朱廣軼, 呂士華, 趙柏冬, 徐征慧, 馬亞麗

(沈陽大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院, b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽　110044)

?

地表殘余移動(dòng)變形預(yù)測(cè)軟件開發(fā)

朱廣軼a,b, 呂士華a, 趙柏冬a,b, 徐征慧a, 馬亞麗a

(沈陽大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院, b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽110044)

摘要:為解決老采空區(qū)地表新建建(構(gòu))筑時(shí)的地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)問題,填補(bǔ)規(guī)程空白,基于作者應(yīng)用隨機(jī)介質(zhì)理論構(gòu)造的老采空地表殘余移動(dòng)變形預(yù)測(cè)函數(shù),采用Visual Basic進(jìn)行了ZMS8.0軟件開發(fā).研究表明,ZMS8.0及其各影響函數(shù)可較好地描述地表殘余移動(dòng)變形規(guī)律,軟件具有介面友好、計(jì)算和圖形輸出便捷的特點(diǎn).

關(guān)鍵詞:開采沉陷; 殘余移動(dòng)變形; 預(yù)測(cè); 軟件

1研究現(xiàn)狀與軟件開發(fā)理論依據(jù)

《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》[1]規(guī)定,地表移動(dòng)從下沉10 mm開始,到連續(xù)6個(gè)月下沉不超過30 mm時(shí)結(jié)束,正常不超過4年.而R.E.Gray和R.W.Pruern[2]在研究匹茲堡煤層開采沉陷問題時(shí)指出,老采空區(qū)(房柱式開采)地表下沉可在開采后50 年或以后發(fā)生.朱廣軼[3]在研究鶴崗市多煤層開采時(shí)指出,地表殘余變形可達(dá)到Ⅳ級(jí).殘余移動(dòng)變形對(duì)地面建(構(gòu))筑物、道路、水體的影響成為老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要問題.顯然,規(guī)程規(guī)定的開采沉陷結(jié)束時(shí)間有缺陷.正由于此,規(guī)程至今沒有殘余移動(dòng)變形的概念和計(jì)算方法.因此,基于構(gòu)造殘余移動(dòng)變形的影響函數(shù),研究其預(yù)測(cè)方法,具有重要科學(xué)意義.

朱廣軼[4-5]將地表殘余移動(dòng)變形分為1、2兩個(gè)階段,提出了地下開采若干年后地表殘余移動(dòng)變形的預(yù)測(cè)公式.

第1階段殘余下沉的影響函數(shù):

設(shè),φ(x,t)為朱廣軼[6]坐標(biāo)-時(shí)間函數(shù)的形態(tài)影響函數(shù);α為煤層有傾角,v為平均開采速度.將工作面長(zhǎng)度按照開采時(shí)間tt平均劃分為n個(gè)小單元;x為地表點(diǎn)在開切眼坐標(biāo)為零的開采坐標(biāo)系中之坐標(biāo);t為第2階段殘余移動(dòng)變形剛要出現(xiàn)那一時(shí)刻(可由地表新建建(構(gòu))筑等因素發(fā)生及以后的水準(zhǔn)巡視測(cè)量確定),根據(jù)疊加原理,得到t時(shí)刻地表動(dòng)態(tài)殘余下沉值為:

(1)

第2階段殘余下沉的影響函數(shù):

(2)

式中,m為開采厚度,r為主要影響半徑,D3為煤層走向開采長(zhǎng)度,S3、S4為工作面左、右兩側(cè)的拐點(diǎn)偏距,l=D3-S3-S4.

第2階段殘余傾斜:

(3)

第2階段殘余曲率變形:

(4)

第2階段殘余水平移動(dòng):

(5)

式中,b為水平移動(dòng)系數(shù).

