充填体未接顶高度计算中参数的敏感性分析.pdf

d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．2 0 9 5 - 1 7 4 4 ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 0 7 充填体未接顶高度计算中参数的敏感性分析 圜王振1 题正义1 邹宝平2 1 ．辽宁工程技术大学矿业学院辽宁阜新 1 2 3 0 0 0 ； 2 ．同济大学地下建筑与工程系上海2 0 0 0 9 2 摘要采用概率积分法计算模型推导出充填体未接顶高度计算公式，分析各参数对计算结果影响的敏感性。分 析结果表明，参数对计算结果影响的敏感度从大到小为主要影响角正切、采深、下沉系数、充填体压缩率、倾角、 采厚。主要影响角正切、采深、下沉系数、充填体压缩率的敏感度远大于倾角和采厚的敏感度。结果可为村庄下似 膏体充填开采可行性分析的参数选取提供参考依据。 关键词充填体；高度计算；参数；敏感性分析 中图分类号T D 8 5 3 ．3 4文献标志码A文章编号2 0 9 5 - 1 7 4 4 2 0 1 3 0 1 ．0 0 3 7 0 3 村庄下压煤很大程度上影响着矿井的生产接续和服 务年限，开采村庄下压煤既要尽最大限度地回采煤炭资源， 也要保证建筑物的安全并发挥正常使用功能。与条带开 采、覆岩离层注浆开采相比，充填法开采控制地表沉陷的 效果最好，煤炭资源的采出率最高”J ，村庄下压煤可以采 用充填法开采。似膏体充填效果的主要影响因素是充填体 未接顶高度和充填体压缩率口】，由于充填体最大压缩率为 3 ％，对充填效果影响相对较小，所以充填体未接顶高度是 地表沉陷控制的关键因素。不同的充填体未接顶高度对应 着不同的地表移动变形值，通过计算充填体未接顶高度可 以进行充填开采方案的可行性分析，确定出合理经济的充 填开采方案。 众所周知，参数的取值与计算结果的偏差有密切的 关系，参数选取不当引起的偏差与计算方法不同引起的 计算结果偏差相比要大得多9 】。目前对预计参数的选取主 要有经验类比法、现场实测法等，地质和采矿参数的选取 主要是平均取值法。现场实测法由于设立地表监测站实 施起来较为困难，参数求取滞后，给预计工作带来诸多不 便。经验类比法是参照本矿区或其他矿区相似地质条件下 已取得的参数，按照地表移动规律的概率积分法的基本 公式进行综合分析而确定Ⅲ，也具有一定的局限性。平均 取值法面对地质采矿条件变化比较大时，偏差也会比较大。 所以，参数的正确选取使计算结果接近实际成为了计算中 最关心的问题，而准确地选取参数，就需要分析参数对计 算结果影响的敏感性。 1 工程概况 西马煤矿位于辽阳市灯塔县西马峰乡。西马峰村建 筑物沿东西方向分布，村庄下压煤范围较大，北至矿井边 界，西至沈大高速公路保护煤柱，南至北一区1 3 0 9 工作面， 东至矿井边界。村庄内建筑物位于北翼充填采区的N - 1 2 0 1 、 N ．1 2 0 2 、N ．1 2 0 3 三个对拉工作面和N - 1 2 1 5 工作面的上方。 经计算，目前村庄下压煤量为1 8 1 ．7 6 万t ，充填开采回收保 护煤柱可延长矿井服务年限8 ．3 年，可以取得显著的经济 效益和社会效益。 村庄下开采煤层为1 2 煤层，煤层埋深为一1 5 0 - 一2 1 0 m ，采厚为2 ．3 3 ．7m ，坚固性系数厂- 0 ．8 ，伪顶为泥岩，直 接顶为粉砂岩，老顶为细砂岩，直接底为粉砂岩，老底 为粗砂岩，煤层为复式背向斜构造，均向南西倾伏，轴向 2 3 0 - 2 5 0 。，煤层倾向为1 8 0 - 3 2 0 。，倾角为5 - 1 7 。，层理、 节理裂隙发育。 2 敏感性分析方法 单因素敏感性分析是指在所有影响因素中取某一特 定的基准参数集的基础上，分别令各因素在其各自的可能 的变化范围内变动，分析充填体未接顶高度相应产生的变 基金项目国家自然科学基金青年科学基金资助项目 5 0 9 0 4 0 3 3 收稿日期2 0 1 2 - 0 8 - 3 0 作者简介王振 1 9 8 2 ． ，男．河南周口市人，硕士研究生， 主要从事”三下”开采及地表沉陷控制等方面的研究。 有色金属工程2 0 1 3 年第1 期3 7 万方数据 n i 瓦同i N O N F E R R O U SM E T A L SE N GI N E E R I N G 化趋势和程度。 敏感性分析的第一步是建立计算模型，即充填体未 接顶高度与因素之间的函数关系式，然后根据要分析的具 体问题选取敏感因素，给出基准参数集。如分析村庄下充 填开采未接顶高度对其计算参数变化的敏感程度，则预 计参数的推荐值和地质与采矿参数的平均值可选取为基 准参数集。确定了基准参数集后，就可进行参数敏感性分 析。分析某一个参数对未接顶高度的影响时，其他各参数 取基准值且保持不变。如果该参数的较小变化，就引起未 接顶高度的较大变化，则未接顶高度对该因素敏感，该参 数为高敏感参数。如果该因素变化较大，而未接顶高度变 化微小，则未接顶高度对该因素不敏感，该因素为低敏感 参数[ 5 - 6 ] o 为对不同性质的参数进行敏感性比较，仿照文献 [ 7 ] 定义敏感度因子如式 1 所示，式中s c 为参数C 的 敏感度；s ‘为基准参数集对应的充填体未接顶高度 m ； 凡 c 。。。