一种长壁开采地表残余下沉系数计算方法技术

本发明专利技术提出一种长壁开采地表残余下沉系数计算方法，属于矿业工程领域中矿山开采沉陷预计、矿区土地复垦规划设计和老采空区地表建筑场地稳定性评价领域。该方法基于地表残余下沉延续时间内各年度残余下沉系数之和等于地表极限残余下沉系数、起始年度残余下沉系数大并线性衰减的限制条件，构建地表残余下沉延续时间内年度残余下沉系数表达式，计算得到地表残余下沉延续时间内任一年地表残余下沉系数、至某一年度累计残余下沉系数和某一年度之后未来产生的累计残余下沉系数，并可将残余下沉系数转化为对应地表残余下沉量。本发明专利技术可为矿区土地复垦和生态环境规划设计、老采空区地表作为建筑场地稳定性和适宜性评价提供客观量化依据，应用价值高。

A method for calculating surface subsidence coefficient of longwall mining

The invention provides a method for calculating the surface residual subsidence coefficient of Long-wall mining, which belongs to the field of mining subsidence prediction, land reclamation planning and design of mining area and stability evaluation of surface building site in old goaf in the mining engineering field. Based on the limit condition that the sum of residual subsidence coefficients in each year is equal to the limit subsidence coefficients and the initial year's residual subsidence coefficients are large and linear attenuation, the expression of annual residual subsidence coefficients in the duration of residual subsidence is constructed, and the continuation of residual subsidence is calculated. The coefficient of residual subsidence in any year, cumulative coefficient of residual subsidence in a certain year and cumulative coefficient of residual subsidence in the future after a certain year can be transformed into corresponding residual subsidence. The invention can provide objective quantitative basis for land reclamation and ecological environment planning and design in mining area, and the surface of old goaf as the stability and suitability evaluation of building site, and has high application value.

