概率積分法在下花園玉帶山煤礦老采空區(qū)地表變形預測中的應用

宮鳳梧　王宏偉

（河北省地礦局第三地質(zhì)大隊，河北張家口　075000）

概率積分法在下花園玉帶山煤礦老采空區(qū)地表變形預測中的應用

宮鳳梧王宏偉

（河北省地礦局第三地質(zhì)大隊，河北張家口075000）

我國在煤礦采空區(qū)地表變形預測方面積累了豐富的經(jīng)驗，并形成了較為成熟的預測方法，常用的預計方法主要有負指函數(shù)法、典型曲線法概率積分法、和數(shù)值法等，其中基于隨機介質(zhì)理論數(shù)學模型的概率積分法應用最為廣泛、也最為成熟。本文采用概率積分法預計模型對下花園玉帶山煤礦向斜翼部地段進行了地表變形預測，對玉帶山工業(yè)園區(qū)的生產(chǎn)建設有重要的借鑒意義。

概率積分法地表變形主要影響角

1　引言

下花園煤礦是河北省煤礦采空區(qū)最發(fā)育的區(qū)域之一，也是河北省資源枯竭城市向現(xiàn)代化工業(yè)城市轉(zhuǎn)型的典型代表，故對下花園煤礦老采空區(qū)進行地表移動進行預測和研究是一項極為重要的課題。概率積分法基于隨機介質(zhì)理論數(shù)學模型，適用于緩傾斜開采煤層，故在下花園煤礦局部范圍內(nèi)采用概率積分法進行地表移動研究是較為合適的。

2　概率積分法預計模型

2.1概率積分法預計模型的理論假定［1］

概率積分法將采空區(qū)上覆巖土層看成不連續(xù)的散體介質(zhì)。該理論成立的基本假定條件為：

（1）假定巖體是均質(zhì)的、各項同性、不連續(xù)的散體介質(zhì)。（2）承認線性疊加原理。

（3）彎曲帶內(nèi)巖體只發(fā)生形變而不產(chǎn)生體積變化。

2.2概率積分法預計模型的公式推導

概率積分法把煤層分為若干個質(zhì)點，先計算每個質(zhì)點對地表變形的影響，接著把所有質(zhì)點對地表變形值進行累加，累加后的值就是地表變形值。概率積分法理論認為單元開采引起的地表下沉為正態(tài)分布，符合概率密度函數(shù)［2］。公式推導過程如下：

