煤矿开采上覆岩层移动机理

煤矿开采上覆岩移动机理一、传统的预计理论存在的问题经典的预计理论对上覆岩层移动规律都存在这样或那样的假设，也就是说都把实际工业生产中复杂的地质条件进行了一定程度的简化，所以在理论计算和现场实际测量值之间都存在误差，特别是在全盆地地表移动变形预计中更是高达30%以上。传统的预计公式示意图简化的地质条件有以下几种主要影响半径与埋深的关系按线性函数处理；综合岩性系数没有给出定量值；煤层产状按等倾角或分段等倾角来处理；煤厚按等厚或分区域等厚来处理；下沉系数是按照工程类比或经验来取值；综合岩性系数上覆岩层的岩性也是影响预计精度的一个主要因素。经典的预计理论对上覆岩层的岩性用一个综合岩性系数c表示，这样能较为粗略的反映上覆岩层的岩性对地表及覆岩内移动变形的影响，但更应细化一些来全面体现上覆岩层岩性对地表及覆岩内移动变形的影响。比如说，根据不同的岩性组合分析岩性系数c。综合岩性系数煤层产状煤层的赋存形态也是影响预计误差的主要原因之一。传统的预计是“把煤层按等倾角或分段等倾角”来处理，这样会带来理论上的预计误差。采用曲面拟合技术可以消除这种理论上的预计误差。采用曲面拟合方法涉及到拟合精度问题，如何提高拟合精度，这也是研究的问题之一。

煤厚

煤层厚度也是影响预计误差的主要原因之一。传统的预计理论多采用按等厚度或分区域等厚度来处理，这样会带来理论上的预计误差，应按照煤层真实的厚度来计算，这样才能减小预计误差。在特殊情况下煤层厚度变化很大，采用常规的曲面拟合技术很难拟合出真实的煤厚。在我的研究中采用分形插值拟合或三次样条插值法预计煤层的真实厚度。下沉系数下沉系数也是影响地表及覆岩内岩层移动的主要因素之一。现场工业业实践中往往采用经验公式或回采后测量值计算出下沉系数。在实验室中能不能找出一种数学的方法计算出下沉系数？联想到《分形几何》中的均匀三分康托集的分形维数为0.6309，而随机三分康托集的分形维数为0<dimHF<1，工作面回采后上覆岩层随之断裂，形成大小随机的块状岩体，统计块状岩体（相似材料实验）的大小及数量就可以采用随机三康托集的分形维数决定不同岩性组合的下沉系数。研究上覆岩层移动的意义目前，我国对煤矿开采沉陷的基础理论研究和技术经验日趋完善，对特殊采矿地质条件下的覆岩及地表移动规律也有所研究。通过上覆岩层移动理论的研究，可以定量的预计出覆岩裂隙的发育高度，从而为保水开采、瓦斯治理等提供理论依据和技术参数。通过上覆岩层移动理论的研究，可以立体的预计出上覆岩层至地表的移动变形值，为保护地面建筑物和地下构筑物提供重要的数据。二、采用曲面拟合技术减小预计误差在以前的开采沉陷地表移动变形预计方法中，提到采用煤层等倾角或分段等倾角来近似计算地表的移形值，这种方法会带来理论上的预计误差，有时这种误差随着煤层产状的起伏变化会大大增加。1以往预计中存在的问题在以前的开采沉陷地表移动变形预计方法中，提到采用煤层等倾角或分段等倾角来近似计算地表的移形值，这种方法会带来理论上的预计误差，有时这种误差随着煤层产状的起伏变化会大大增加。采用曲面拟合技术会消除这种理论上的预计误差。2曲面拟合理论曲面拟合的方法有多种，常用的方法有分形插值曲面法，最小二乘法等；分形插值法的理论基础是分形几何理论，应用范围为：拟合极不规则的曲面，如山川、建筑、河流线等。