深部非充分采动岩移参数反演拟合研究

董杰 尹士献

摘 要：平顶山矿区香山矿目前采用的岩移参数是15年前矿井在回采浅部煤层（采深200～300m）时通过实测获得的。随着回采深度的增加，岩移参数也会发生变化。本文通过香山矿己16-17-24061工作面实测的下沉值，运用反演拟合的方法，拟合出深部煤层非充分采动（采深750m左右）的岩移参数，并与浅部煤层回采岩移参数相比较，得出两者之间的差别，为相似地质条件下深部非充分采动岩移参数的选取提供借鉴。

关键词：岩移参数；反演拟合；误差分析；开采沉陷

中图分类号：TD822 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）22-0078-05

Study on Inversion Fitting of Rock Movement Parameters for

Deep Insufficient Mining

DONG Jie1 YIN Shixian 2

（1.Xiangshan Coal Mining of Pingdingshan Tian'an Coal Industry Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467048；2. Safety Technology Training Institute of Henan Polytechnic University， Jiaozuo Henan 454003）

Abstract： The rock shift parameters used in Xiangshan mine in Pingdingshan mining area are obtained 15 years ago when the mine was measured in the shallow coal seam （200m to 300m）. With the increase of mining depth， the parameters of rock movement will also change. Through the inversion fitting method， the rock shift parameters of the deep coal seam were not fully produced （about 750m in the mining depth） by the inversion fitting method， and the difference between the two in the shallow coal seams was compared with that of the shallow coal seam， which was the deep non sufficient mining rock under the similar geological condition. The selection of moving parameters could be used for reference.

Keywords： rock movement parameters；inversion fitting；error analysis；mining subsidence

1 回采工作面地质概况及回采情况

己16-17-24061回采工作面位于己四采区西翼，东起回风下山，西止于59勘探线西287m处。南部为西翼风井保护煤柱，北部为原生煤体。风巷标高-661.47～-700.66m，平均-697.14m。机巷标高-730.16～-744.05m，平均-737.83m。地面标高+167m。可采走向长796.66m。可采范围内采面最小倾斜长度为178.2m，最大倾斜长度为179.3m。自2016年4月开始回采，2017年3月回采结束。每月回采煤量、回采进度及回采平均厚度见图1。

根据己16-17-24061工作面掘进揭露资料统计，己16-17-24061工作面煤层结构简单，煤层厚度为4.4～6.7m，平均厚度约为5.77m。其中，风巷（有效可采范围内）附近厚度为4.7～6.7m，平均厚度约为5.79m；机巷（有效可采范围内）附近厚度为4.4～6.3m，平均厚度约为5.75m。根据机巷、风巷掘进期间探煤资料计算，该工作面回采范围内己16-17煤层可采指数为1.00（>0.95），变异系数为10.8%（<25%），属于稳定煤层。

2 观测点设置及观测数据

2.1 观测点设置

己16-17-24061工作面緊临郑石高速和碎石路，为设置的观测站提供了便利条件，同时减少了设置观测站的费用。沿郑石高速设置了6个观测点，分别为：2、4、6、8、10和11号观测点；沿碎石路设置了6个观测点，分别为：1、3、5、7、9和11号观测点。地表观测站布置具体见图2。

沿郑石高速的观测线长为486.8m，沿碎石路的观测线长为717.7m。各测点之间的距离见表1和表2。

2.2 两条观测线观测数据

在没有回采之前，于2016年1月20日进行首次基准测量，后又分别于2016年7月28日进行第二次测量，2016年10月30日进行第三次测量，2017年4月30日进行第四次测量，2017年12月18日进行第五次测量。从2016年1月至2017年12月共进行了5次地表观测，历时2年。根据表3各观测点的实测值可以拟合出深部回采时的岩移参数。

