一种基于实测数据的Weibull时间函数对地面沉陷影响的方法技术

一种基于实测数据的Weibull时间函数对地面沉陷影响的方法，包括以下步骤；步骤一，布置监测点；布置监测点A

A method of influence of Weibull time function on ground subsidence based on measured data

【技术实现步骤摘要】
一种基于实测数据的Weibull时间函数对地面沉陷影响的方法
本专利技术涉及地面沉降监测
，特别涉及一种基于实测数据的Weibull时间函数对地面沉陷影响的方法。
技术介绍
煤矿地下开采引起的地表移动变形是一个复杂的时空过程。地表沉陷不仅危及地面建筑、公路、铁路的安全，诱发的地质灾害以及地表水的流失对环境造成了严重的破坏。为了评估地表沉陷造成的危害，掌握地表沉陷的大小、范围、下沉速度、加速度等，地表沉陷的预测显得极为重要。对沉陷变形较为敏感的地面线性建筑如铁路、公路等而言，不仅受下沉量和下沉范围的大小控制，下沉速度和下沉加速度能产生更大的影响，所以静态预计已不能满足实践开采需求。为此，国内外学者展开大量地探索和研究，提出了不同的时间函数和地表动态沉陷预测理论。1952年波兰学者Knothe利用土体压实的基本假设进行了地表移动和变形时间过程研究，提出了地表下沉速度与地表下沉值和时间的关系函数，即Knothe时间函数。Sroka和c.Gonzalez-Nicieza基于Knothe时间函数分别提出了Sroka-Schober时间函数和正态分布时间函数。Knothe时间函数不能反映实际的下沉速度和下沉加速度变化规律，为了改进其不足，国内学者进行了大量的探索和研究。常占强等提出了分段Knothe时间函数，张兵等对分段Knothe时间函数进行了改进，拓宽了适用范围且提高了预计精度；王军保等结合岩石流变力学中非定常流变模型，将时间影响系数看作与时间有关的变量，对Knothe时间函数进行了改进；张兵、李春意等对正态分布时间函数进行了研究；刘玉成等结合Weibull曲线模型对Knothe时间函数进行了改进，提出了Weibull时间函数模型，但参数物理意义还尚未明确。上述科研成果为地表沉陷预计研究以及实践运用起到了积极推动作用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于实测数据的Weibull时间函数对地面沉陷影响的方法，具有模型参数的变化规律清晰，物理意义明确；能完整的描述地表动态沉陷过程，并达到高精度预测的特点。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于实测数据的Weibull时间函数对地面沉陷影响的方法，包括以下步骤；步骤一，布置监测点；布置监测点Ai(i＝1，2，3...f)，监测点连线应与工作面推进方向平行或者斜交；步骤二，以工作面中心点为坐标原点，将现场布置的监测点对应坐标与Weibull时间函数模型结合；步骤三，通过结合后，在工作面开采过程中，监测点实时传输下沉数据，拟合出每个监测点对应的模型参数，在监测点沿线，参数c应符合0→cmax→0，参数k应符合1→kmax→k1；同时随着开采逐渐推进，参数的最大值也在逐渐往工作面中心点位置推移，并逐渐增大在沉陷达到稳定时将不再变化。所述的Weibull时间函数模型为：式中：x，y为监测点对应坐标，m；W(x，y)为监测点的下沉量，mm；t为监测点下沉时间，a；c、k为模型参数，其中c＞0，k＞1；Wm为地表最大下沉值，mm；a，b分别为工作面走向和倾向盆地半长，m；n，g为模型参数。所述的参数c用于影响下沉起始时间及下沉稳定时间，且都呈负相关；用于体现的是监测点距开切眼的位置、煤层埋深、上覆岩层的厚度及其性质；参数k用于影响下沉起始时间、最大下沉速度、下沉持续时间，对下沉稳定时间的影响相对较小，反映了监测点下沉速度快慢和剧烈程度，与监测点离开切眼的距离、工作面的开采方法和顶板管理方法、上覆基岩和松散层厚度及其性质有关。所述的地表最大下沉值Wm依据“三下采煤规程”中的公式进行计算，其表达式为：Wm＝mqcosα(3)式中：m为煤层厚度，mm；q为下沉系数，主要通过相邻工作面或者周边矿区来确定或者根据实测数据拟合得到；α为煤层倾角。所述的参数a、b分别为下沉盆地的走向和倾向长度的一半，控制沉陷盆地的范围；通过实测或通过公式计算得到，其表达式分别为：式中：D3、D1分别为采空区走向和倾向长度，m；H0、H1、H2分别为平均采深、上山和下山方向采深，m；δ0为走向边界角；β0、γ0分别为倾向下山和上山边界角，其中角量参数均可通过实测确定；在没有实测数据时，可根据相邻工作面或周边矿区参数进行确定。所述的参数n用于反映水平断面，与下沉盆地底部密切相关；n越大，盆地底部越宽，平底现象越明显，但是，盆地边缘沉陷不受影响，参数n越大，导致盆地接近“容器型”与实际沉陷盆地“碗型”存在差异，所述的参数n取值范围为1～3，主要与开采程度有关，参数n通过实测数据计算得到，由沉降监测点下沉数据W(xi，yi)与式(2)反算出ni：测得f个点的对应坐标和下沉量，由式(7)依次求得ni，计算其算术平均值，确定n：参数n的可靠程度，由监测点的个数f决定，f越大，n越可靠，参数g反映了最大下沉点向盆地边缘的衰减速度，g越大，衰减速度越快，盆地收敛越快；主要与采煤方法、顶板管理方法、基岩性质以及松散层厚度有关。参数g的计算公式如下：或所述的布置监测点Ai最佳布置位置在走向主断面上。本专利技术的有益效果：通过对模型参数进行研究，明确其物理意义和变化规律，监测点沿线参数c的变化过程：0→cmax→0，参数k的变化过程：1→kmax→k1；在实际开采沉陷预测中极大地提高了预计精度，将预测值与实测相对误差控制在3％以下，同时能完整的反映地表沉陷过程；为开采过程中地表建筑以及土地保护治理方案，提供可靠的预测数据。附图说明图1常村煤矿工作面与铁路位置关系图。图2监测点布置图。图3Weibull时间函数、下沉速度、下沉加速度曲线特征示意图。图4参数c、k取值不同时时间影响函数示意图。图5下沉时间与下沉量关系曲线。图6参数c、k与最大下沉速度关系曲线。图7参数c、k与下沉起始时间关系曲线。图8参数c、k与下沉稳定时间关系曲线。图9参数c、k与下沉持续时间关系曲线。图10参数c和参数k的变化规律示意图。图11下沉实测值与预测值对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。实施例选取影响郭庄铁路专用线运营的回采工作面总共7个(图1)，其中S3-13工作面已回采完毕。常村煤矿S3-13工作面平均采深487m，煤厚5.82m，煤层倾角1°～3°，工作面走向长度1032m，倾向长度228m。上覆基岩主要为泥岩、砂岩以及砂质泥岩，该区属厚冲积层覆盖区，第四纪表土层厚度为48～95.9m，平均厚度达到78m。采煤方法为综采放顶煤，全部垮落法管理顶板。为了掌握工作面开采对铁路的影响状况，郭庄煤矿在S3-13工作面布置了57个监测点，编号分别为1-57，3个控制点，编号分别为k1-k3，监测点布置图如图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于实测数据的Weibull时间函数对地面沉陷影响的方法，其特征在于，包括以下步骤；/n步骤一，布置监测点；/n布置监测点A