最小二乘法的理论基础是传统的高等数学，应用范围为：较规则的曲面，如煤层的向斜曲面、背斜曲面、螺旋线等。曲面拟合的最小二乘法推导最小二乘法曲面拟合的实质就是通过一组数据，找出一多项式来近似反映某一元素在空间中的变化情况。对于一个己知点的数据能列出一个方程，对于多个己知点数据能列出多个方程，这多个方程所组成的为矛盾方程组。曲面拟合就是求这个矛盾方程组的近似解。矛盾方程组矛盾方程组的转化（2）（3）法方程组的导出（4）（5）矛盾方程抗与法方程袖组的矩阵过表示令则矛盾方苍程组(1救)可写为方程(叫2)可哀写为正规方程乌组5可写日为法方程纺组的求迟解方程组薯(5)乘为对称芬正定方奋程组。贵在数值富线性代谢数中，寻求解对喉称正定欣方程组辨最常用稼的方法累有：选凝主元三贫角分解贷法、平绍方根法误、改进筐的平方舰根法、纯分块三队角分解障等。根阴据所讨场论离散焦数据的轧特征，脉选用改炭进的平蓬方根法叉。平方根法扛在求解过口程中要到渣开平方，望这就会带绢来计算误假差，在计扫算结果中俗这种误差婶会被方大反；而改进帐的平方根势法不需要持开平方，茂所以，不盒存在这种榨计算误差献，但是设翅计计算程无序会复杂指很多。3曲面功上任意点番处倾角、誓倾向的求菌取设按照阅最小二昨乘法拟抢合求得晋的曲面悉方程为更：（6）若拟合挂精度达偶不到工蓬程规定渣的要求如，还可级以拟合鸟双三次县多项式唇曲面，鸣在本文芬中仅以这二次曲涨面多项租式为例吊论述，揉其原理较相同。求取倾角空间曲村面的倾投角是点毅位的函便数，给先定点位难的倾角礼是曲面滥上该点惑的法线阁方向与瞧垂直方涝向z之间的验夹角α，对曲面z=f(x,y)，其嫩给定的况点(x0,y0,z0)的切平竟面方程为园：该点的法径线方程为耳：则，倾某角（7）（8）（9）求取倾向曲面z=f(x,y)在点(x0,y0,z0)的切平蛇面方程为饿：则该点的波倾向为：（10芦）（11须）但根据离(11么)式计售算的φ在(-π历/2,π而/2)中纸取值，而愤倾向应在绩(0,2咬π)中取抗值，根据目A、B的霞取值确定舞倾向φ列成表宽1。表1蔽根麻据A、蛾B值倾炮向取值皇一览表ABφ符号φ倾向取值φ所在象限＞0＞0＋3π/2-φ第三象限＞0＜0－π/2-φ第二象限＜0＞0－3π/2-φ第四象限＜0＜0＋π/2-φ第一象限≈0＞0\3π/2\＞0≈0\0\≈0＜0\π/2\＜0≈0\π\开采微历单元的泉偏移距膀及偏移剂方向ABC犁DEF寒（如图示）为回采弄工作面区逢域，开采犬微单元1索在回采区凡域之内，雪开采微单拦元2在回逢采区域之伤外，点G怜为预计点喉，点N为响开采微单盐元的形心肝，他的形洗心坐标为掩(x0,y0)，箭剧头的指鹿向为煤垄层倾向铁。只有漆在回采捕区域之签内的开跟采微单盲元为有递效单元凉，参与昂地表移纺动变形逃预计,赴而在其桐之外的膏为无效思单元，余图1中扣的开采骑微单元代2为无众效开采贞单元。药若开采灰煤层为选水平煤师层，开舱采微单纽奉元1不址存在开充采影响努传播角θ0，因此踢，开采漫微单元显1不偏飘移；若骆开采煤桶层为倾象斜煤层斤必定存奖在一个航开采影填响传播醉角θ0，那么赖，类似蚂于开采亩微单元娃1偏移洞一定距隶离后对莫G点的店影响。态开采影扔响传播歉角θ0与煤层倾遭角的关系工为：开采微单衬元偏移距行计算示意爬图（12猛）式中α—煤层蛙倾角；θ0—开采特影响传族播角；开采微单叔元1的形劫心坐标在矛X方向上劳的偏移距背为dx，置在Y方向压的偏移距浩为dy。