成 樞 隋冰冰 王 濤

(山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

小工作面開采地表下沉系數(shù)探討

成 樞 隋冰冰 王 濤

(山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

生產(chǎn)實(shí)踐中，受采煤技術(shù)、地質(zhì)條件等因素的影響，所開采的工作面往往是煤層走向或傾向不能同時達(dá)到充分采動，因此面臨的問題是如何將小工作面開采條件下的概率積分法計(jì)算參數(shù)換算為充分采動或接近充分采動條件下的計(jì)算參數(shù)，對于下沉系數(shù)的修正又是小工作面概率積分法計(jì)算參數(shù)的關(guān)鍵所在。通過對比某礦地質(zhì)條件相似的不同工作面下的計(jì)算參數(shù)后，表明現(xiàn)有的下沉系數(shù)修正規(guī)律適用于某礦區(qū)。

小尺寸工作面 充分采動 下沉系數(shù) 計(jì)算參數(shù)

小尺寸工作面開采地表沉陷預(yù)計(jì)一直是礦區(qū)工作者所關(guān)心的問題，開采沉陷的預(yù)計(jì)方法有概率積分法、典型曲線法、剖面函數(shù)法等方法，經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者幾十年的大量研究，概率積分法預(yù)計(jì)模型被我國學(xué)者所采用，廣泛地應(yīng)用于礦區(qū)的開采沉陷研究當(dāng)中。但在非充分采動或極不充分采動時,由于巖層結(jié)構(gòu)對地表沉陷有一定的控制作用,偏離概率積分法模型的假設(shè)較遠(yuǎn),此時如不對其進(jìn)行修正。預(yù)計(jì)結(jié)果往往不再適用[1]。下沉系數(shù)又是概率積分法模型中的關(guān)鍵參數(shù)，運(yùn)用概率積分法求取小尺寸工作面的角值參數(shù)時，存在的問題是如何將下沉系數(shù)進(jìn)行修正，通過對某煤礦地質(zhì)條件相似工作面的下沉系數(shù)依據(jù)現(xiàn)有規(guī)律進(jìn)行修正，進(jìn)而求取工作面的概率積分法計(jì)算參數(shù)，對比計(jì)算參數(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證了現(xiàn)有的下沉系數(shù)修正規(guī)律符合該礦區(qū)。

1 小尺寸工作面概況

7269工作面為西九采區(qū)首采工作面，工作面標(biāo)高為-729～ -805 m，工作面走向長度864 m，傾向長度170 m，煤層傾角7～12°，平均9°?；夭蓵r間為2010年10月25日至2011年9月13日，平均每天開采推進(jìn)距離為2.7 m。7267工作面標(biāo)高-730～-775 m，走向長度930 m，傾向長度160 m，煤層傾角7～12°，平均9°?；夭蓵r間為2013年3月1日至2013年10月30日，平均每天開采推進(jìn)距離為3.7 m。從2個工作面的尺寸可以發(fā)現(xiàn)均為小尺寸工作面的開采，7269、7267工作面相對位置以及工作面地表移動觀測站布置如圖1所示。

2 工作面開采地表移動實(shí)測情況及資料處理

2.1 工作面實(shí)測情況

綜合考慮7269、7267工作面開采的影響范圍以及各測線相應(yīng)的控制測點(diǎn)的布設(shè)問題，根據(jù)測站設(shè)計(jì)，部分觀測線所在的測點(diǎn)個數(shù)及位置如下。

圖1 7269、7267工作面地表移動觀測站布置

第1條觀測線：位于鐵路上有A1-A3共3個控制點(diǎn)；位于村莊道路上的編號1～19共19個測點(diǎn)，測線長度484 m；位于村莊內(nèi)的編號20～29共10個測點(diǎn)，共241 m。

第2條觀測線：位于農(nóng)田的編號222～229、231～232共10個測點(diǎn)，測線長度298 m；位于村莊內(nèi)的編號204～209、234～233、210～221共20個測點(diǎn)，測線長度645 m。

