗證該預(yù)計方法的合理性，采用flac2d進(jìn)行數(shù)值計算驗證。圖6為殘余沉降數(shù)值計算結(jié)果，圖7為殘余變形預(yù)計方法計算得到的殘余沉降結(jié)果。圖6為殘余沉降數(shù)值計算結(jié)果，圖7為殘余變形預(yù)計方法計算得到的殘余沉降結(jié)果，圖6和圖7可以看出，采用flac2d數(shù)值模擬得到的南北大槽采空區(qū)最大殘余沉降為288～306mm，殘余下沉預(yù)計模型計算的南大槽采空區(qū)最大殘余下沉值為291mm，北大槽采空區(qū)最大殘余下沉值為297mm。二者數(shù)值計算結(jié)果均與殘余下沉預(yù)計模型計算結(jié)果較為接近，且二者殘余下沉預(yù)計曲線形態(tài)與數(shù)值模擬也比較吻合?；緟?shù)北大槽南大槽煤層采厚m/mm4500045000平均采深h/m70100下沉系數(shù)q0.980.98主要影響角正切tanβ2.02.0拐點偏移距s0/m00水平移動系數(shù)b0.20.2表1表2綜上所述，借助于上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供一種針對急傾斜特厚煤層采空區(qū)塌落穩(wěn)定后在外力影響下老采空區(qū)進(jìn)一步活化產(chǎn)生的殘余變形確定方法，進(jìn)一步地，該方法也可應(yīng)用于老采空區(qū)上方新建建筑的地基穩(wěn)定性評價中。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12