奶偏移后的才位置就是胖开采微单绝元1对预尾计点G的患实际影响求距离。偏戴移后的开蠢采微单元那1的形心寨坐标为：（13）式中海H—开透采微单扭元1形恐心N点吼的埋深絮，m；HZ—地面标夹高，m；—开采微工单元1形益心N曲面构方程计算汁值，m；φ—倾向像，度；x0,y0—开采阴微单元遣1的形廊心坐标挪；x,y—开采柱微单元肆1偏移露后的形烧心坐标茄；求出偏移纷距及偏移岸方向后，责就可以取作不同的预百计参数（径下沉系数趟、走向移催动角、上屋山移动角枝、下山移指动角等）驴，以水平扑煤层在极铁坐标系统氧下按照概颠率积分法寻预计各种臣地表移动崖变形值。工开采微单纯元偏移后塑的形心M罚与预计点线G的连线席GM与倾航向MN的血夹角设为枝ξ，移动笋角取值如辩表2示。表2移越动角取值炒一览表夹角ξ[-π/4,π/4][π/4,3π/4]或[5π/4,7π/4][3π/4,5π/4]参数取值上山移动角走向移动角下山移动角4工程苹实例验证某矿煤贝层底板路等线如原图示。犁根据原滩始的煤假层板等勉高线，毛首先，供利用地参理信息拦系统，老采集煤盈层产状行的基础旅信息；折其次，眉运用最愿小二乘留法拟合促出工作变面的曲鹅面方程栽，并验套算拟合各精度；援第三，削把拟合栋出的曲俭面方程蒜的基础奶参数代捆入己设棵计好的粘程序中择，按照凑概率积美分法进凤行计算卡；第四孩，利用叛地理息崭信系统块的后处轨理软件兼做出各誉种剖面输图及平傲面图，向并与实攀测的数陕据进行悄比较。隙为了叙结述方便总，把曲站面拟合扒技术预专计方法巩称为方猪法一，聪把分段气等倾角真预计方睛法称为起方法二批。拟合曲轿线与煤顿层底板汤等高线渐对照图离散数重据的采更集在曲面价拟合中说，拟合幻玉的区域夹越小曲废面的空相间形态骂越简单宪，越容嘴易得到品较为精逮确的空塞间曲面华方程。斩所以，察按照各疯工作面落煤层底些板的空跟间形态击进行拟灵合精度占要远远旦大于按牲整体拟拐合精度胜。因此遇，按照论220丈1、2要203业、22勺05采配集的数肢据分别包拟合出支曲面方阶程。曲面拟饼合结果2201舰曲面方程财：z=-程44.先859监131泪-0.棍044决799营y-0信.87昏613翠2x-咐3.4喝×10-5xy+0莫.000鸽91y2+0.0棋0043施2x22203凳曲面方程驴：z=-1温47.1墨8663积+0.0勾7224债2y-0翅.343挥581x删-6.5地×10-5+0.0底0060瞒6y2-0.嫁000固207吉x22205龟曲面方程悟：z=-指191始.47匠814举9+0控.17性145壶y-0览.16贼785边9x-炮5.0届×10-6+0.捕001固94y2-0.0栋0027角6x2拟合精度妨验证式中脖C—捆拟合精宣度；Zl—地理系猾统上采集痰的高程值倍，m；—曲面户方程计浅算的理括论值，扁m；—理论计商算的均值滚，m；n—采集再的数据个结数；（14需）拟合精度唇验证通常拟斗合精度漂C为6天0%~70%傍时，式岛（6）怎能够揭乎示空间捷趋势。颈根据式少（14探）计算柏220专1工作扎面的煤傅层底板糖曲面方扇程拟合泻精度为枕：89唐.45克%；2冶203破拟合精饭度为：外96.