第3條觀測線：位于農(nóng)田的編號115、156～177、179～185共30個測點(diǎn)，測線長度939 m。

第4條觀測線：位于村莊內(nèi)的編號113～128共16個測點(diǎn)，測線長度481 m。

同時，7269和7267工作面均布設(shè)了GPS控制網(wǎng)和一級導(dǎo)線。其中，7269工作面分別在2010年11月、2011年4月、2012年3月進(jìn)行了3次沉降觀測點(diǎn)平面坐標(biāo)測量，水準(zhǔn)觀測周期為2010年11月30日至2012年4月17日，共31期沉降數(shù)據(jù)資料。7267工作面分別在2013年1月、2013年9月和2014年5月進(jìn)行了3次沉降觀測點(diǎn)平面坐標(biāo)測量，水準(zhǔn)觀測觀測周期為2013年2月8日至2014年4月22日，共25期沉降數(shù)據(jù)資料。

2.2 工作面實(shí)測資料數(shù)據(jù)處理

將各觀測站所針對的主要開采工作面的基本條件和實(shí)際觀測資料，利用參數(shù)識別的方法，求出各觀測站的地表移動計(jì)算參數(shù)，并分析出計(jì)算參數(shù)的可靠性。同時，對各非充分采動條件下的觀測站資料，利用求取的計(jì)算參數(shù)，模擬計(jì)算出本地質(zhì)開采條件下充分采動或接近充分采動時的地表移動變形。

2.2.1 地表移動計(jì)算參數(shù)

概率積分法是因其所用的移動和變形預(yù)計(jì)公式中含有概率積分(或其導(dǎo)數(shù))而得名。由于這種方法的基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論，所以又叫隨機(jī)介質(zhì)理論法。

隨機(jī)介質(zhì)理論首先由波蘭學(xué)者李特威尼申于上世紀(jì)50年代引入巖層移動研究，后由我國學(xué)者劉寶琛、廖國華等發(fā)展為概率積分法。經(jīng)過我國開采沉陷工作者幾十年的研究，目前已成為我國較成熟的、應(yīng)用最為廣泛的預(yù)計(jì)方法之一[6]。因此基于概率積分法的理論，對7269、7267工作面進(jìn)行了開采沉陷預(yù)計(jì)，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 7267、7269工作面概率積分法計(jì)算參數(shù)

將概率積分法預(yù)計(jì)結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，表明了概率積分法計(jì)算參數(shù)的可靠性。7269、7267工作面預(yù)計(jì)情況與實(shí)測情況對比如圖2、圖3所示，曲線1為實(shí)測曲線，曲線2為預(yù)計(jì)曲線。

圖2 7267工作面觀測線下沉曲線擬合

圖3 7269工作面觀測線下沉曲線擬合

2.2.2 概率積分法下沉系數(shù)修正

由于7269、7267工作面具有小尺寸采空區(qū)的特點(diǎn)，因此在求取工作面的角值參數(shù)時需要對下沉系數(shù)進(jìn)行修正，文獻(xiàn)[2]中給出了針對小尺寸采空區(qū)下沉系數(shù)修正系數(shù)規(guī)律表，如表2所示。

表2 小尺寸采空區(qū)下沉系數(shù)修正系數(shù)K值

根據(jù)表2中提供的數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)這些離散點(diǎn)的走勢符合指數(shù)函數(shù)的規(guī)律，因此運(yùn)用曲線擬合的基本理論，對表2進(jìn)行了公式化表達(dá)形式，如公式(1)所示：

(1)

式中，D3為工作面的長度，r為主要影響半徑。

采用指數(shù)模型對下沉系數(shù)進(jìn)行修正后，7267、7269工作面充分采動條件下的下沉系數(shù)為0.52和0.56,7267和7269工作面充分采動條件下的下沉系數(shù)為0.54，從這3個數(shù)值可以看出地質(zhì)情況相似的工作面利用修正模型求取出來的充分采動下沉系數(shù)變化不大，進(jìn)一步表明下沉系數(shù)修正系數(shù)規(guī)律適用于此礦區(qū)，并可將下沉系數(shù)修正系數(shù)指數(shù)模型應(yīng)用于和工作面地質(zhì)條件相似的其他礦區(qū)中。

