厚鬆散層條件煤層開採地表下沉率交迭雙波茲曼擬合方法與流程

2023-05-20 14:41:06 2

本發明涉及煤礦開採技術領域。更具體地，涉及厚鬆散層條件煤層開採地表下沉率交迭雙波茲曼擬合方法。

背景技術：

開採沉陷與10多個地質採礦變化因素有關，問題複雜，研究繁難。開採沉陷與地質採礦條件的關係描述還存在一些問題：1)巖層破壞狀況的描述與地表移動規律脫節，地表移動連續盆地與地表裂縫臺階的描述脫節；2)巖層移動「三帶」描述了變形程度的分區特性，有些條件按「三帶」描述卻不完整不貼切；3)開採的充分性是對地表受橫向採動程度的描述，較少研究開採的充分性與巖層移動狀況的關係，較少研究豎向採動程度，以及豎向、橫向採動程度的交互作用對巖層和地表的影響。

地表下沉率與下沉係數均是描述地表最大下沉值的參數，但兩者描述的範疇有較大差別。

在一定的地質條件下，地表最大下沉值隨著開採充分性的變化而變化，對於緩傾斜、中傾斜煤層，可用下式表示，地表最大下沉值wmax和地表下沉率η均是變化量。

wmax＝ηmcosα，η＝wmax/mcosα

當地表達到臨界充分和超充分開採時，採動地表達到一個不再隨開採充分性變化的臨界最大下沉值w0和下沉係數q：

w0＝qmcosα，q＝w0/mcosα

式中：wmax為地表最大下沉值；m為採厚；α為煤層傾角。

下沉係數q是描述不同地質採礦條件下採充分時，單位採厚的地表沉陷量。

下沉率η是描述相似地質採礦條件下不同開採充分性時，單位採厚的地表沉陷量。

兩者的關係為：下沉係數是充分開採時下沉率的極大值。地表臨界最大下沉值是充分開採時地表最大下沉值的極大值。

常用的下沉係數的求取方法為用採動程度係數來：

式中：n1，n3分別為傾向和走向的採動程度係數，若其值大於1，則取1。

式中：k1，k3分別取0.8；d1，d3分別為傾向和走向的長度；h0為平均採深。

以上下沉係數的求取方法和描述的下沉係數與下沉率的關係式，是密函數關係，這反映了一種增長關係，但與實際的下沉率變化有一定偏差，特別是厚鬆散層條件下偏差很大。對於巖土雙介質條件，基巖的採動充分性、地表的採動充分性涉及多種因素，影響關係複雜，下沉率的影響因素較多。實際煤層開採中，急需有理論指導或預測厚鬆散層條件下煤層開採的地表下沉率，這樣可以在開採前以及開採中對開採沉陷進行預判，確保安全生產。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種厚鬆散層條件煤層開採地表下沉率交迭雙波茲曼擬合方法，能夠在煤層開採前和開採中預判厚鬆散層條件下煤層開採的地表下沉率。

為達到上述目的，本發明採用下述技術方案：厚鬆散層條件煤層開採地表下沉率交迭雙波茲曼擬合方法，包括如下步驟：

(1)根據實測資料分析，確定研究區在基巖達到充分採動時採寬與基巖厚度之比，即確定研究區在基巖達到充分採動時的臨界寬基比klj0；

(2)以臨界寬基比klj0作為分段擬合的分界點，分兩段進行波茲曼函數擬合；

(3)第一段，寬基比klj≤klj0，基巖非充分採動，以綜合寬深比kl作為自變量，採用的波茲曼函數及參數為：η1(kl)＝bzm(kl；0,q1,a31,a41)，其中通過符合本段條件的實測數據求取參數q1,a31,a41；kl＝l/hz，hz＝hj+ks×h，l為工作面採寬，hj為基巖厚度，h為鬆散層厚度，ks為鬆散層折減係數，ks在0.1～0.6之間取值；η1為基巖非充分採動時的地表下沉率；

