一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法技术

本发明专利技术公开了一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法：首先，在获取采用充填工艺回收条带煤柱的煤层赋存参数和充填工艺参数的基础上，确定充填工艺回采条带煤柱时诱发岩层移动及地表沉陷的主要因素来源分为两大部分，其一是条带煤柱充填开采等效采高区域的未充填剩余空间；其二是采矿活动引起两侧采空区上覆岩层的“活化”作用。其次，将两部分沉陷来源基于随机介质理论回归至概率积分法预测模型。最后，利用基于概率积分法预计模型叠加计算整个充填开采活动回收条带煤柱诱发的地表下沉、水平移动、倾斜变形、水平变形和曲率变形。该方法能准确预测采用充填工艺回收条带煤柱引起的地表沉陷，操作简便、易于实现、预测精确。确。确。

【技术实现步骤摘要】
一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法


[0001]本专利技术涉及开采沉陷和绿色开采
，特别涉及一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法。

技术介绍

[0002]条带开采技术通过将开采区域划分成较为规则的条带形状进行隔段开采，使未采出的条带煤柱足以支撑上覆岩层的重量，实现上覆岩层和地表沉陷的有效减沉控制，从而保护采动地表的建(构)筑物、土地资源及生态环境，已成为我国解决“三下一上”压煤开采的有效技术途径，广泛应用于我国各大矿区的开采实践。
[0003]然而条带开采必须留设足够的保护煤柱才能实现上覆岩层和地表沉陷的减沉目的，这就意味着煤炭资源的过度损失和浪费。随着我国绿色开采技术的不断发展和应用，充填开采在控制采空区上覆岩层移动及地表沉陷前提下能够实现煤炭资源的充分释放，在我国部分煤矿实现了“三下一上”压煤和各种保护煤柱、条带煤柱、边角残煤等煤炭资源的充分回收。
[0004]条带煤柱采用充填工艺回收可大大提高煤炭资源的采出率，但由于其两侧条带采空区上覆岩层垮落不充分，充填回采期间易受采动影响再次打破原有条带开采后重新平衡的次生结构，且充填回采结束后充填体代替了原条带煤柱，发生从“顶板
‑
煤柱
‑
底板”的围岩稳定体系向“顶板
‑
充填体
‑
底板”的围岩支撑系统的转变，该过程随之产生的上覆岩层移动及地表沉陷预测问题也成为有待解决的问题，目前没有专门针对充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法。
[0005]为此，本申请设计了一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术为了弥补现有技术中的不足，提供了一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，该专利技术操作简便、易于实现、预测精确，能够准确预测采用充填工艺回收条带煤柱引起的地表沉陷，对条带煤柱资源回收和地面生态环境保护具有现实指导意义。
[0007]本专利技术是通过如下技术方案实现的：
[0008]一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，包括：首先在获取采用充填工艺回收条带煤柱的煤层赋存参数和工艺参数的基础上，确定充填工艺回采条带煤柱时诱发岩层移动及地表沉陷的主要因素来源分为两部分，其一是条带煤柱充填开采等效采高部分未充填的剩余下沉空间，平面范围涵盖条带煤柱区域和两侧采空区各自区域；其二是采矿活动引起两侧采空区上覆岩层的“活化”作用对地表造成的附加下沉空间。其次，将两部分沉陷来源基于随机介质理论回归至概率积分法预测模型。最后，利用基于概率积分模型的地表沉陷预测预报系统叠加计算整个充填活动回收条带煤柱诱发的地表下沉、水平移动、倾斜变形、水平变形和曲率变形。
[0009]具体做法如下：
[0010]根据采矿地质资料获取区域煤层赋存参数和工艺参数：煤层赋存参数包括煤层埋深h、煤层倾角α、开采厚度m、条带煤柱宽度a2和长度b2、两侧采空区尺寸(采厚m1和m2、宽度a1和a3、长度b1和b3)；充填工艺参数包括充填体的充填率η和充填体的压实率η
压
。
[0011]条带煤柱回采前可被视为“孤岛桥墩”，并处于“顶板
‑
煤柱
‑
底板”的围岩稳定体系，采用充填工艺对其回采后，充填体与采空区上覆岩层之间形成了“顶板
‑
充填体
‑
底板”的围岩支撑系统，因充填体的充填率及其可压缩特性，其不能完全替代原条带煤柱“孤岛桥墩”的“顶板
‑
煤柱
‑
底板”的围岩稳定体系。由此可以将充填工艺回收条带煤柱引起的地表沉陷来源分为两部分，其一是条带煤柱充填开采等效采高m
c
后未充填的剩余沉陷空间A，其平面范围涵盖条带煤柱平面区域和两侧采空区各自平面区域；其二是采矿活动引起两侧采空区上覆岩层的“活化”作用，致使上覆岩层直至地表中的离层、裂隙等再次被压密产生的附加下沉空间B。
[0012]对于因条带煤柱“孤岛桥墩”及两侧采空区域抽取等效采高为m
c
的“板”后形成了等效开采空间A＝(a1×
b1+a2×
b2+a3×
b3)
