一种基于沉降监测数据的煤矿老采空区场地稳定性定量评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于沉降监测数据的煤矿老采空区场地稳定性定量评价方法，适用于主沉降已经结束的垮落法开采老采空区场地。其步骤为1）在煤矿老采空区地表布置监测线，获得地表沉降监测数据；2）基于监测数据的地表变形特征初步分析；3）煤矿老采空区地表变形计算；4）老采空区场地稳定性评价。本方法能够利用考虑时间效应的概率积分法，在参数确定时，根据实际监测沉降的增加量=计算得到的残余沉降的减少量这个关系式，因而采用2年以上的监测数据即可开展评价工作，操作简便、易于进行，并且评价依据行业标准、规程，评价效果好，极大方便了煤矿老采空区场地稳定性定量评价的开展。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种采空区场地稳定性评价技术方法，尤其涉及一种基于监测数据的老采空区稳定性定量评价方法，适用于主沉降已经结束的垮落法开采老采空区场地。
技术介绍
随着社会经济的发展，土地资源与地下空间的利用越来越受到重视，在以往老采空区上进行土地复垦、修建工业厂房和住宅楼成为必要，然而老采空区的建筑场地稳定性评价是一个亟待解决的问题。老采空区由于深埋地下，被松散沉积物、破碎岩块覆盖，加之煤矿开采无序，采空区的空间分布和持续时间不明，很难对采空区场地稳定性进行有效评价。目前，地表移动监测的新技术与新仪器得到了较大发展，包括全站仪、GPS全球定位系统、ADAS、InSar实时监测系统等，通过对实测数据的分析，找到地表变形规律，进而对采空区地表沉陷进行评价是一种行之有效的方法。由于实测数据的重要性，世界各国都非常重视实测资料的积累和分析工作，我国自50年代以来在全国各大矿务局开展了观测工作，据不完全统计，我国已有观测线1000多条，建立数据处理和分析的方法，如矿山开采沉陷预计系统。目前主要存在的问题有：(1)开采沉陷预测模型能够利用监测数据对新开采煤层周边的岩土体稳定性进行预测，但不能对已经开采数年的老采空区场地稳定性进行预测和评价。例如，尹彦波(2008)在通过对采空区周边围岩体进行实时监测，收集监测数据的同时，采用非线性科学理论预测模型方法对围岩体的稳定性进行预报研究。李磊等(2012)建立了小波去噪模型、沉降预测模型和采空区失稳辨别模型，结合西郝庄铁矿VI-4矿体采空区情况探讨采空区失稳预警。(2)利用InSar实时监测系统尽管能够获得较长时间的历史沉降监测数据，能够对区域性大面积地表沉降特征及趋势进行预测，但对面积较小的采空区场地，其精度不如传统沉降监测方法高，并且没有建立相应的稳定性定量评价方法。例如，邓喀中等(2015)利用In SAR技术对陕西某矿区19景Terra SAR影像进行处理与分析，建立了地表残余下沉速度循环峰值与采厚、下沉速度循环周期与深厚比和工作面推进速度、工作面累积下沉与停采时间的经验关系式。刘晓菲等(2014)认为D-In SAR技术可以应用于监测大面积的老采空区残余变形，对于沉降稳定后残余变形微小的老采空区还不能得到理想的结果。(3)传统沉降监测方法，尽管精度高，然而实际操作中很难获得长时间的沉降监测数据，监测数据往往只有2年或3年，如何根据2年或3年的监测数据对老采空区进行稳定性定量评价，是当前需要解决的一个重要问题。针对上述问题，利用所获得的较短时间(2年或3年)的监测数据，结合专利技术中所提出的考虑煤层开采后持续时间的概率积分法，提出一种操作简便、能够开展煤矿老采空区场地稳定性定量评价的方法越来越有必要。