設單一工作面開采引起的地表任意點的下沉、沿j方向的傾斜、曲率、水平移動、水平變形分別用W、ij、Kj、Uj、εj表示，其計算公式為：

式中：

Wmax ——充分采動時的最大下沉值；

m——煤層采厚；

α——煤層傾角；

A——引起地表移動變形的有效開采面積，即考慮拐點偏移距后的計算面積；

b——水平移動系數(shù)；

θ——影響傳播角；

K——影響傳播系數(shù)；

Hs——積分變量s處的采深（不隨t變化）；

x，y——地表點在工作面局部坐標系中的坐標，x指向上山方向，y平行于走向方向，由x軸順時針轉(zhuǎn)90°得到；

s，t——分別是沿上山方向和走向方向的積分變量；

Ost——坐標系的原點，和Oxy坐標系的原點重疊；

ψ——x與j方向的夾角。

對于多個工作面（N個）引起地表點的移動變形是各工作面影響值的代數(shù)和，公式為：

W（x，y）=ΣWi（x，y）

Ij（x，y）=Σ（ixcosψ+iysinψ）

Uj（x，y）=Σ（Uxcosψ+Uysinψ）

Kj（x，y）=Σ（Kxcos2ψ+Kysin2ψ+sxycosψsinψ）

εj（x，y）=Σ（εxcos2ψ+εysin2ψ+γxycosψsinψ）

式中：Wi——第i個工作面開采引起的地表點下沉值；

ix、iy、Kx、Ky、Ux、Uy、εx、εy、——分別是第i個工作面開采引起的地表點沿傾斜方向和走向方向的移動變形值；

ψ——第i個工作面從上山方向到j方向的夾角。

地表最大沉陷變形值計算公式：

最大下沉值Wmax=q1mcosα

最大傾斜值imax= Wmax/r

最大曲率變形值kmax=±1.52 Wmax/r2

最大水平移動值Umax = bWmax

最大水平變形值εmax=±1.52 bWmax/r

式中：r=H/tgβ，H為采深。q1——地表殘余下沉系數(shù)。

3　應用實例

3.1下花園煤礦概述

該煤礦為向斜構(gòu)造，走向長5km，傾向?qū)?km。下花園煤礦遠在明朝時期就有記載，由于古代開采設備和運輸設備等條件有限，當時只能在地表淺部開采。二十世紀六十年代至七十年代，該煤礦處于規(guī)模開采期，進入二十世紀八十年代，玉帶山礦也步入了晚期，主要是在舊采區(qū)內(nèi)進行復采。2001年10月底破產(chǎn)清算程序終結(jié)后，下花園煤礦區(qū)底部為成片、多層采空區(qū)。

下花園煤礦玉帶山礦井田范圍西起涿鹿胡莊煤礦邊界，東至下花園發(fā)電廠保護煤柱，北起洋河煤柱（+420水平），南至Ⅲ組煤層露頭，面積15km2。井田內(nèi)共有三組可開采煤層，Ⅰ組煤層平均采厚3.39m，Ⅱ組煤層平均采厚1.7m，Ⅲ組煤層平均采厚5.51，累計開采總厚度1.6-10.59m，玉帶山向斜北翼煤層傾向為135-180°，傾角為18-70°，玉帶山向斜南翼煤層傾向為315-10°，傾角22-65°。玉帶山向斜軸部煤層為急傾斜煤層，翼部為緩傾斜煤層。礦井開拓方式為3.2參數(shù)選取

斜井、暗斜井多水平石門開拓。采煤方式為走向長壁、巷道長壁、落垛采煤法，全部塌落法管理頂板。玉帶山向斜翼部為緩傾斜煤層，實用于概率積分法進行變形預測。

概率積分法中所涉及的主要預計參數(shù)有5個［3］，即下沉系數(shù)（q）、水平移動系數(shù)（b）、主要影響角正切（tanβ）、開采影響傳播角（θ）、拐點偏移距（s1、s2、s3、s4）。參數(shù)選取受影響的因素較多、也較為復雜。本次參數(shù)選取主要利用玉帶山礦區(qū)地表移動觀測站數(shù)據(jù)通過最小二乘法曲線擬合確定。

本次預計參數(shù)選取如下：

下沉系數(shù)：q=0.12；

水平移動系數(shù)：b=0.35；

開采影響傳播系數(shù)：K=0.67；

主要影響角正切：tgβ下山=1.6，tgβ上山=1.8；

拐點偏移系數(shù)：s=0.12H；

3.3預計結(jié)果

經(jīng)過大量數(shù)據(jù)計算與疊加得到地表變形參數(shù)：地表最大殘余下沉402.3mm；最大地表傾斜值為6.01mm/m；最大地表水平變形為3.02mm/m。

4　結(jié)語

概率積分法在我國應用已經(jīng)很成熟，由于其數(shù)學模型相對較簡單，故可利用計算機軟件快速實現(xiàn)預計，預計參數(shù)來源于實測資料，故預計結(jié)果可靠度、精度也較高。但概率積分法基于巖層隨機介質(zhì)理論不適用于偏態(tài)下沉盆地和急傾斜煤層。故概率積分法對于玉帶山向斜軸部區(qū)域地表變形預測適用性差。

［1］劉寶琛，等主編.煤礦地表移動的基本規(guī)律［M］.北京：中國工業(yè)出版社，1965.

［2］金連生，等編.建筑物、水體、鐵路及主要并巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程［S］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

［3］常士驃，等主編.工程地質(zhì)手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.