急倾斜矿层开采地表移动变形预计_薛丽晨.pdf

急倾斜矿层开采地表移动变形预计 薛丽晨卢浩王远坚徐永梅 1 （山东科技大学测绘科学与工程学院， 山东 青岛 266590） 摘要常用预计方法不适用于急倾斜矿层开采地表下沉预计， 预测结果与实测数据相差较大， 难以符合实 际生产要求。在急倾斜矿层开采地表移动变形预计中一般采用皮尔森Ⅲ型函数， 由于该模型所需的计算参数较多 且求取方法较为复杂， 在实际工作中并未得到广泛应用。采用改进的皮尔森Ⅲ型函数进行急倾斜矿层地表移动变 形预计， 改进后的皮尔森Ⅲ型函数与经典皮尔森Ⅲ型函数具有相同的性质， 参数物理意义明确且方便求解应用。 根据某金矿地表移动观测资料， 采用改进的皮尔森Ⅲ型函数为预计模型， 应用MATLAB软件进行了模拟计算， 预计 了急倾斜金矿层开采引起的地表下沉、 倾斜和曲率， 分析了地表移动变形预计的特点， 为金矿建 （构） 筑物下安全开 采提供了依据， 为实现急倾斜矿层开采地表移动变形精确预计奠定了基础。 关键词开采沉陷急倾斜矿层开采皮尔森Ⅲ型函数地表移动变形预计 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-032-05 DOI10.19614/ki.jsks.201910005 Prediction of the Surface Movement and Deation of Steeply Inclined Ore Seam Mining Xue LichenLu HaoWang YuanjianXu Yongmei2 （College of Surveying and Mapping Science and Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China） AbstractThe commonly-used prediction s are not suitable for the prediction of surface subsidence in steeply in- clined ore seam mining.The prediction results are quite different from the measured data， and it is difficult to satisfy the actual production requirements.Pearson type III function is generally used to predict surface movement and deation in steeply in- clined ore seam mining.Because the model needs more calculation parameters and the is more complex， it has not been widely used in practical work.In order to solve the above problems， the improved Pearson type III function is used to pre- dict the surface movement and deation of steeply inclined seams.The improved Pearson type III function has the same properties as the classical Pearson type III function.The physical meaning of the parameters is clear and the parameters are easily solved and applied. Based on the observation data of surface movement of a gold mine， the improved Pearson type III function is used as the prediction model，and the simulation calculation is carried out by MATLAB.The surface subsidence， inclination and curvature caused by steeply mining of gold mine are predicted.The characteristics of surface movement and de- ation prediction are analyzed， which provide a basis for the safety mining under structures and buildings in a gold mine， furthermore， the improved Pearson type III function provides a basis for the accurate prediction of the surface movement and deation in steeply inclined ore seam mining. KeywordsMining subsidence， Steep inclined ore seam mining，Pearson type III function， Prediction of surface move- ment and deation 收稿日期2019-09-12 作者简介薛丽晨 （1996） ， 女， 硕士研究生。