【技术特征摘要】
1.一种基于实测数据的Weibull时间函数对地面沉陷影响的方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一，布置监测点；
布置监测点Ai(i＝1，2，3...f)，监测点连线应与工作面推进方向平行或者斜交；
步骤二，以工作面中心点为坐标原点，将现场布置的监测点对应坐标与Weibull时间函数模型结合；
步骤三，通过结合后，在工作面开采过程中，监测点实时传输下沉数据，拟合出每个监测点对应的模型参数，在监测点沿线，参数c应符合0→cmax→0，参数k应符合1→kmax→k1；同时随着开采逐渐推进，参数的最大值也在逐渐往工作面中心点位置推移，并逐渐增大在沉陷达到稳定时将不再变化。


2.根据权利要求1所述的一种基于实测数据的Weibull时间函数对地面沉陷影响的方法，其特征在于，所述的Weibull时间函数模型为：






式中：x，y为监测点对应坐标，m；W(x，y)为监测点的下沉量，mm；t为监测点下沉时间，a；c、k为模型参数，其中c＞0，k＞1；Wm为地表最大下沉值，mm；a，b分别为工作面走向和倾向盆地半长，m；n，g为模型参数。


3.根据权利要求1所述的一种基于实测数据的Weibull时间函数对地面沉陷影响的方法，其特征在于，所述的参数c用于影响下沉起始时间及下沉稳定时间，且都呈负相关；用于体现的是监测点距开切眼的位置、煤层埋深、上覆岩层的厚度及其性质；参数k用于影响下沉起始时间、最大下沉速度、下沉持续时间，对下沉稳定时间的影响相对较小，反映了监测点下沉速度快慢和剧烈程度，与监测点离开切眼的距离、工作面的开采方法和顶板管理方法、上覆基岩和松散层厚度及其性质有关。


4.根据权利要求1所述的一种基于实测数据的Weibull时间函数对地面沉陷影响的方法，其特征在于，所述的地表最大下沉值Wm依据“三下采煤规程”中...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓念东，刘东海，姚婷，邢聪聪，丁一，曹晓凡，崔阳，代育朝，石晖，李宇新，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61