开采沉陷动态分析方法研究

朱广轶,沈红霞,朱乐君,郭 影,赵 锋

(1.沈阳大学 建筑工程学院,辽宁 沈阳 110044;2.晋江市规划建设与房产管理局,福建 晋江 362200)

开采沉陷动态分析方法研究

朱广轶1,沈红霞1,朱乐君2,郭 影1,赵 锋1

(1.沈阳大学 建筑工程学院,辽宁 沈阳 110044;2.晋江市规划建设与房产管理局,福建 晋江 362200)

以矿区实测数据为例,分析了绘制地表移动变形曲线的理论和方法,采用V B调用Matrix进行程序开发,不仅使软件功能强大,而且程序设计变得简单可靠,界面完善.实现了矿区地表移动变形值的快速求解,从而达到了对地下开采造成的地表移动变形的直观性描述.

地表移动变形;动态预测;理论;程序

地表移动动态预测是在建筑物下进行煤炭开采的重要课题.本文在静态研究成果的基础上,以概率积分原理为基础,通过对开采沉陷数学模型的研究,原始创新,获得地表移动变形动态预测函数.该函数完全避免了 Knothe时间函数一、二阶导数与实际不符的问题.进而,开发出“开采与地表沉陷动态预测系统”.

1 动态地表移动变形的预测理论

软件进行地表移动变形动态预测基于概率积分原理.概率积分法最早用于开采沉陷的静态预测,这是一种基于随机介质理论的分析方法.目前,概率积分法要求的岩移参数是各矿区所具备的.该方法具有精度高、可操作性强的优点,是我国现行规程推行的有效方法[1]86-92.2009年,朱广轶、朱乐君、郭影首次将概率积分方法系统地引入地表移动变形的动态预测[2].

地表移动盆地任意一点的动态下沉用地表沉陷动态坐标-时间_函数公式表示:

动态时间函数一、二阶导数[3]与 Knothe时间函数比较,如表1所示.

由表1可以看出,动态时间函数比 Knothe时间函数更为理想,更实际地反映出地表下沉速度和地表下沉加速度的变化规律.

通过上述地表沉陷动态坐标-时间函数对x的求导,可以获得某时刻t地表移动盆地主断面上各点动态变形:倾斜变形、曲率变形、水平移动、水平变形等的理论预计公式.

表1 时间函数及其一阶、二阶导数的分布曲线

2

预计程序结构

在预计开采沉陷引起的动态移动变形时,概率积分函数的数值分析与曲线绘图过程是十分复杂的.应用VB设用Matrix编程,能够充分发挥Matrix函数库的强大功能,使复杂的数值分析问题得以简化.同时,由于概率积分参数的可操作性,也保证了软件的可推广性.软件设计流程见图1[4].使用时,只要在界面一次性输入必要的岩移参数,软件即可获得动态地表移动变形的数值和曲线图.软件系统中各参数的单位、符号符合我国现行规程要求.有效简化了程序复杂性.这两个软件结合也可使大型工程计算软件的编写过程得以简化.程序设计的流程见图1[4].用户只需简单输入已知参数就可以得到所需要地表移动变形计算结果.设计时应首先设计输入对话框.软件系统中各参数的单位、正负符号符合我国现行规程要求.

图1 地表沉陷动态预测软件运算框图

2.1 控件及对话框设计

图2 程序的用户图形界面

应用VB直接设计输入控件和对话框,建立完整的用户图形界面,如图2.在进行程序设计时,通过String,fontsize等来设定用户输入的数据类型、初始值等,以保证起算数据之正确,避免程序运行过程中发生错误.

模拟每个工作面的开采过程时,接受用户输入数据后,首先验证参数的正确性.

2.2 绘 图

应用Matlab中的figure程序直接绘制图形,并实现计算区域的自动剖分、自动绘制预计点二维图,根据各点的坐标值,显示不同时间移动盆地走向方向各点下沉对曲线w(x,t),或某一点在不同时间的下沉过程曲线.同时,可根据用户需要,输出对应的地表水平移动(U)、倾斜变形(I)、水平变形(ε)、曲率变形(K)的曲线图.各按钮、图例等在界面上均有汉字说明.若出现数据不合理,程序执行自动停止,以消息框显示错误的类型、原因.软件界面如图2.

3 实例验证

3.1 许疃煤矿7126工作面[5]

对淮北矿业集团许疃煤矿7126工作面进行了实例验证,工作面采厚M=2 m,煤层倾角8°,平均采深H0=466 m,工作面推进速度v=2.85 m/d,工作面走向长1 640m,起动距为1/6.6H0,下沉速度系数为3.19;地表移动参数为:q=1.0,b=0.36,tanβ=1.75.