3 結(jié) 論

運(yùn)用概率積分法對7269、7267小尺寸工作面開采沉陷進(jìn)行了預(yù)計(jì)，將概率積分法參數(shù)中的下沉系數(shù)根據(jù)現(xiàn)有修正系數(shù)規(guī)律換算成充分采動條件對應(yīng)的下沉系數(shù)。對比地質(zhì)條件相似工作面充分采動條件下的下沉系數(shù)后，表明現(xiàn)有下沉系數(shù)修正系數(shù)規(guī)律符合該地質(zhì)條件下的礦區(qū)，同時修正系數(shù)指數(shù)模型為其他地質(zhì)條件相似的礦區(qū)提供了參考依據(jù)。

[1] 查劍鋒,郭廣禮,趙海濤,等.概率積分法修正體系現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].金屬礦山,2008(1):15-18. Zha Jianfeng，Guo Guangli，Zhao Haitao，et al.Present situation and prospect of correction system for probability integral method[J].Metal Mine,2008(1):15-18.

[2] 戴仔強(qiáng),郭廣禮,王卷樂.極小工作面預(yù)計(jì)參數(shù)問題的探討[J].江蘇煤炭,2001(3):15-16. Dai Ziqiang，Guo Guangli，Wang Juanle.Discussion on predicted parameter of minimal working face[J].Jiangsu Coal,2001(3):15-16.

[3] 陳俊杰,鄒友峰,郭文兵.厚松散層下下沉系數(shù)與采動程度關(guān)系研究[J].采礦與安全工程學(xué)報,2012(3):250-254. Chen Junjie，Zou Youfeng，Guo Wenbing.Study on the relationship between subsidence coefficient and mining degree under a thick alluvium stratum[J].Journal of Mining and Safety Engineering,2012(3):250-254.

[4] 蘇仲杰,黃厚旭,趙 松,等.基于數(shù)值模擬的充填開采地表下沉系數(shù)分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2014(2):98-102. Su Zhongjie，Huang Houxu，Zhao Song，et al.Numerical simulation analysis of surface subsidence coefficient of filling mining[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2014(2):98-102.

[5] 中華人民共和國煤炭工業(yè)部.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1986. The Ministry of Coal Industry of the People's Republic of China.Buildings，Water，Railway and Main Well Alley Coal Pillar Left Set Coal Mining with Pressure Regulation[M].Beijing:China Coal Industry Press,1986.

[6] 何國清,楊 倫,凌賡娣,等.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1994. He Guoqing，Yang Lun，Ling Gengdi，et al.Mining Subsidence Science[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press,1994.

[7] 趙海濱.MATLAB應(yīng)用大全[M].北京:清華大學(xué)出版社，2012. Zhao Haibin.Complete Application of MATLAB[M].Beijing:Tsinghua University Press,2012.

[8] 欒 穎.MATLAB R2013a工程分析與仿真[M].北京:清華大學(xué)出版社，2014. Luan Ying.Analysis and Simulation of MATLAB R2013a Project[M].Beijing:Tsinghua University Press,2014.

(責(zé)任編輯 石海林)

Discussion on Surface Subsidence Coefficient of Small Mining Face

Cheng Shu Sui Bingbing Wang Tao

(CollegeofGeomatics，ShandongUniversityofScienceandTechnology，Qingdao266590，China)

In production practice，influenced by coal mining technology，geological conditions and other factors，the working face cannot achieve full mining at the same time in coal seam strike or dip.So，the issue faced is how to convert some calculation parameters of probability integral method under the condition of small face mining into parameters under full or close to full mining conditions.Also，correction in factor of subsidence is the key to calculate the parameters by small-face probability integration method.After contrast on calculating parameters of different working faces under similar geological conditions，it is indicated that the correction rules of existing subsidence coefficient is applicable to this mining area.

Small face，F(xiàn)ull mining，F(xiàn)actor of subsidence，Calculation parameters

2015-03-03

成 樞(1963—)，男，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

TD823

A

1001-1250(2015)-04-071-03