基于實測數(shù)據(jù)的地表沉降預(yù)測優(yōu)化研究

張世良

(青海能源魚卡有限公司，青海 海西州 816200)

基于實測數(shù)據(jù)的地表沉降預(yù)測優(yōu)化研究

張世良

(青海能源魚卡有限公司，青海 海西州 816200)

以魚卡礦區(qū)某工作面的開采為工程背景，對礦井開采地表沉降預(yù)測進行優(yōu)化研究。采用工程類比法確定采前預(yù)測參數(shù)，進行采前預(yù)測，工作面回采過程中布置測點進行實地監(jiān)測。通過實測地表移動變形曲線與采前預(yù)測曲線對比，分析采前預(yù)測參數(shù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)實地監(jiān)測數(shù)據(jù)采用Matlab軟件反演計算預(yù)測參數(shù)并進行擬合分析，利用反演預(yù)測參數(shù)繪制地表移動變形二次預(yù)測等值線圖。工程實踐表明：基于地表沉降實測數(shù)據(jù)的反演預(yù)測方式能夠提高地表沉降預(yù)測的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，降低地表沉降造成的損失。

地表沉降；采前預(yù)測；反演計算；二次預(yù)測

Study of Surface Subsidence Prediction Optimization Based on Practical Data

煤炭是我國主要的一次性能源之一，對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著重要的作用。但是煤炭資源的開采產(chǎn)生了一定的環(huán)境問題，對地表的建筑和公路等造成破壞[1-2]。開采沉降是煤礦開采破壞地表環(huán)境和地表建筑的一種主要形式，因此對煤礦開采引起的地表沉降進行準(zhǔn)確地預(yù)測分析對降低開采沉降破壞有著重要的作用。

針對開采沉降問題，國內(nèi)外的眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員對開采沉降預(yù)測進行了深入的研究和分析。郭啟琛、李文平[3]等以鄂爾多斯地表沉降的相關(guān)觀測數(shù)據(jù)，運用概率積分法對該礦區(qū)的開采沉降進行預(yù)測分析，并重點分析影響該區(qū)域地表沉降的主要因素，為該區(qū)域進行開采沉降預(yù)測提供了相關(guān)依據(jù)；任松、姜德義、楊春和[4]根據(jù)開采過程中上覆巖層的沉降傳遞規(guī)律，對傳統(tǒng)的概率積分三維沉降預(yù)測模型進行優(yōu)化改進，提出了開采沉陷分層傳遞預(yù)測模型，該預(yù)測模型能夠充分地考慮不同巖性對開采沉降的影響；李達、鄧咯中、陳華[5]等采用StaMPS技術(shù)對礦區(qū)地表沉降進行監(jiān)測預(yù)測，提升了開采沉降檢測預(yù)測的效率和準(zhǔn)確度；董雪園、鄭南山、狄利娟[6]運用灰色理論中GM(1,1)模型，提出了基于事件響應(yīng)的礦區(qū)地表沉降預(yù)測模型，提高了開采沉降預(yù)測的精度；鄧偉男[7]利用FISH語言實現(xiàn)了將FLAC數(shù)值模擬結(jié)果直接轉(zhuǎn)化為所需指標(biāo)數(shù)據(jù)，大大降低了利用FLAC軟件進行開采沉降預(yù)測的數(shù)據(jù)處理難度，提升了數(shù)值模擬預(yù)測的速度和準(zhǔn)確度。

但是在煤炭的開采過程中，煤層的賦存條件、開采方式的不同以及其他因素的影響使得煤炭開采地表沉降預(yù)測工程類比性差，預(yù)測參數(shù)選取變化較大。特別是在一些地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域采用一次采前預(yù)測往往不能對礦井開采中的地表沉降進行準(zhǔn)確的預(yù)測。因此為了提升不同開采條件下煤礦開采地表沉降預(yù)測的準(zhǔn)確性，降低地表沉降造成的破壞，需要對傳統(tǒng)的預(yù)測方法進行改進。本文以青海能源魚卡礦區(qū)為研究對象，采用采前預(yù)測、實地監(jiān)測、二次修正預(yù)測相結(jié)合的方法對基于地表監(jiān)測的開采沉降二次修正預(yù)測方法進行分析研究。