(4)第二段，寬基比klj>klj0，基巖充分和超充分採動，以鬆散層失水厚度hss與採厚m之比hss/m作為自變量，採用的波茲曼函數及參數為：η2(hss/m)＝bzm(hss/m；q1,q2,a32,a42)，通過符合本段條件的實測數據求取參數q2,a32,a42；η2為基巖充分或超充分採動時的地表下沉率；

(5)在基巖臨界寬基比處進行步驟(3)和步驟(4)中兩函數的迭合，得到地表下沉率的交迭雙波茲曼擬合函數和擬合曲線(如圖6所示)：

並得到不失水時的下沉係數q1和失水情況的下沉係數q2。

上述厚鬆散層條件煤層開採地表下沉率交迭雙波茲曼擬合方法，在步驟(1)中：klj0的取值為：基巖為軟巖時klj0＝0.8～1.2，klj0的取值範圍包括下端點、但不包括上端點；基巖為中硬巖時klj0＝1.2～1.6，，klj0的取值範圍包括下端點、但不包括上端點；基巖為堅硬巖時klj0＝1.6～2.0，klj0的取值範圍包括下端點和上端點。

上述厚鬆散層條件煤層開採地表下沉率交迭雙波茲曼擬合方法，基巖上方覆蓋的厚鬆散層是指鬆散層厚度大於200米或者鬆散層與基巖巖層厚度之比大於或等於1:1。

上述厚鬆散層條件煤層開採地表下沉率交迭雙波茲曼擬合方法，軟巖是指綜合硬度係數為：f<3，中硬巖是指綜合硬度係數為：3≤f8。

本發明的有益效果如下：

緩傾斜、中傾斜煤層開採地表下沉率η是不同開採狀況下地表最大下沉值與豎向採厚的比值，而下沉係數是地表充分採動時的下沉率。地表下沉率η受到多種地質採礦因素的綜合影響，影響方式複雜多變。在厚鬆散層條件下，地表下沉率還受鬆散層富水性、失水厚度等因素影響，呈現變主因素的多重變化的特點。本發明描述了厚鬆散層條件、不同採動狀況地表下沉率的變化規律，反映了巖土雙介質體影響下的採動平衡結構動態變化引起的地表最大下沉量的變化，擬合函數可用於不同開採狀況地表最大下沉值的計算以及煤層開採之前和開採中地表下沉率的預判，確保安全生產及保護地面構築物。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1潘謝礦區地表水體分布圖；

圖2淮南煤田新生界含、隔水層(組)分布示意圖；

圖3基巖非充分開採時地表下沉率與綜合寬深比的擬合曲線；

圖4基巖充分開採時地表下沉率與綜合寬深比的擬合曲線；

圖5潘謝礦區下沉率雙波茲曼函數全程擬合曲線；

圖6地表下沉率雙波茲曼函數全程擬合曲線。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發明，下面結合優選實施例和附圖對本發明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護範圍。

潘謝礦區從西到東，生產礦井有:謝橋礦、張集礦、顧橋礦、顧北礦、丁集礦、潘三礦、潘北礦、朱集礦、潘一礦、潘二礦。地表水體分布如圖1所示，淮河、西淝河、鳳新河、黑河、泥河交匯於此，花家湖、瓦埠湖。

圖2所示為淮南礦區新生界含水層隔水層的分布圖。地下水屬鬆散巖類孔隙水，賦存於第三系及第四系鬆散沉積物中，按照含水層埋藏條件，由上至下可分為上部、中部、下部三個含水組：

(1)上部含水層

考慮到淮南市區目前開發地下水的具體情況和本地區地層分布的特點，這裡所談的淺層含水層(組)，是指埋深在30～40m以內的含水層(組)，為第四系沉積物。該含水層(組)的分布，與現代河流方向大體一致。但在淮河以南的山前斜地，砂層缺失，水位埋深一般為1～3m，地下水類型屬潛水～承壓水。