3 影响下沉值的岩移参数

3.1 时间、岩性系数c、下沉系数[η]、主要影响角[β]、

实际工程中只测量了下沉值，那么就要根据实测的下沉来拟合岩移参数。拟合时，下沉值按照公式（1）进行计算[1]：

[wx，y，t=wmaxr2Cpe-πx2+y2r2] （1）

[C=1-e-ct] （2）

式中，[wmax]表示最大下沉值，mm；[r]表示地表主要影响半径，m；p表示回采区域，m2；t表示开采至计算的时间，a；c表示采深、岩性系数，c的取值如图3。

考虑时间因素、采深因素和岩性因素，必须按式（1）计算。在拟合中按式（1）计算下沉值，考虑时间因素：最后一次测量的时间为2017年12月18日，此时间节点与每一块段回采时间之差，即为时间t的值；在初次拟合时，时间、岩性系数c取1.0～3.0，把这两个参数代入式（2）中，计算综合岩性系数c，再代入式（1）中计算下沉值，按照这样方法，消除了时间、岩性因素引起的预计误差[2]。

除此之外，还有4种因素影响下沉预计精度。分别为：最大下沉值[wmax]、回采区域p、最大下沉偏移角和主要影响半径r。其中最大下沉值[wmax]的计算公式为：

[wmax=ηmcosα] （3）

式中，[η]表示下沉系数；[m]表示回采厚度，[m]；[α]表示煤层倾角，°；

主要影响半径r的计算公式：

[r=Htanβ] （4）

式中，[H]表示采深，m；[β]表示主要影响角，°；

从式（3）可知，在回采厚度与煤层倾角一定的情况下，最大下沉值的大小只与下沉系数有关；从式（4）可知，在埋深一定的情况下，半径大小只与主要影响角有关。

3.2 拐点偏移距s

拐点偏移距s对预计下沉值的影响可用图4说明。当拐点偏移距为正值时，有效开采区域减小，按照拐点偏移距s的大小，有效开采区域从实际开采边界向采空区偏移，预计时按一区域面积进行计算；拐点偏移距为零时，实际开采区域与预计所采用的面积相同，预计时按二区域面积计算；拐点偏移距为负时，按照拐点偏移距s的大小，有效开采区域从实际开采边界向实体煤一侧偏移，有效开采区域增大，预计时按三区域面积进行计算[2，3]。

3.3 最大下沉偏角[θ0]

最大下沉偏角是指采空区中心与下沉盆地中心在地表投影的连线与水平线在下山方向的夹角。最大下沉偏角对地表下沉盆地有较大影响。在采深相同的情况下，下沉偏移越小，向下山方向偏移的距离越远，反之越近，如图5所示。因此，需要对最大下沉偏移角进行反演拟合[2，4]。

3.4 开采影响传播角[θ]

开采影响传播角的定义为：在倾向主剖面上，最大下沉值一半的点在地表的投影与有效开采边界点的连线与水平线在下山方向的夹角，如图6所示。由此可知，只要求得了拐点偏移距和倾斜主剖面最大下沉值一半的点位，就可以求得开采影响传播角。在工程应用中，只要知道这三者中的任意2个，即可求得另一个岩移参数[2，5]。

4 拟合方法

通过以上分析可知，有4个岩移参数影响下沉预计精度，这4个岩移参数依次为：拐点偏移距s、下沉系数[η]、主要影响角[β]、最大下沉偏移角[θ0]。开采影响传播角是通过倾斜主剖面上的下沉值和拐点偏移距求得。

第一步，拟合拐点偏移距s，其他岩移参数固定不变，按照香山矿给出的岩移参数作为拟合的初始值进行计算。拐点偏移距s逐渐变化，当拟合达到最小误差时，此时的拐点偏移距s即为所求，程序框图如图7所示；第二步，拟合下沉系数[η]，拐点偏移距s采用拟合出的值，其他另外2个岩移参数，采用香山矿给出岩移参数作为拟合的初始值进行计算，逐渐变化下沉系数[η]，当拟合达到最小误差时，此时的下沉系数[η]即为所求；第三步，拟合主要影响角[β]，下沉系数[η]、拐点偏移距s采用拟合出的数值，其他岩移参数采用香山矿给出的数值作为拟合的初始值进行计算，逐渐变化主要影响角[β]，当拟合达到最小误差时，此时的主要影响角[β]即为所求；第四步，拟合最大下沉偏移角[θ0]，其他3个岩移参数采用拟合出的数值，逐渐变化最大下沉偏移角[θ0]，当拟合达到最小误差时，此时的最大下沉偏移角[θ0]即为所求[6]。