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种易于操作的基于沉降监测数据的老采空区场地稳定性定量评价方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种基于沉降监测数据的煤矿老采空区场地稳定性定量评价方法，其关键技术在于：包括下述步骤1)在煤矿老采空区地表布置监测线，获得地表沉降监测数据布置方法为：针对开采工作面，按平行煤层走向布置至少1条监测线，垂直煤层走向布置至少3条监测线；2)基于监测数据的地表变形特征初步分析根据监测数据进行分析，进行两个方面的分析：(1)确定地表沉降最大下沉点位置根据获得的实测数据建立各沉降点和沉降量的下沉曲线图，然后分析平行和垂直煤层走向的监测点沉降量，找出最大下沉点的位置及编号；(2)判定主沉降是否结束根据步骤(1)所确定的最大下沉点的下沉量与时间关系曲线及下沉速度曲线，与包含一般采空区地表下沉规律曲线的图相对比，如果实际监测得到的下沉曲线模式进入了衰退期模式，可以判定采空区主沉降已经结束，如果老采空区的主沉降已经结束，即可认为老采空区场地的剩余沉降量等于残余沉降量；即可依据此数据进行地表变形计算；3)煤矿老采空区地表变形计算对于缓倾斜煤层，采用概率积分法计算公式，下沉值： W ( x , y ) = W 0 ∫ ∫ D 1 r 2 exp ( - π ( s - x ) 2 + ( t - y ) 2 r 2 ) d s d t - - - ( 3 - 1 ) ]]>倾斜： i x ( x , y ) = W 0 ∫ ∫ D 2 π ( s - x ) r 4 exp ( 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于沉降监测数据的煤矿老采空区场地稳定性定量评价方法，其特征在于：包括下述步骤1)在煤矿老采空区地表布置监测线，获得地表沉降监测数据布置方法为：针对开采工作面，按平行煤层走向布置至少1条监测线，垂直煤层走向布置至少3条监测线；2)基于监测数据的地表变形特征初步分析根据监测数据进行分析，进行两个方面的分析：(1)确定地表沉降最大下沉点位置根据获得的实测数据建立各沉降点和沉降量的下沉曲线图，然后分析平行和垂直煤层走向的监测点沉降量，找出最大下沉点的位置及编号；(2)判定主沉降是否结束根据步骤(1)所确定的最大下沉点的下沉量与时间关系曲线及下沉速度曲线，与包含一般采空区地表下沉规律曲线的图相对比，如果实际监测得到的下沉曲线模式进入了衰退期模式，可以判定采空区主沉降已经结束，如果老采空区的主沉降已经结束，即可认为老采空区场地的剩余沉降量等于残余沉降量；即可依据此数据进行地表变形计算；3)煤矿老采空区地表变形计算对于缓倾斜煤层，采用概率积分法计算公式，下沉值：W(x,y)=W0∫∫D1r2exp(-π(s-x)2+(t-y)2r2)dsdt---(3-1)]]>倾斜：ix(x,y)=W0∫∫D2π(s-x)r4exp(-π(s-x)2+(t-y)2r2)dsdtiy(x,y)=W0∫∫D2π(t-y)r4exp(-π(s-x)2+(t-y)2r2)dsdt---(3-2)]]>曲率：Kx(x,y)=W0∫∫D2πr4(2π(s-x)2r2-1)exp(-π(s-x)2+(t-y)2r2)dsdtKy(x,y)=W0∫∫D2πr4(2π(t-y)2r2-1)exp(-π(s-x)2+(t-y)2r2)dsdt---(3-3)]]>水平移动：Ux(x,y)=U0∫∫D2π(s-x)r3exp(-π(s-x)2+(t-y)2r2)dsdtUx(x,y)=U0∫∫D2π(s-x)r3exp(-π(s-x)2+(t-y)2r2)dsdt---(3-4)]]>水平变形：ϵx(x,y)=U0∫∫D2πr3(2π(s-x)2r2-1)exp(-π(s-x)2+(t-y)2r2)dsdtϵy(x,y)=U0∫∫D2πr3(2π(t-y)2r2-1)exp(-π(s-x)2+(t-y)2r2)dsdt---(3-5)]]>式中：W(x,y)为地表任意点(坐标为x和y)的下沉值，mm；ix(x,y)、KX(x,y)、UX(x,y)、εx(x,y)分别为地表任意点(坐标为x和y)x方向的倾斜值(mm/m)、曲率值(10‑3/m)、水平移动值(mm)和水平变形值(mm/m)；iy(x,y)、Ky(x,y)、Uy(x,y)、εy(x,y)分别为地表任意点(坐标为x和y)y方向的倾斜值(mm/m)、曲率值(10‑3/m)、水平移动值(mm)和水平变形值(mm/m)；W0、U0分别为地表充分采动的最大下沉值和最大水平移动值(mm)；其中，W0=ηM