1 工程概況

開采沉降預(yù)測區(qū)域位于魚卡礦區(qū)，本次開采沉降主要由于某一工作面回采造成。在該工作面回采區(qū)域范圍內(nèi)的地表有一條新建公路自西向東穿過礦區(qū)，該條公路是出入礦區(qū)的主要公路，保證該條公路的安全使用對礦區(qū)有著重要的作用。因此在工作面回采之前需要對公路所在區(qū)域進行地表沉降預(yù)測分析，保證公路的正常使用，同時為鄰近工作面的開采提供相關(guān)數(shù)據(jù)。該工作面內(nèi)煤層埋深240～280m，平均埋深在260m，煤層的平均厚度為9.1m，采用綜采放頂煤開采，工作面傾向長度為180m，走向長度1800m，煤層傾角15～30°。基本頂為炭質(zhì)泥巖，厚度為14m；直接頂為粉砂巖，厚度為3.8m；直接底為細粒砂巖，厚度為3m；老底為巨厚粉砂質(zhì)泥巖；基本頂上方以泥巖為主。

2 地表沉降采前預(yù)測

2.1 預(yù)測函數(shù)

在采前開采沉降預(yù)測中根據(jù)地表沉降預(yù)測的相關(guān)預(yù)測方式，主要對地表下沉值、傾斜值、曲率、水平變形進行預(yù)測。

2.1.1 地表任意點的下沉

地表任意點的下沉按照式(1)進行計算：

W(x,y)=Wmax·Cx·Cy

(1)

式中，Wmax為地表最大下沉值，m。

其中Wmax按下式計算

Wmax=mηcosα

(2)

式中，m為煤層采厚，m；η為下沉系數(shù)；α為煤層傾角，(°)。

Cx，Cy按照式(3)和(4)計算

(3)

(4)

式中，l為沿煤層走向計算開采長度，m；L為沿煤層傾向計算開采寬度，m；r為煤層走向方向主要影響半徑，r=H/tanβ，m；H為平均采深，m； tanβ為主要影響角正切；r上為煤層上山方向主要影響半徑，m；r下為煤層下山方向主要影響半徑，m。

2.1.2 任意點、任意方向的水平變形

建筑物下開采地表任意點、任意方向的水平變形量的計算按照式(5)和(6)進行計算

(5)

(6)

式中，εφ,εφ+90°分別為待求點沿φ及φ+90°方向的水平變形值，mm/m；εx,εy分別為待求點沿工作面走向及傾向在主剖面投影點處的水平變形值，對于傾斜剖面需加改正值Ty/tanθ，mm/m。

2.1.3 地表任意點、任意方向φ的傾斜

地表任意一點的，任意方向的傾斜值按照式(7)和(8)計算

Tφ=TxCycosφ+TyCxsinφ

(7)

Tφ+90°=-TxCysinφ+TyCxcosφ

(8)

式中，Tφ,Tφ+90°分別為待求點沿φ及φ+90°角方向的傾斜值，mm/m；Tx,Ty分別為待求點沿工作面走向及傾向在主剖面投影點處的傾斜值，mm/m。

2.1.4 地表任意點、任意方向的曲率

建筑物下開采地表任意一點的曲率按照式(9)，(10)進行計算

(9)

(10)

式中，Kφ,Kφ+90°分別為待求點φ及φ+90°方向的曲率，10-3/m；Kx,Ky分別為待求點沿工作面走向及傾斜方向在主剖面投影點處的曲率值，10-3/m。

2.1.5 地表任意點、任意方向φ的水平移動

建筑下開采引起的地表任一點的水平移動按照式(11)和式(12)計算

uφ=uxCycosφ+uyCxsinφ

(11)

uφ+90°=-uxCysinφ+uyCxcosφ

(12)