(2)中部含水層

該含水層是指埋深在30～130m範圍內的含水層，它主要由中下更新統(q1+q2)地層組成，廣泛分布於沿淮及淮河以北的平原區，根據埋深，可分為中部含水層上段和中部含水層下段。一般砂層的厚度大，層位比較穩定，但其富水性因地區而異。如潘集礦區富水勝較強的地區，含水砂層的平均厚度在30m以上，水位埋深2.0～4.5m，導水係數大於500m2/d，單井出水量大於1000m3/d；潘集以東和以南至二道河地區，富水性逐漸減弱，含水層累計厚度約20m，水位埋深3.0～4.5m，導水係數300～500m2/d，單井出水量100～1000m3/d。古溝至高皇一帶，含水砂層累計厚度15～30m，富水性較差，水位理深2.5～3.5m，導水係數一般小於300m2/d，單井出水量小於100m3/d。

(2)下部含水層

該含水組由第三系地層組成，大致以淮河為界，淮河以南大部分地區缺乏。淮河以北分布廣泛，含水層的巖性主要為中、粗砂及泥質半膠結的砂礫層，埋深在140m以下，累計厚度大於150m，其富水性在空間上存在一定差異性。地下水位埋深也同樣具有這種規律。如在泥河附近，含水層埋深在135m以上，平均厚度180m左右，水位埋深在20m以上。

由圖2可知，潘謝礦區第三系、第四系鬆散層厚度200-500m，總體呈西厚東薄分布，含水層存在「三含三隔」，顧橋礦和顧北礦附近含水層厚度最大。下部含水層西薄東厚，對採動影響程度失水可能性較大。

潘謝礦區地質條件、開採條件變化幅度較大，實測獲得15個地表下沉率參數在0.15～1.10區間變化。類似條件的淮北礦區20個觀測站的下沉係數為0.7～1.41。

從實測結果來看，下沉率受到多因素的分段交叉非線性複雜影響，這些因素包括工作面寬度、開採厚度、基巖厚度、鬆散層厚度、鬆散層含水性及層位、巖層巖性等。如何準確反映下沉率與地質開採條件的關係，對於揭示地表移動規律和進行地表沉陷預測均是相當關鍵的問題。

潘謝礦區地表下沉率實測分析

一、實測下沉率的變化特點

表1潘謝礦區採動程度與實測下沉率統計表

表1中，顧北礦1232(3)工作面和顧橋礦1111(3)工作面地表下沉率最大，這與其工作面採寬大、採厚較大、基巖薄、厚鬆散下部含水層較厚，隔水層薄，易破壞致使含水層失水有密切關係。

據實測地表下沉率呈現以下特點：

1)地表下沉率與工作面寬度、基巖厚度、鬆散層厚度、含水層厚度和分布等多個要素有關。

2)地表下沉率與地質開採條件的關係複雜多變，非單類因素，也非每幾個因素形成一致性影響。

3)總體來看，寬基比klj越大，下沉率越大。當寬基比較小時，下沉率較小，鬆散層厚度對下沉率有較大影響，而含水性影響不明顯；當寬基比較大時，下沉率較大，鬆散層含水性對下沉率有顯著影響，下部含水層的厚度越大。

根據巖土雙介質的採動狀況模擬實驗和平衡結構分析，地表下沉率首先與基巖的採動充分性分有關，為此分基巖非充分開採和充分開採兩種情況進行討論。

二、地表下沉率擬合分析

1、基巖非充分採動時地表下沉率擬合

基巖非充分採動下，鬆散層的採動影響較小，地表下沉主要來源於巖層移動和土層的跟隨移動。在基巖非充分開採條件下，地表下沉率取決於地表的採動程度，即綜合寬深比(工作面的寬度與巖土綜合採深之比)，反映了巖土介質的採動影響差別。

表2基巖非充分採動地表下沉率擬合參數表

根據表2中的實測資料分析，確定研究區的臨界寬基比klj0為1.4。

以臨界寬基比klj0作為分段擬合的分界點，分兩段進行波茲曼函數擬合。

第一段，寬基比klj≤klj0，基巖非充分採動，以綜合寬深比kl作為自變量，採用的波茲曼函數及參數為：η1(kl)＝bzm(kl；0,q1,a31,a41)，其中通過符合本段條件的實測數據求取參數q1,a31,a41；kl＝l/hz，hz＝hj+ks×h，l為工作面採寬，hj為基巖厚度，h為鬆散層厚度，ks為鬆散層折減係數，ks在0.1～0.6之間取值；η1為基巖非充分採動時的地表下沉率。