通讯作者徐永梅 （1964） ， 女， 高级实验师。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 地下开采会破坏地层内部原始应力的平衡状 态， 导致岩层与地表移动， 引发地面建 （构） 筑物破 坏 ［1-2］。为实现建筑物下安全开采， 需要对地表移动 变形进行预计研究。国内外关于地下开采地表移动 变形预计的方法有很多， 如概率积分法、 负指数函数 法、 典型曲线法等 ［3］。大量实践证明， 该类预计方法 对于倾角小于55的矿层的地表移动变形具有较高 的预计精度 ［4-6］。相对于缓倾斜矿层， 急倾斜矿层赋 存条件复杂， 开采活动对岩层与地表移动的特殊影 响规律复杂， 导致经典方法的预计结果往往与急倾 32 ChaoXing 斜矿层开采地表移动变形规律不相符。总体上， 急 倾斜矿层开采地表移动变形问题的研究远不及水平 及缓倾斜矿层开采研究深入， 缺少精度较高的预计 模型。 在急倾斜矿层开采地表移动变形预计中一般采 用皮尔森Ⅲ型函数法 ［7-8］， 该方法是一种经验公式计 算方法， 在矿井开采资料充足的条件下， 如果参数选 取得当， 预计结果较为理想。但由于该模型所需的 计算参数较多且求取较为复杂， 在实际工作中并未 得到广泛应用。为此， 本研究采用改进的皮尔森Ⅲ 型函数进行急倾斜矿层地表移动变形预计， 改进后 的皮尔森Ⅲ型函数与经典皮尔森Ⅲ型函数具有相同 的性质， 参数物理意义明确且方便求解应用 ［9］。本 研究采用改进的皮尔森Ⅲ型函数作为预计模型， 以 某金矿地表移动变形预计为实例， 通过MATLAB软 件 ［10］计算下沉、 倾斜变形和曲率变形， 并绘制各种移 动变形曲线， 分析该矿地表移动变形预计的特点， 为 金矿建 （构） 筑物下安全开采提供可靠依据。 1皮尔森Ⅲ型函数法 1. 1基本公式 皮尔森Ⅲ型函数法是急倾斜矿层开采地表移动 变形预计的一种经验公式计算方法， 其坐标系以底 板移动边界为坐标原点、 下山方向为X轴 （图1） 。 下沉量计算公式为 W x a1WmaxZ a2e-a3Z ，（1） 式中，a1,a2,a3为下沉盆地待定系数；Wmaxmqn， 为 最大下沉量， mm；m为矿层法向开采厚度， m；q为下 沉系数；n为倾向方向充分采动系数；Z x La， 为无 量纲坐标；x是以矿层底板方向下沉盆地边缘点为坐 标原点的横坐标， m；LaH1cotλ0cotβ0 m sinα， 为下沉盆地倾向剖面全长， m；H1为回采区段下山边 界采深， m；β0,λ0分别为矿层顶板和底板方向边界 角， 按下沉10 mm为标准确定， （） ；α为矿层倾角， （） 。 主断面倾斜变形i x 和曲率变形K x 可进行如下 计算 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ i x a1Z a2e-a3Z a2Z-a3 K x a1Z a2e ■ ■ ■■ ■ ■ ■■ a22-a2 Z2 - 2a2a3 Z a32 .（2） 1. 2改进的皮尔森Ⅲ型函数 要对一个新采区进行地表移动变形预计， 首先 需要确定参数a1,a2,a3取值。但参数a1,a2,a3的意义 不明确， 且求取过程比较复杂。为减少参数个数， 简 化计算过程， 根据文献 ［9］ ， 对皮尔森Ⅲ型函数进行 如下改进 首先将下沉公式简化为无因次曲线， 即 W x W x Wmaxa1Z a2e-a3Z ，（3） 对上式进行求导并令导数等于0， 得到最大下沉点的 横坐标为 Z a2a3，（4） 将式 （4） 代入式 （3） ， 由于式 （3） 是无因次曲线， 所以 最大下沉值应为1， 可得 a1 a2a3 a2e-a 2 1.（5） 从式 （5） 可以看出参数a1,a2,a3并不独立。为使 参 数a1,a2,a3独 立 且 具 有 明 确 的 物 理 意 义 ， 令 b a2a3，aa2， 代入式 （3） 并考虑式 （5） 可得 W x Z b ae1- Z b a ，（6） 则有 W x WmaxZ b ae1- Z b a ，（7） 式中， 参数a,b可进行如下计算 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ b H0cotθH0Lasinα cotλ0-Lacosα m sinα H0Lasinαcotλ0cotβ0 m sinα a ln 10 Wmaxln■ ■ ■ ■ e 1-1 b b ， （8） 式中，H0为平均采深， m；θ为最大下沉角，（） 。 