式中，uφ,uφ+90°分別為待求點沿φ及φ+90°角方向的水平移動值，mm；ux,uy分別為待求點沿工作面走向及傾向在主剖面投影點處的水平移動值，mm。

2.2 預(yù)測參數(shù)初次選取

預(yù)測參數(shù)的選取對提升地表沉降預(yù)測的準(zhǔn)確度有著重要的作用，因此選取合適的預(yù)測參數(shù)值十分重要。在初次地表沉降預(yù)測過程中主要采用工程類比法進行采前預(yù)測參數(shù)的選取。選取過程中主要根據(jù)該區(qū)域不同開采條件下預(yù)測參數(shù)對本礦井實際地表沉降參數(shù)進行選取，見表1。

表1 該礦區(qū)不同開采形式下地表沉降參數(shù)

根據(jù)表1相關(guān)數(shù)據(jù)和礦井開采條件最終確定該工作面回采造成地表沉降的預(yù)測參數(shù)，具體如表2所示。

表2 工作面回采地表沉降預(yù)測參數(shù)

2.3 采前沉降預(yù)測分析

由于計算函數(shù)較為復(fù)雜，在實際的計算中工作量較大，為了提升計算效率和計算的準(zhǔn)確性，運用Matlab軟件進行數(shù)值計算并運用CAD軟件繪制相關(guān)的沉降曲線，預(yù)測后公路地表移動最大值見表3，預(yù)測曲線見圖1～圖4。

表3 工作面回采后公路所在區(qū)域地表移動變形最大值

圖1 地表下沉等值線

圖2 地表水平變形等值線

圖3 垂直方向地表曲率等值線

圖4 垂直方向地表傾斜等值線

由圖1～圖4可知，采用工程類比法確定預(yù)測參數(shù)時，地表公路所在區(qū)域的地表下沉值在30～40mm之間，最大下沉量為40mm；公路所在區(qū)域地表水平變形在0.2～0.3mm/m之間，最大地表水平變形為0.3mm/m，位于工作面中部區(qū)域；公路所在區(qū)域地表曲率在0.002附近，垂直公路方向地表傾斜值在0～-0.5mm/m之間，最大值為-0.4mm/m，位于工作面停采線附近區(qū)域。

3 地表沉降觀測分析

3.1 地表測線布置

為了更好地掌握工作面回采過程中地表沉降實際情況和分析采前預(yù)測的準(zhǔn)確性，在工作面地表按照地表沉降觀測的要求在距離工作回采區(qū)域范圍內(nèi)公路附近布置了1條走向測線，5條傾向測線，其中4號和5號傾向測線為后期測線。具體布置如圖5所示。

圖5 測線布置

由于觀測地區(qū)煤礦沒有本礦井的沉降觀測資料，因此采用類比的方法確定各參數(shù)如下：走向移動角：δ=75°；上山移動角：γ=76°；下山移動角：β=76.6-α；最大下沉角：θ=90°-0.7α(α為煤層傾角)；松散層移動角：Φ=45°；煤層移動角的修正值：Δγ=Δδ=Δβ=20°。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析

根據(jù)對不同回采期間實地監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用Matlab進行相關(guān)的地表沉降數(shù)值計算，得到地表沉降曲線。在此選取地表下沉量曲線進行對比分析。圖6為走向測線各測點下沉曲線；圖中一期為工作面推進100m時，二期為工作面推進距離為300m時，三期為工作面推進450m時。

圖6 走向測線各監(jiān)測點下沉曲線

由圖6可知，工作面推進100m后走向測線區(qū)域地表沉降值開始明顯增加，當(dāng)工作面推進距離達到300m時，走向測點中最大下沉量為500mm，工作面推進距離達到450m時，走向測線中最大下沉量達到800mm。但是根據(jù)圖形曲線可知，3個時期均未出現(xiàn)沉降盆地曲線，因此在監(jiān)測期內(nèi)地表沉降未達到穩(wěn)定。為了更加準(zhǔn)確地對比預(yù)測曲線與實際下沉曲線之間的差異，及時對相關(guān)參數(shù)進行修正。選擇3期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，3期地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 實測地表沉降曲線