綜合寬深比kl可按下式表示，h綜為綜合採深；l為工作面採寬，hj為基巖厚度；ks為鬆散層折減係數，淮南礦區取0.28；h為鬆散層厚度。

潘謝礦區基巖非充分開採信息及下沉率如表2，採用波茲曼(boltzmann)函數取(0，1)參數進行擬合，得到地表下沉率與綜合寬深比的擬合關係如下式，擬合曲線如圖3所示。地表最大下沉率為0.80。

2、基巖充分和超充分採動地表下沉率擬合

基巖達到充分採動後，地表下沉由巖層移動帶動土層的移動和鬆散層的失水引起的固結沉降兩部分組成。兩部分的沉降機制不同，鬆散層的失水沉降與基巖的採動充分性(基巖面下沉盆地平底寬度即為上覆鬆散層的失水寬度)有關，與鬆散層的含水性和失水高度有關。在基巖較充分採動的情況下，地表下沉率主要考慮失水高度的非線性影響，即把失水厚度與採厚之比作為影響參量，潘謝礦區基巖充分採動工作面地質採礦條件及下部含水層厚度等信息見表3。

表3基巖充分和超充分採動地表下沉率擬合參數表

第二段，寬基比klj>klj0，基巖充分和超充分採動，以鬆散層失水厚度hss與採厚m之比hss/m作為自變量，採用的波茲曼函數及參數為：η2(hss/m)＝bzm(hss/m；q1,q2,a32,a42)，通過符合本段條件的實測數據求取參數q2,a32,a42；η2為基巖充分或超充分採動時的地表下沉率。

採用波茲曼函數進行擬合，得到基巖充分採動時地表下沉率與失水厚度/採厚的擬合關係如下式，擬合曲線如圖4所示。

三、地表下沉率全程擬合分析

將以上分段擬合曲線進行合併，得到潘謝礦區地表下沉率全程變化擬合曲線(如圖5)，該圖反映了下沉率分段變主因素的影響關係，得到如下結果：

1)以基巖充分採動的臨界寬基比為1.4進行分段，得到本區基於綜合深厚比和鬆散層失水厚度的地表下沉率的交迭雙波茲曼擬合曲線和擬合公式。擬合結果表明，當不涉及鬆散層失水時，潘謝礦區地表下沉係數為q1＝0.80；涉及鬆散層失水時，潘謝礦區地表下沉係數為q2＝1.20。

2)下沉率全程曲線反映了本區地質條件下不同開採狀況的巖土雙介質的採動平衡結構變化。當工作面寬基比klj≤0.8時，基巖處於非充分採動，主巖拱形成，拱上有覆巖彎壓和土體堆壓，巖土體呈現ⅰ類平衡結構；當0.8<klj≤1.4時，主巖拱斷，主巖土疊拱形成，呈現ⅱ類平衡結構；當klj〉1.4之後隨著klj的增大，副巖土拱的先形成後破斷，巖土體先為ⅲ類，鬆散層失水寬度較窄，後呈ⅳ類(採厚較小)或ⅴ類結構(採厚較大)，鬆散層失水寬度大。

3)潘謝礦區基巖較薄，在基巖(面)達到充分採動的情況下，基巖內難以形成穩定的承載結構，覆巖破壞直達鬆散層，鬆散層發生跟隨式移動。工作面推進過程中，鬆散層階段動態變形，下部含水層容易破壞失水固結，或者流失顆粒，造成鬆散層失水性沉降和地表附加下沉，下沉率增大。

4)擬合結果表明，當不涉及鬆散層失水時，潘謝礦區地表下沉係數為q1＝0.80；涉及鬆散層失水時，潘謝礦區地表下沉係數為q2＝1.20。

顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定，對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這裡無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬於本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。