动态预测:许疃煤矿7126工作面平均采深466m,日推进速度为2.85m/d.对Z23点观测站的观测结果进行了模拟计算.图2为程序预测的下沉和下沉速度的曲线.图3、图4为实测下沉和下沉速度曲线.

图3 Z23点下沉量实测曲线

图4 Z23点下沉速度实测曲线

3.2 兴隆庄矿1307工作面[6]

兴隆庄矿1307工作面由东南向西北方向沿伪倾斜方向采用仰斜推进.1307工作面观测数据为:采深363～512m,平均437.5 m.工作面走向长2 814m,倾向长209m,煤层厚度平均8.72m.工作面煤层平缓、倾角为 2°～10°,平均 6°,下沉系数q=0.83,水平移动系数b=0.27,开采影响传播角θ=87°,主要影响角正切tanβ=2.2,拐点偏移距平均为S=0.107 4H.下沉速度实测曲线与预测曲线的对比如图5所示.

图5 下沉速度实测与预计曲线的对比

4 结 论

(1)从概率积分原理入手,获得了地表移动变形动态预测函数.该函数不仅可以比较准确地预测地表动态移动变形,而且该函数所获得的地表下沉速度和下沉加速度曲线是理想的、符合实际的;地表移动变形动态预测函数要求的岩移参数物理意义明确,均为已有参数,直接可对地表移动的过程进行预测,可推广性强.

(2)软件是基于VB调用Matrix编程对采动影响下动态地表移动变形计算方法的研究,它可输出以下主要预计成果;①沉陷盆地主断面任意一点随时间变化的地表移动变形、下沉速度曲线;②在给定时间间隔下的主断面地表诸点各种动态移动变形曲线变化过程图;③地表移动稳定后的静态曲线图[7];④动态地表移动变形分布规律.

(3)以朱广轶为代表的沈阳大学岩土工程灾害防治研究所,运用自己发现的“开采沉陷动态预测坐标-时间函数”开发出“开采与地表沉陷分析的可视化软件系统ZM S7.6”,采用VB调用CAD自动采集数据与绘图,不仅能完善进行地表移动变形的静态三维曲面分析,而且能够准确进行地表移动变形的动态二维曲线分析,解释采动现象,对优选地面建筑物抗变形措施与保护时机、指导开采设计具有实用性,有效性和领先性,已在我国东北三省和关内十余个矿区进行了推广应用,并受到好评.

[1] 何国清,杨伦,凌赓娣,等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1991.

[2] 朱广轶,朱乐君,郭影.地表沉陷动态时间函数研究[J].西安科技大学学报,2009,29(3):329-332.

[3] 崔希民,缪协兴,赵英利,等.论地表移动过程的时间函数[J].煤炭学报,1999,24(5):453-456.

[4] 朱乐君.矿区地表沉陷动态分析的研究[D].沈阳:沈阳大学建筑工程学院,2010.

[5] 张跃,谭志祥,邓喀中.许疃矿地表移动变形规律实测研究[J].矿山测量,2007,4:7-10.

[6] 岳尊彩,谭志祥,于德亮,等.兴隆庄矿综放工作面地表沉陷规律实测研究[J].煤矿开采,2009,5:38-41

[7] 朱广轶,王玮,刘晓群.开采与地表沉陷分析的可视化软件系统[J].煤炭工程,2006(8):99-100.

Dynam ic Analysis Method of M ining Subsidence

ZHU Guangyi1,SHEN Hongxia1,ZHU Lejun2,GUO Ying1,ZHAO Feng1
(1.Schoolof A rchitecture and Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China;2.Planning Construction and Housing Authority in Jinjiang,Jinjiang 362200,China)

Based on the measured data mining,the theory and method of draw ing thecurve of surface movement and deformation are analyzed.The matrix is called by VB in p rogramm ing,w hich makes the software powerful,the programming simple and reliable,and the interface perfect..It was able to ensure the simplicity of p rogramming,had a good interface and effectively simplify the p rogramm ing complexity.It realized fast solution of the value of mining ground deformation to achieve the underground mining of ground deformation caused by the visual description.

surface movement and deformation;dynamic p rediction;theory;p rogram

TD 823

A

1008-9225(2011)05-0001-04

2011-03-18

辽宁省自然科学基金资助项目(201102154);辽宁省教育厅基金资助项目(L 2010379).

朱广轶(1962-),男,辽宁喀左人,沈阳大学教授.

【责任编辑:李 艳】