在圖7中測點34到40所在區(qū)域為公路所在區(qū)域，由圖7可看出，在1號、2號和3號測線公路所在區(qū)域的測點的地表下沉量中1號和2號測線上的該處的地表下沉值在40～65mm之間，超出采前預(yù)測值，由于3號測線在回采工作面前方，受采動影響較小，公路所在區(qū)域地表下沉量小于采前預(yù)測值。同時其他地表變形移動曲線也與預(yù)測曲線存在一定的差異。由此可知采前預(yù)測參數(shù)選取過于保守，預(yù)測地表移動變形與地表實際移動變形存在差異，需要對預(yù)測參數(shù)進行修正。

4 預(yù)測參數(shù)修正與二次預(yù)測

4.1 參數(shù)修正

根據(jù)以上的各條測線的觀測沉降數(shù)據(jù)，利用Matlab對選定的測線上的實測地表移動變形曲線數(shù)進行反演計算，從而根據(jù)實測地表變形移動數(shù)據(jù)確定以觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的地表沉降預(yù)測參數(shù)，具體結(jié)果如下：下沉系數(shù)q=0.44；水平移動系數(shù)b=0.43；開采影響傳播系數(shù)K=0.65；影響傳播角θ=90°-0.65α(α為煤層傾角)；tanβ下=1.4，tanβ上=1.5。

為了分析確定反演計算參數(shù)的正確性和合理性，需要進行二次預(yù)測曲線與實際觀測曲線的對比擬合分析，從而確定修正后預(yù)測參數(shù)的準(zhǔn)確性。選取2號測線和4號測線進行對比分析，實測數(shù)據(jù)為工作面推進740m時地表實測下沉數(shù)據(jù)，分別如圖8和圖9所示。

圖8 2號測線實測與二次預(yù)測地表下沉曲線對比

圖9 4號測線實測與二次預(yù)測地表下沉曲線對比

由圖8和圖9可知，整體上看2條實測曲線與預(yù)測曲線比較接近，擬合程度較高。雖然在前20號測點實測地表下沉曲線與預(yù)測曲線存在一些差異，預(yù)測曲線地表下沉量大于實測地表下沉量，這種現(xiàn)象的主要原因是地表沉降仍在持續(xù)。公路附近區(qū)域測點地表下沉曲線與預(yù)測曲線基本接近。從整體上看二次修正后的預(yù)測參數(shù)符合地表實際移動。

4.2 二次預(yù)測

根據(jù)修正后的預(yù)測參數(shù)繪制相應(yīng)的地表變形移動等值線圖，具體如圖10～圖13所示。

圖10 地表沉降二次預(yù)測等值線

圖11 地表水平變形二次預(yù)測等值線

圖12 垂直方向地表曲率二次預(yù)測等值線

圖13 垂直方向地表傾斜二次預(yù)測等值線

5 結(jié) 論

在采用工程類比法進行礦井采前開采地表沉降基礎(chǔ)之上，根據(jù)地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)利用Matlab進行基于實測數(shù)據(jù)的預(yù)測參數(shù)反演計算并對預(yù)測參數(shù)進行擬合分析，根據(jù)反演預(yù)測參數(shù)進行地表移動變形二次預(yù)測。該種基于地表實測數(shù)據(jù)的二次預(yù)測方法能夠提升地表變形預(yù)測參數(shù)與開采條件的匹配度，提升地表移動變形預(yù)測的準(zhǔn)確性，為其他工作面的開采提供準(zhǔn)確的預(yù)測參數(shù)。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

2017-03-13

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.04.018

張世良(1971-)，男，青海湟源人，總工程師、總經(jīng)理，從事技術(shù)管理工作。

張世良.基于實測數(shù)據(jù)的地表沉降預(yù)測優(yōu)化研究[J].煤礦開采，2017，22(4)：70-74.

TD325.2

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1006-6225(2017)04-0070-05