可见， 参数a,b完全可以取代参数a1,a2,a3的作 用， 因而同样可以用于描述急倾斜矿层开采影响下 的地表移动变形规律。改进后的皮尔森Ⅲ型函数待 定参数减少了， 且各参数都具有明确的物理意义。a 反映了下沉盆地的陡缓程度， 主要与采区大小、 开采 厚度和顶板管理方法有关；b反映了下沉盆地的非对 称程度， 主要与矿层倾角和覆岩性质有关 ［11-12］。利用 老采区的观测结果即可确定参数a,b的值。本研究 利用改进的皮尔森Ⅲ型函数进行地表移动变形预 2019年第10期薛丽晨等 急倾斜矿层开采地表移动变形预计 33 ChaoXing 计， 改进后的皮尔森Ⅲ型函数可进行如下描述。 下沉量计算公式为 W x WmaxZ b ae 1- Z b a .（9） 变形量可进行如下计算 ■ ■ ■ ■■ ■■ i x aZ b a-1ea1- Z b 1 b- Z b2 K x aZ b a-1ea1- Z b■ ■ ■ ■ ■ ■ aZ b3 a-1 Zb - 2a b2 .（10） 2实例分析 2. 1矿区概况 某金矿开采急倾斜矿层， 矿区地层及水文地质 条件较简单， 上覆岩层为坚硬岩层， 矿层倾角63， 采厚5 m， 采区倾向长119 m。上边界采深254 m， 下 边界采深360 m。通过分析该矿地表移动观测站资 料， 并考虑到倾向方向的充分采动程度， 取下沉系数 为0.2。顶板方向边界角β048， 底板方向边界角λ0 54。根据矿区其他工作面实测资料， 由式 （8） 可以 求得 b0.33， a5.39。开采区域与地面建筑物分布 如图2所示。 2. 2地表移动变形预计及分析 地表移动变形预计是矿山开采研究领域的重要 内容［13-14］。在该矿区中， 建筑物 1 （配电室） 、 2 （仓 库） 、 3 （车间） 均为砖石结构， 且变形缝区段小于20 m。根据2017年5月国家安全生产监督管理总局、 国家煤矿安监局、 国家能源局与国家铁路局联合印 发的 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与压 煤开采规范 规定 ［15］， 对于长度或者变形缝区段小于 20 m的砖混结构房屋， Ⅰ级和Ⅱ级破坏 （保护） 等级 划分标准如表1所示。 该金矿地下开采要求地表以砖混结构为主的建 筑物不发生任何破坏， 按照砖混结构保护等级要求， 应达到Ⅰ级破坏 （保护） 等级。应用MATLAB软件预 计的倾向主断面地表下沉曲线、 倾斜变形曲线和曲 率变形曲线分别如图3、 图4和图5所示。 通过收集、 分析和整理矿区资料并结合图3、 图4 和图5， 对该金矿开采引起的地表移动变形基本规律 进行如下分析 （1） 由图 3 可知 下沉盆地明显为非对称性形 态 ［17-18］， 最大下沉点所在位置并非位于采空区中心， 而是偏向上山方向， 下山方向的破坏范围远大于上 山方向的破坏范围。 （2） 倾斜变形和曲率变形的大小和分布情况影 响并控制着地表岩移的破坏程度和范围。由于急倾 斜矿层倾角较大， 覆岩在移动形式上有法向弯曲、 沿 层面的剪切移动和岩石下滑， 该类移动引起浅部岩 层变形， 近地表水平岩层也随之产生变形结构， 继而 金属矿山2019年第10期总第520期 34 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ 同时影响地表的移动变形 ［19-20］。如图4、 图5所示， 倾 斜变形曲线和曲率变形曲线的非对称性同样十分明 显。倾斜变形值和曲率变形值越大的区域， 覆岩受 到的采动影响越大， 破坏范围越大， 破坏程度也越严 重。 综合分析图3、 图4和图5可知 受矿层开采影 响， 急倾斜金矿层开采地表下沉盆地偏向上山方向， 呈非对称分布， 上山方向岩层破坏范围和程度远大 于下山方向。由上述预计结果分析可知， 矿区开采 最大下沉值为521.00 mm， 最大倾斜值为5.33 mm/m， 最大曲率值为0.09 mm/m2。其中， 最大曲率值为混 砖结构Ⅰ级破坏 （保护） 等级， 最大倾斜值为混砖结 构Ⅱ级破坏 （保护） 等级。 建筑物地表移动变形预计结果如表2所示。 3结论 （1） 在参数选取正确的情况下， 应用改进的皮尔 森Ⅲ型函数可以对急倾斜矿层开采沉陷进行有效预 计。改进的皮尔森Ⅲ型函数参数较少且容易确定， 使用比较方便， 为急倾斜矿层开采地表移动变形预 计方法的实用化奠定了基础。 （2） 该金矿地下开采要求地表以砖混结构为主 的建筑物达到Ⅰ级破坏 （保护） 等级。但该开采区域 的砖混结构仅能达到Ⅱ级破坏 （保护） 等级， 若不采 取妥善的保护措施， 建筑物将会出现砖墙、 钢筋混凝 土梁和砖柱裂缝， 梁端抽出， 门窗歪斜等情况。 （3） 为保障矿区生产安全， 确保建筑物正常使 用， 避免出现突发塌陷等问题， 在金矿开采时需要采 取一定的保护措施， 如采用圈梁、 拉杆、 打桩等保护 建筑物 ［21-23］， 同时还可以进行充填处理或改变开采工 艺， 减少地表移动变形。 参 考 文 献 邓喀中， 谭志祥， 姜岩， 等.变形监测及沉陷工程学 ［M］ .徐州 中国矿业大学出版社， 2014. 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