以上介绍的为一次完整循环。第一次循环结束后，若精度达不到工程要求，再按照上述方法进行第二次循环，一直循环到达到工程精度要求为止。利用C++语言自主研发的拟合程序进行深部岩移参数拟合。

5.1 岩移参数反演拟合初次赋值

拟合中要用到岩移参数的初次赋值，为了减少循环次数，节省计算时间，初次赋值在香山矿提供的岩移参数基础上，适当上下浮动，作为初次赋值的最大值与最小值。如表4所示，其中主要影响角和拐点偏移距分为上山、下山和走向，三个方向分别赋值拟合。在拟合出了拐点偏移距后，开采影响传播角根据倾向主剖面的下沉形态作图求得[7]。

5.2 反演拟合结果

运用上述循环拟合的方法，拟合出香山矿己16-17-24061工作面回采非充分采动时的岩移参数如表5所示。表5中开采影响传播角是通过上下山拐点偏移距及倾斜主剖面的形态，用作图法求得，限于篇幅在这里不再给出求解过程，只给出求得的结果[8]。

沿碎石路拟合下沉曲线与实测下沉曲线如图8所示。从图8中可以直观地看出，9号观测点和3号观测点误差较小；沿郑石高速擬合下沉曲线与实测下沉曲线如图9所示。从图9中可以直观地看出，11号观测点和10号观测点误差较小。

为了更好地验证拟合的精确程度，需要计算拟合的相对误差和绝对误差。误差计算见表6。从表6中可以看出，9号测点绝对误差及相对误差最小，8号测点绝对误差最大，11号测点相对误差最大。最大绝对误差不超过4mm，最大相对误差不超过26%，拟合精度达到工程要求[9]。

6 结论

由于香山矿在测量中没有测量水平移动值，所以，其他岩移参数无法求得，如水平移动系数等。通过反演拟合求得的深部非充分采动岩移参数与浅部非充分采动相比，一些岩移参数有较大差别，如下沉系数[η]、主要影响角[β]和拐点偏移距s，而另一些岩移参数变化不大，如时间、岩性系数c、最大下沉偏角[θ0]、开采影响传播角[θ]。笔者总结的深部回采与浅部回采岩移参数差别如下，以期为相似地质条件下的工程提供借鉴。

①下沉系数[η]，浅部回采为0.3，深部回采为0.12，那么，若知道浅部非充分采动的下沉系数[η浅]和浅部回采时的采深[H浅]，就可以用式（5）估算采深为[H深]时非充分采动的下沉系数[η深]：

[η深=η浅-H深-H浅×2.93×10-4] （5）

②香山矿只给出了走向主要影响角，未给出上山和下山方向，且拟合出的走向主要影响角正切与浅部非充分采动的主要影响角正切值相差较大，待以后的工程实验证。

③根据拟合的拐点偏移距及采深，可以算出深部非充分采动时拐点偏移距与采深的关系：

[S=0.024～0.049H] （6）

式中，s为深部非充分采动拐点偏移距，m；[H]为回采深度，m。

参考文献：

[1]余学义，张恩强，开采损害学[M].北京：煤炭工业出版社，2004.

[2]尹士献.构造应力场与采动应力场协同作用下覆岩破坏区域研究[D].焦作：河南理工大，2015.

[3]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范[M].北京：煤炭工业出版社，2017.

[4]郝从娜，张子平，田富超.国家地籍数据库的设计及关键技术分析[J].河南理工大学学报（自然科学版），2009（4）：455-458.

[5]宁永香.程庄煤矿2305工作面开采沉陷观测站设计[J].河南科技，2017（2）：94-98.

[6]朱冲朋.煤矿开采沉陷预计方法研究[J].河南科技，2015（9）：71-72.

[7]孟磊，王建坤.高瓦斯特厚煤层采动影响下巷道快速掘进研究[J].陕西煤炭，2012（6）：35-39.

[8]冉小军.试论矿山生产过程中的几种常见环境难题[J].河南科技，2014（7）：165.

[9]尹士献，程志勇，李德海.裂隙带布置高抽巷实现巷道快速掘进[J].河南理工大学学报（自然科学版），2012（5）：512-517.