【技术实现步骤摘要】
一种长壁开采地表残余下沉系数计算方法
本专利技术属于矿业工程领域中矿山开采沉陷预计、矿区土地复垦规划设计和老采空区地表建筑场地稳定性评价研究领域,具体地涉及一种长壁开采地表残余下沉系数计算方法，以确定地表残余下沉延续时间内某一年的残余下沉量、过去累计地表残余下沉量和未来潜在的地表残余下沉量。
技术介绍
地下煤炭长壁开采引起的地表移动变形从开始到结束的整个时间定义为地表移动延续时间。地表点下沉达到10mm时为地表移动延续时间的开始时间，当连续6个月累计下沉不超过30mm时，则认为地表移动延续时间结束，之后地表移动进入地表残余下沉延续时间。尽管地表残余下沉在量值上不大，但持续时间长，是矿区土地复垦与生态重建的规划设计依据，也是老采空区地表作为建筑场地再利用稳定性评价的重要指标。对于水平煤层和近水平煤层在充分采动条件下，地表最大下沉值与煤层开采厚度的比值称为地表移动延续时间内的地表下沉系数，用q表示；与之相对应的，在地表残余下沉延续时间内产生的残余下沉值与煤层开采厚度的比值称为地表残余下沉系数，地表残余下沉延续时间内的某一年度的残余下沉值与煤层开采厚度的比值称为该年度地表残余下沉系数。如何科学合理地确定地表残余下沉系数一直是国土部门、相关科研机构和企业关注的焦点问题之一。尽管有很多学者对长壁开采地表残余下沉系数进行了研究，但截至目前关于地表残余下沉系数最典型、最权威的研究成果，是在煤矿开采损害技术鉴定标准《煤矿开采沉陷预计方法》(2014年12月1日发布实施)中，给出的如下形式的残余下沉延续时间内年度下沉系数计算公式式(1)中，q为长壁开采地表移动延续时间内的下沉系数；k是调整系数，一般0.5≤k≤1.0；Tc为地表残余下沉延续时间，Tc＝50年；tc为距地表移动延续时间结束后的时间，单位为年。为不失一般性，取地表移动延续时间内的下沉系数q＝0.7，地表残余下沉延续时间Tc＝50年，调整系数k＝1.0，则计算发现：地表残余下沉系数会从第1年的0.187逐步减小到第50年的0.0，虽然地表残余下沉系数的衰减规律与实际相符，但地表残余下沉延续时间内各年度的累计残余下沉系数达到了5.42；即使调整系数k＝0.5，虽然地表残余下沉系数从第1年的0.094逐步减小到第50年的0.0，但残余下沉延续时间内各年度的累计残余下沉系数仍达到了2.71。理论上，地表残余下沉系数达到1即表示地表残余下沉量达到了煤层开采厚度，很显然不论调整系数取上限1.0或下限0.5，计算得到的残余下沉延续时间内的累计残余下沉系数都有悖于现有的开采沉陷预计理论；同时公式(1)中的调整系数k的物理意义不明确，地表残余下沉延续时间统一为50年太过于绝对。表明应用式(1)计算地表残余下沉系数会带来显著错误，存在过大估计残余下沉量现象，可能导致老采空区地表建筑场地稳定性评价结果错误及土地复垦规划设计失效。
技术实现思路
本专利技术的目的是为更正现有行业标准中地表残余下沉系数计算公式的错误之处，提出一种长壁开采地表残余下沉系数计算方法。本专利技术所给出的地表残余下沉系数计算公式，在不改变原有参数的前提下可快速确定地表残余下沉延续时间内任一年的地表残余下沉系数、地表累计残余下沉系数和地表未来潜在的残余下沉系数，实用价值高，推广应用前景广阔。本专利技术提出的一种长壁开采地表残余下沉系数计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)确定长壁开采极限残余下沉系数，表达式如下：其中，q为长壁开采地表移动延续时间内的下沉系数，n是与冒落破碎岩石压密压实程度有关的系数；2)计算残余下沉延续时间内年度下沉系数，表达式如下：其中，Tc为地表残余下沉延续时间，单位为年；tc为距地表移动延续时间结束后的时间，单位为年，1≤tc≤Tc；3)确定n，q和Tc的值，利用式(5)计算得到在距地表移动延续时间结束后tc年的地表残余下沉系数。本专利技术的特点及有益效果在于：本专利技术提出的一种长壁开采地表残余下沉系数计算方法，该方法的优点主要包括：一、充分考虑了残余下沉系数的极值性要求，即地表残余下沉延续时间内年度残余下沉系数之和等于该地质采矿条件下地表极限残余下沉系数；二、充分考虑了残余下沉延续时间内年度残余下沉系数的衰减特性，即从残余下沉延续时间的起始到结束过程，残余下沉系数逐年减小；三、充分考虑地表移动持续时间结束时和地表残余下沉持续时间开始时下沉的连续性；四、该地表残余下沉系数计算方法与传统方法相比，没有增加新的变量或参数，计算过程简单。利用本专利技术所描述的长壁开采地表残余下沉系数计算方法，因没有增加新的变量或参数，参数的物理意义明确，保持了研究工作的连续性，计算过程简单，且计算结果满足极值性、衰减性和连续性要求，符合地表残余下沉的实际规律，可靠性高。通过本专利技术可方便确定出地表残余下沉持续时间内任一年度的地表残余下沉系数，也可得到至某年度已发生的地表累计残余下沉系数及某一年度之后地表未来潜在的累计残余下沉系数，对于过去、现在和未来的地表残余下沉量可进行准确定量。为矿区生态文明建设、土地复垦规划设计、老采空区地表再利用的稳定性适宜性评价等提供了科学可行的定量依据，有很高的实用价值。具体实施方式本专利技术提出的一种长壁开采地表残余下沉系数计算方法，下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术提出一种长壁开采地表残余下沉系数计算方法，该方法包括以下步骤：1)确定长壁开采极限残余下沉系数；地下煤层长壁冒落法开采由于冒落岩石的碎胀性和离层裂隙等的存在，导致地表下沉量小于煤层的开采厚度。随着开采工作面的推进，当煤壁至采空区距离达到0.12～0.6平均采深时，采空区冒落岩石处于稳压区，此时冒落岩石的碎胀系数因压密而称为残余碎胀系数，下沉系数为q；残余碎胀系数的进一步压密压实属于残余下沉。地表残余下沉延续时间内的年度残余下沉系数的累计值为极限残余下沉系数理论上，由于冒落破碎岩石和离层裂隙等不能压密压实至原有的初始状态，故地表移动延续时间内的下沉系数与极限残余下沉系数之和应小于1，即但在无限压力无限时间作用下有恢复原始状态的可能，因此存在极限残余下沉系数：其中，n是与冒落破碎岩石压密压实程度有关的系数。2)计算残余下沉延续时间内年度下沉系数；残余下沉延续时间内年度地表残余下沉系数的确定应遵循两个限制条件：一个限制条件是年度残余下沉系数之和应等于该地质采矿条件下的极限残余下沉系数，即:其中，Tc为地表残余下沉延续时间，单位为年；tc为距地表移动延续时间结束后的时间，单位为年。另一个限制条件是在地表残余下沉延续时间Tc内，起始的地表残余下沉系数大，随着冒落破碎岩石的逐步压密压实，地表残余下沉系数逐步减小，即存在:其中，分别是地表残余下沉延续时间内第1年、第2年、…第tc年、…、第Tc年的年度地表残余下沉系数由于年度残余下沉系数较小，基于线性衰减规律构建满足上述两条件的残余下沉延续时间内年度下沉系数公式，即有将上述公式整理后，可得地表残余下沉延续时间内年度地表残余下沉系数表达式为:3)确定n、q和Tc的值，利用式(5)即可计算得到在距地表移动期结束后tc年的地表残余下沉系数。对于地表稳定性评价和土地复垦、生态重建规划设计等，由于实际的地层条件存在一定的不确定性，为使工程设计留有余量，一般可按上限取n＝1.0。对于长壁开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种长壁开采地表残余下沉系数计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)确定长壁开采极限残余下沉系数，表达式如下：

【技术特征摘要】
1.一种长壁开采地表残余下沉系数计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)确定长壁开采极限残余下沉系数，表达式如下：其中，q为长壁开采地表移动延续时间内的下沉系数，n是与冒落破碎岩石压密压实程度有关的系数；2)计算残余下沉延续时间内年度下沉系数，表达式如下：其中，Tc为地表残余下沉延续时间，单...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔希民，赵玉玲，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11