输26%役；22把03拟矛合精度碎为：9捐5.5旺6%。两种预汉计结果荷与实测胶对比根据观投测结果句与两种记预计方号法结果售相比较青，两种柜方法预偏计值较业实测值箩为大，练但曲面江拟合方修法较为嫂真实的持反映了旷煤层的乓真实产仁状，所投以，在扁理论上摘预计值派更接近舒真实值陪。以A城2观测苦线上观回测数据保为例，考下沉值红：方法突一的方起差为1邮692图51.乐1，标昨准方差革为41扒1.4恢；方法写二的方当差为2纳366拾629牛.08冰，标准岂方差为垫532岂9.1类。水平椒移动：劫方法一蚂的方差肺为72杂034贩，标准妙方差为骆268汽.39泪；方法辛二的方鞠差为9汗734把50，瞎标准方斜差为9鼠86.笑6。方吼法一明哪显优于矿方法二提。两种方法睡预计下沉帖值对照图A2观测摇线方向两聪种预计水抗平移动值寨对照图A2观测慢线剖面下根沉观测值销与两种预僵计值对照免图A2观委测线剖严面水平续移动值秒与两种银预计值表对照图5后存在的专问题及触建议曲面拟合举法预计地容表移动变切形，关键缸在于拟合川出的煤层产底板等高野线的精度湖，如果拟圈合精度过脾低，方法青一的预计吹准确性有题可能还小尽于方法二毛的预计精欢度。所以最，首先要诞保证煤层滔底板的拟赚合精度。屡建议如果吨煤层底板是空间形态佳过于复杂桨，通过提地高拟合方民程的次数萝仍不能满择足拟合精千度大于6擦0%的要乌求时，可恰采用分段访等倾角方搜法。在该工戒程实例薄中曲面纪拟合方弯法较分启段等倾宝角方法皆预计准糊确。在同一矿绢区中，如地果有己测削定的开采养影响传播爬角与煤层垫倾角的关劲系，公式匙12可按荐经验公式似在程序中龄设计。三、覆惰岩内移撕动变形插预计在地下博开采中见，需开天掘许多宵构筑物榨（诸如窗煤仓、饺机电硐纽奉室、巷丽道等）钳，这些腹构筑物锤受到开漫采的影仙响，不匙同程度挥的产生寨移动变既形，变鞋形大的啄会影响霸构筑物脱的安全细使用。左在以前楼的工程待中，判京别开采低对岩体凝内硐室朋群的影敲响，构蓬筑物是刚否安全饭，往往绑采用以纷下三种唉方法：写①测应急力法；谢②概率掩积分法列；③数雪值模拟霸法。第村一种方为法由于催测试手恳段、测照量仪器面和复杂月地质条推件的影淹响，误压差较大枪，而且揭所布测纯点有限础，限止翅了该方方法在现或场的使吉用；第凤二种运私用概率坑积分法嘱，借助夫计算机硬，可进筛行大量虫的计算列，但该枪种方法拴只是定型量的给禁出某点拔的变形破值，并猪不能从右力学的留角度给荐出某点剑应变状辱态是否汇己达破嗽坏；第辞三种判庄定法，河大型的早计算软壳件有F举LAC3D、AN远SYS消等，这进种方法涌建模复阀杂，而馆且只能岔在小范垄围精确钳计算，挎不能进睛大范围均开采计捆算。1六个挥应变分量愈的求取在覆岩祖研究区橡域内任痛意一点滨，割取乡丰一个微炒小的平像行六面亚体，它哭的六面淡垂直于柿坐标轴低。根据鼠剪应变性互等定秤理，在瞧六个面贱上存在霜六个独摄立的应能变分量桨：εx、εy、εz、γxy、γxz、γyz。εx、εy应变分量帝求取式中wmax—地表样充分下吩沉盆地定的最大耕下沉值责；m—计算块徐段数目；l—计算开予采任意条仪块的拐点勺数；bi—第i开采段或水平移竹动系数爱。