cos(α)U0=bW0---(3-6)]]>D为工作面倾斜长度和走向长度确定的积分范围(m2)；r为主要影响半径(m)；η为下沉系数；M为开采煤层厚度(m)；α为煤层倾角(°)；b为水平移动系数；其中，残余下沉系数随下沉时间的表达式为：η′t＝Ae‑Bt(3‑8)，其中，A和B均为确定的参数；将残余下沉系数η′t替换式(3‑6)中的下沉系数η，就可以计算不同时期的最大残余沉降量：We＝η′tM cos(α)                 (3‑9)再将We替换式(3‑2)～(3‑5)中的W0，即可利用Matlab软件编制程序计算残余倾斜、曲率和水平变形的大小，然后绘制残余下沉值等值线、倾斜值等值线、水平变形等值线和曲率值等直线图；4)老采空区场地稳定性评价(1)根据得到的上述数据和图，根据评价标准即可对老采空区场地的稳定性进行评价；场地稳定性评价标准依据《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T‑D31‑03‑2011)进行；(2)依据上述标准，将计算得到的残余下沉值、倾斜值、水平变形值和曲率值4个指标进行综合比对，并画出对比图；(3)根据稳定性评价标准和对比图画出按稳定标准确定的分区界线，提取出坐标，将其投影到CAD图上，就得...

【技术特征摘要】
1.一种基于沉降监测数据的煤矿老采空区场地稳定性定量评价方法，其特征在于：包括下述步骤1)在煤矿老采空区地表布置监测线，获得地表沉降监测数据布置方法为：针对开采工作面，按平行煤层走向布置至少1条监测线，垂直煤层走向布置至少3条监测线；2)基于监测数据的地表变形特征初步分析根据监测数据进行分析，进行两个方面的分析：(1)确定地表沉降最大下沉点位置根据获得的实测数据建立各沉降点和沉降量的下沉曲线图，然后分析平行和垂直煤层走向的监测点沉降量，找出最大下沉点的位置及编号；(2)判定主沉降是否结束根据步骤(1)所确定的最大下沉点的下沉量与时间关系曲线及下沉速度曲线，与包含一般采空区地表下沉规律曲线的图相对比，如果实际监测得到的下沉曲线模式进入了衰退期模式，可以判定采空区主沉降已经结束，如果老采空区的主沉降已经结束，即可认为老采空区场地的剩余沉降量等于残余沉降量；即可依据此数据进行地表变形计算；3)煤矿老采空区地表变形计算对于缓倾斜煤层，采用概率积分法计算公式，下沉值： W ( x , y ) = W 0 ∫ ∫ D 1 r 2 exp ( - π ( s - x ) 2 + ( t - y ) 2 r 2 ) d s d t - - - ( 3 - 1 ) ]]>倾斜： i x ( x , y ) = W 0 ∫ ∫ D 2 π ( s - x ) r 4 exp ( - π ( s - x ) 2 + ( t - y ) 2 r 2 ) d s d t i y ( x , y ) = W 0 ∫ ∫ D 2 π ( t - y ) r 4 exp ( - π ( s - x ) 2 + ( t - y ) 2 r 2 ) d s d t - - - ( 3 - 2 ) ]]>曲率： K x ( x , y ) = W 0 ∫ ∫ D 2 π r 4 ( 2 π ( s - x ) 2 r 2 - 1 ) exp ( - π ( s - x ) 2 + ( t - y ) 2 r 2 ) d s d t K y ( x , y ) = W 0 ∫ ∫ D 2 π r 4 ( 2 π ( t - y ) 2 r 2 - 1 ) exp ( - π ( s - x ) 2 + ( t - y ) 2 r 2 ) d s d t - - - ( 3 - 3 ) ]]>水平移动： U x ( x , y ) = U ...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐剑峰，王飞，
申请(专利权)人：河北地质大学，
类型：发明
国别省市：河北;13