第2階段殘余水平變形:

(6)

殘余下沉的時(shí)間過程:

設(shè)殘余下沉值趨于最大潛在下沉值Wc(x),蠕變方程的參數(shù)k,η可綜合為影響參數(shù)λ,則,地表殘余下沉的時(shí)間過程函數(shù)

(7)

2軟件結(jié)構(gòu)和介面

在地表沉陷引起的任意一點(diǎn)和整個(gè)下沉盆地的移動(dòng)變形計(jì)算中,數(shù)學(xué)計(jì)算及圖形的輸出模擬十分復(fù)雜繁重,本模型采用VB與Matrix混合編程,能夠有效地簡(jiǎn)化編程過程,還提高了有效界面.本程序分為三部分:參數(shù)輸入及選擇部分、數(shù)據(jù)處理部分、圖形輸出.程序的流程如圖1.

圖1　軟件計(jì)算流程圖

圖2為地表殘余移動(dòng)變形預(yù)測(cè)軟件界面.應(yīng)用Visual Basic軟件來設(shè)計(jì)輸入對(duì)話框和控件,應(yīng)用figure程序直接繪制圖形,通過一系列計(jì)算結(jié)果,自動(dòng)繪制沉陷區(qū)預(yù)計(jì)點(diǎn)的地表殘余移動(dòng)變形的二維圖形,獲得第1階段殘余下沉曲線和第2階段殘余下沉、殘余水平移動(dòng)、殘余傾斜、殘余曲率、殘余水平變形、動(dòng)態(tài)殘余下沉?xí)r間過程各曲線,如圖3～圖9.

圖2　地表殘余移動(dòng)變形預(yù)測(cè)軟件界面

圖3　第1階段的地表殘余下沉-Wc

圖4　第2階段的地表殘余下沉Wc

圖5　第2階段的殘余水平移動(dòng)Uc

圖6　第2階段的殘余移動(dòng)傾斜變形ic

圖7　第2階段的殘余移動(dòng)曲率變形Kc

圖8　第2階段的殘余移動(dòng)水平變形εc

3軟件的實(shí)例驗(yàn)證

以新安煤礦的老采空區(qū)為例,其巖煤層傾角7°,走向長(zhǎng)度380 m,傾向長(zhǎng)度370 m.應(yīng)用本軟件及該礦地表移動(dòng)參數(shù)來計(jì)算,得到新安煤礦地表殘余移動(dòng)變形的曲線圖.

(1) 第1階段的殘余下沉,如圖3所示,最大下沉為0.007 2 mm,這相對(duì)第2階段的最大下沉725 mm是很小的數(shù)值.故第1階段的移動(dòng)變形可以忽略不計(jì).

(2) 第2階段殘余移動(dòng)下沉量,最大的下沉為725 mm,如圖4所示.

圖9　殘余下沉Wc時(shí)間過程

(3) 第2階段殘余移動(dòng)水平移動(dòng),最大變形值±355 mm,如圖5所示.

(4) 第2階段殘余移動(dòng)傾斜方向的變形值,最大的傾斜方向上變形值為±8.8 mm,如圖6所示.

(5) 第2階段殘余移動(dòng)曲率變形為-0.4～0.21 mm,如圖7所示.

(6) 第2階段殘余水平變形-4.2～2.1 mm/mm,如圖8所示.

(7) 殘余下沉隨時(shí)間的變化過程,如圖9所示.

(8) 地表殘余變形的最大值與預(yù)測(cè)數(shù)值的比較見表1.

通過對(duì)殘余變形實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比發(fā)現(xiàn),其誤差范圍在工程要求的范圍內(nèi).最后,將該模塊加入朱廣軼“靜態(tài)+動(dòng)態(tài)”分析的軟件系統(tǒng),使ZMS開采沉陷預(yù)測(cè)軟件升級(jí)為ZMS8.0.實(shí)踐證明,ZMS8.0軟件能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)老采空區(qū)活化后的地表殘余移動(dòng)變形.

表1　殘余變形觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值比較

4結(jié)論

(1) 基于朱廣軼地表殘余移動(dòng)變形第1、2階段影響函數(shù),利用VB對(duì)已構(gòu)造的影響函數(shù)進(jìn)行編程,應(yīng)用各礦區(qū)已有巖移參數(shù),可以輸出全部殘余移動(dòng)變形可視化曲線,可推廣性很強(qiáng).