×
m
c
，开采其引起的地表沉陷计算如表达式(1)所示：
[0013]W
A
(x,y)＝W
A左
(x,y)+W
A充
(x,y)+W
A右
(x,y)(1)
[0014]式中，坐标系以左侧采空区左下角为坐标原点，x、y方向分别代表走向方向和倾斜方向；W
A左
(x,y)为左侧采空区平面范围的等效开采空间地表沉陷预计表达式；W
A充
(x,y)为中间充填体平面范围的等效开采空间地表沉陷预计表达式；W
A右
(x,y)为右侧采空区平面范围的等效开采空间地表沉陷预计表达式。
[0015]进一步，条带煤柱和两侧采空区各自平面区域的等效开采空间引起的地表沉陷计算表达式如(2)(3)(4)所示：
[0016][0017][0018][0019]式中，q
c
为充填体等效采高的下沉系数；r、r1、r2为分别代表走向方向、下山方向和上山方向主要影响半径。
[0020]进一步，基于等效采高理论，根据充填体的充填率和压缩性可计算出等效采高如(5)：
[0021]m
c
＝m
×
(1
‑
η)+m
×
η
×
η
压
ꢀꢀ
(5)
[0022]进一步，等效开采空间的下沉系数q
c
依据等效采高理论，应比矿区充分采动条件下垮落法开采实测数据反演的下沉系数q增大5～10％，即q
c
＝(1.05～1.1)
·
q。水平移动系数b
c
、主要影响角正切tanβ
c
、拐点偏移距S
c
、开采影响传播角θ
c
可分别选取为矿区充分采动条件下垮落法开采实测数据反演结果水平移动系数b、主要影响角正切tanβ、拐点偏移距S、开采影响传播角θ。
[0023]对于因充填采矿活动会再次打破条带煤柱“孤岛桥墩”两侧采空区上覆岩层短时间内未完全恢复的应力平衡状态，从而传递到地表产生的附加下沉，可通过极限下沉系数与实际下沉系数带入概率积分法进行计算，表达式(6)(7)包括：
[0024]W
B
(x,y)＝W
B极限
(x,y)
‑
W
B实际
(x,y)
ꢀꢀ
(6)
[0025][0026]式中，W
B极限
(x,y)代表极限状态下地表任意点下沉，q
极
为极限状态下的下沉系数；W
B实际
(x,y)代表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，获取采用充填工艺回收条带煤柱的煤层赋存参数和充填工艺参数，煤层赋存参数包括煤层埋深h、煤层倾角α、开采厚度m、条带煤柱宽度a2和长度b2、两侧采空区尺寸，所述两侧采空区尺寸包括采厚m1和m2、宽度a1和a3、长度b1和b3，充填工艺参数包括充填体的充填率η和充填体的压实率η
压
；S2，确定充填工艺回采条带煤柱诱发岩层移动及地表沉陷的主要因素来源，分为两大部分，其一是条带煤柱充填开采等效采高m
c
后未充填的剩余沉陷空间A，其平面范围涵盖条带煤柱平面区域和两侧采空区各自平面区域；其二是采矿活动引起两侧采空区上覆岩层的“活化”作用，致使上覆岩层直至地表中的离层、裂隙等再次被压密产生的附加下沉空间B。S3，将两部分沉陷来源基于随机介质理论回归至概率积分法预测模型中，其中A部分可简易抽象为条带煤柱“孤岛桥墩”抽取出高度为等效采高m
c
的“板”，则条带煤柱上覆顶板与两侧采空区上覆顶板会同时下沉等效采高的高度，即可得到未充填的剩余下沉空间A；其中B部分的具体空间无法在复杂地层条件中表示，但采空区“活化”引起的地表附加下沉空间可利用极限残余下沉系数带入概率积分法模型进行计算；S4，将两部分沉陷来源A和B等效为地下开采区域，并采用基于概率积分模型的地表沉陷预测预报系统叠加计算出充填工艺回采条带煤柱开采引起的地表下沉W、倾斜变形i、水平移动U、曲率K和水平变形ε。2.根据权利要求1所述的充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，其特征在于：所述S3中，条带煤柱抽象为“孤岛桥墩”作用，充填后可近似抽象为条带煤柱“孤岛桥墩”抽取出高度为等效采高m
c
的“板”，根据充填体的充填率和压缩性可计算出m
c
＝m
×
(1
‑
η)+m
×
η
×
η
压
；因充填体两侧为采空区域，故抽取“板”的平面范围涵盖条带煤柱平面区域和两侧采空区各自平面区域，即可得到等效开采空间A＝(a1×
b1+a2×
b2+a3×
b3)
×
m
c
，对应地表沉陷表达式为W
A
(x,y)＝W
A左
(x,y)+W
A充
(x,y)+W
A右
(x,y)式中，坐标系以左侧采空区左下角为坐标原点，x、y方向分别代表走向方向和倾斜方向；W
A左
(x,y)为左侧采空区平面范围的等效开采空间地表沉陷预计表达式；W
A充
(x,y)为中间充填体平面范围的等效开采空间地表沉陷预计表达式；W
A右
(x,y)为右侧采空区平面范围的等效开采空间地表沉陷预计表达式；各个表达式分别为：各个表达式分别为：
式中，q
c
为充填体等效采高的下沉系数；r、r1、r2为分别代表走向方向、下山方向和上山方向主要影响半径。3.根据权利要求1所述充填工艺回收条带煤柱的地表沉陷预测方法，其特征在于：由于原有两侧采煤导致的破裂...

【专利技术属性】
技术研发人员：华祥，杨向升，王中亮，瞿衡哲，王晓云，李振，庞成辉，陶可，
申请(专利权)人：通用技术集团工程设计有限公司，
类型：发明
国别省市：