r(z)息—岩体内斗主要影响晌半径；Rk—拐点登处极轴刚长；εx、εy应变分量联求取qk—拐点处极垒坐标的夹因角；s—极坐蔽标半径与以岩体内主鹊要影响半更径的比值执；c—采深扮、岩性毛系数；ti—第i块段开采垫时间；εz变形量的孔求取在以往喷的工程懂实践中舱，按照夫概率积奇分法只慌能精确碰给出下概沉、X订方向和舍Y方向梢的水平屯移动和停变形等过计算公登式，而叹不能精旷确给出εz、γxy、γxz、γyz的数学计侍算公式，旅在这里运怠用四个变害形量的物锹理含意，欣按照差商堤方法求取于四个变形枕分量。按照εz的物理意搞义，可写械成如下计所算公式：所求点裂与周围汉六点空贯间位置垦关系示殖意图γxy、γxz、γyz的求取2主应垄变的求取在物体内上的任意一狐点，一定绢存在三个亿互相垂直野的形变主淡向，它们困所成的三层个直角在控变形之后狐保持为直颤角。沿着才这三个形模变主向的椅正应变称猴为主应变宜。三个主线应变中间掌最大的一玻个，就是党该点的最赏大主应变零，中间的济一个，就龙是该点的蓬中间应变孝，最小的驾一个，就肺是该点的样最小主应束变。三个物主应变ε1、ε2、ε3，是下列框三次方程吴中ε的三个实鼻根：3Druc弄ker-隙Prag蛮er准则援的

应变番表达式Druc今ker-返Prag迈er准则若，即D-伴P准则是劲在C-M羡准则和塑省性力学中趋著名的M树ises描准则基础眨上的扩展晶和推广而累得：式中，△f—应力丈差；为应力芬第一不脱变量；为应力第筑二不变量厌；α，K为代仅与岩折石内摩呈擦角φ和粘结少力c有关的济实验常批数；在岩石朗力学上窝，D蚀-P准米则是按象应力分冲量的形踩式表达主的，而埋以上所同求三个逆应变主揭量为应盗变分量敲，所以李要把D代-P准厨则转化宏为应变虽表达式剪。由弹冒性力学闯知：由式以端上四式闲可把I1，J2转化为贝如下表港达式：式中G借—体积模喜量，GP舒a；利用己求晌出的六个眯应变分量良，计算出εmin、εmid、εmax，进而拒求出I1、J2；试验求幼得岩石的贝内摩擦角艳φ、粘结晚力c、弹扫性模量E狸、泊松比μ，就可以贷求得岩石量材料参数α和K，从而求舱得岩体内沫计算点的晴应力差△f值，若腰△f值小于奖零，岩横体内预将计点不暑被破坏拆；若△f值等于零滴，岩体内抓计算点处刺于临界状智态；若△f值大于零角，岩体内配预计点受简采动影响垂破坏。某矿，回备采220董2工作面裙，工作面摧标高-2换64m～-23愉0m，啦煤仓标犹高-2老30～-188牌m，各巷照道的平面鲁位置见示梯意图3。泛回采22微02工作届面对周巷久道、煤仓割及其周围巴的大型硐条室是否会聚产生影响熄，这里只哲以煤仓为皂例，按照米上述理论敞对煤仓的除稳定性进厉行分析。4工程实微例一煤仓及周太围机电硐旺室平面位寨置示意图H(m)εmin、εmid、εmax曲线图煤仓ε(mm/m)εminεmidεmax煤仓D-并P准则判羊断图H(m)△f（MPa）煤仓应变主量京及D-P卵准则破坏喂判断图某矿吴庄蜘逆断层位胃于矿井田径中部，沿犁耿湾、吴躺庄、南缸领窑、南寨番一线延伸胡，延伸长宰度大于3手.0km询，自东向前西主要经总过16、辞13及1作5采区，筑断层倾向腿330°～10°畅，倾角搏30°～65°，示落差0～95m，润呈西小东稳大。在1丑3采区，免吴庄逆断透层处于东遮南部，是善13采区馆与11采肠区上山的婶分界线。通过钻孔周探查，上皂覆岩层L1-4灰、L5灰含水，提水压0.纤8Mpa塑，想尽可坑能多的回波