(2) 預(yù)測(cè)結(jié)果表明,各影響函數(shù)及其軟件可以很好地預(yù)測(cè)地表殘余移動(dòng)變形.這對(duì)完善現(xiàn)行規(guī)程、研究地表殘余移動(dòng)變形、開發(fā)開采沉陷區(qū)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值,已在國(guó)內(nèi)十余個(gè)大型礦區(qū)、高校推廣.

(3) 預(yù)測(cè)表明,第1階段的殘余移動(dòng)變形數(shù)值很小,可以忽略.

參考文獻(xiàn):

[1] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組. 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[S]. 北京:煤炭工業(yè)出版社, 2000:10-17.

(The Professional Standards Compilation Group of People’s Republic of China. Building,water, railway,regulations of compressed coal mining and leaving coal pillar of main well lane[S]. Beijing:China Coal Industry Publishing House, 2000:10-17.)

[2] GRAY R E, PRUERN R W. 長(zhǎng)壁開采巖層控制及下沉防治技術(shù)現(xiàn)狀[C]∥劉澤春,王悅漢,譯. 美國(guó)采礦工程師學(xué)會(huì)第一屆國(guó)際會(huì)議論文集. 太原:山西科學(xué)教育出版社, 1986:233-250.

(GRAY R E, PRUERN R W. State-of-the-art of ground control in longwall mining and mining subsidence[C]∥LIU Z C,WANG Y H, Trans. Proceedings of the 1st International Conference of American Society for Mining Engineer. Taiyuan:Shanxi Science Education Press, 1986:233-250.)

[3] 朱廣軼,解陳,竇明,等. 老采區(qū)及地表殘余變形對(duì)建筑物的影響[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012,24(3):70-74.

(ZHU G Y,XIE C,DOU M,et al. Effect of old mined-out areas and surface residual deformation on building[J]. Journal of Shenyang University(Natural Science), 2012,24(3):70-74.)

[4] 朱廣軼,徐征慧,解陳,等. 老采空區(qū)地表殘余移動(dòng)變形影響函數(shù)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014(10):1962-1970.

(ZHU G Y, XU Z H, XIE C,et al. Study of influence function of surface residual movement and deformation for old goaf[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014(10):1962-1970.)

[5] GUO Y, ZHU G Y, JIANG X L,et al. Study of dynamic coordinates time function in mine subsidence[J]. Advanced Materials Research, 2012(594/597):56-60.

[6] 朱廣軼,沈紅霞,王立國(guó). 地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形預(yù)測(cè)函數(shù)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2011,30(9):1889-1895.

(ZHU G Y,SHEN H X,WANG L G. Study on dynamic prediction function of surface movement and deformation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011,30(9):1889-1895.)

【責(zé)任編輯: 祝穎】

Software Development for Prediction on Surface Residual Deformation

ZhuGuangyia,b,LyuShihuaa,ZhaoBaidonga,b,XuZhenghuia,MaYalia

(a. School of Architecture and Engineering, b. Key Laboratory of Geoenvironmental Engineering of Liaoning Province, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:To solve the problem of foundation stability evaluation of new buildings on old goaf and to fill the gaps of procedures, the software of ZMS8.0 was developed by using Visual Basic, based on ground residual movement and deformation prediction function of old goaf constructed by stochastic medium theory. Studies shows that, the movement of surface residual deformation law can be well described by ZMS 8.0, the software has a friendly interface, and the computing and graphics output are convenient.

Key words:mining subsidence; residual deformation; prediction; software

中圖分類號(hào):TD 325, TP 393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):2095-5456(2016)02-0147-05

作者簡(jiǎn)介:朱廣軼(1962-),男,遼寧喀左人,沈陽大學(xué)教授,博士生副導(dǎo)師; 趙柏冬(1962-),男,遼寧沈陽人,沈陽大學(xué)教授.

基金項(xiàng)目:遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201102154); 遼寧省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目(2013229012); 遼寧省教育廳科研項(xiàng)目(L2010379).

收稿日期:2015-11-13