， c 。．。分别为计算未接顶高度在因素c 的变化范 围内的最大值和最小值㈤。 s c m a x { [ 慨 c m a x - - s b ／s 3 ，岭一 c 。j 蜘 1 3 计算模型 充填开采后地表移动变形规律与薄煤层垮落法开采 地表移动规律类似，符合随机介质理论，适合于用概率积 分法进行预计。将工作面视为采高为顶板的沉降高度，采 用全部垮落法处理采空区的工作面，顶板的沉降高度等于 充填体未接顶高度加上充填体压缩高度。 西马峰村下充填开采时走向和倾向均达到了充分采 动，地表移动变形值最大值为式 2 所示，式中f 。，K o ，‰ 为地表移动变形允许值，按建筑物破坏等级I 级来确定， f o _ 3 ．0m m ／m ；K o 0 ．2 1 0 1 m ～，s o 2 ．0m m ／m ；b 为水平移 动系数；％。。为最大下沉值，由式 3 计算，r 为主要影响 半径，由式 4 计算彤定义为顶板沉降高度，由式 5 计算。 ‘。， ％。。／r i oI 蚝。； 1 ．5 2 ％。。／r 2 K oI ‰。。 】．5 2 b W m 。；／r e o 2 W m 。。司幻c o s a 3 r H ／t a n f l 4 M S w h 一勒叩 5 将式 3 至式 5 代入式 2 ，解不等式方程组可得式 6 ，则充填体未接顶高度应取该组解的最小值，即式 7 所示。 S 。1 ≥0 ．0 0 3 H ／[ 1 一q q c o s a t a n f l 】一，l h ／ 1 一叩 ； S 。2 ≥0 ．0 0 0 1 3 1 6 』r ／[ 1 一q q c o s a t a n f l 2 ] 一q h ／ 1 一玎 ； ＆≥0 ．0 0 0 1 3 1 6 H ／[ 卜q q b c o s a t a n f l 】- q h ／ 1 一们 6 S w m i n S w l ，S 2 ，S 3 7 对于充填体未接顶高度计算，水平变形和曲率对其 影响相对较小，则充填体未接顶高度计算可以用式 8 计 算，式中 一充填体未接顶高度，m ； 一采厚，m ；g 下 沉系数；岬一充填体压缩率％；月一采深，m ；t a n 产主要 影响角正切；口一煤层倾角， 。 。 O ．0 0 3 H ／[ 1 一q q c o s a t a n f l ] 一z l h ／ 1 一叩 8 4 参数敏感性分析 4 ．1 基准参数集的确定 基准参数集包括预计参数和地质参数及采矿参数。 预计参数中下沉系数和主要影响角正切基准值的确定以 中硬覆岩的预计参数为参考[ 9 q 0 ] 9 结合该矿的岩移参数与 岩移规律得到的。地质参数中采深、采厚和倾角基准值的 确定按其各自变化范围的最大值和最小值平均计算。采矿 参数中充填体压缩率基准值的确定按照试验数据的加权 平均计算。基准参数集与变化范围见表1 ，对应的充填体 未接顶高度为0 ．3 9 9m 。 表1 参数基准值及变化范围 名称采深／m 孵／m 黔蠢鞔下沉系数搿 4 ．2 各参数对未接顶高度的影响 将其他参数不变，分别对采深、采厚、倾角、充填体 压缩率、下沉系数、主要影响角正切对充填体未接顶高度 的影响进行分析，如图1 所示。 图1 a 显示，随着采深Ⅳ的增加，未接顶高度 表现 为线性地增加，采深与未接顶高度的函数关系为式 9 。图 l b 表明，随着采厚h 的增加，未接顶高度 表现为线性 地减小，采厚与未接顶高度的函数关系为式 t o 。从图1 c 可知，随着倾角a 的增加，未接顶高度 表现为非线性地 增加，倾角与未接顶高度的函数关系为式 1 1 。由图l d 可 以看出，随着充填体压缩率，7 的增加，未接顶高度 表现 为线性地减小，充填体与未接顶高度的函数关系为式 1 2 。 如图I C e 所示，随着下沉系数q 的增加，未接顶高度 表 现为接近线性地减小，下沉系数与未接顶高度的函数关系 为式 1 3 。图1 D 则给出了式 1 3 所示的主要影响角正切与 未接顶高度的函数关系。随着主要影响角正切t a n f l 的增加， 未接顶高度乱接近线性地减小。 0 ．0 0 2 4 6 3 H 一0 ．0 4 4 2 9 S w 0 ．4 4 3 3 - 0 ．0 1 5 2 3 h 1 0 S w O ．4 3 5 1 ／c o s a - 0 ．0 4 4 2 1 1 0 ．4 3 6 6 ／ 1 一，7 一2 ．9 r ／／ 1 一叩 1 2 S w 2 0 ．3 1 0 3 ／q 一0 ．0 4 4 2f 1 3 S w 2 0 ．7 9 7 9 ／t a n f l 一0 ．0 4 4 2 1 4 4 ．3 各参数敏感性比较 按照公式 1 给出的敏感度定义，在表1 所示各参数 的变化范围内分别求出其敏感度，如表2 所示。从表2 可 以看出，6 个计算参数中，主要影响角正切对未接顶高度最 敏感，采深次之，然后是下沉系数、压缩率、倾角，最不敏 3 8 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据 g 倒 ．| 嗄 匿 氆 张 蛙 塔 梃 g 划 ．| 哐 匿 辎 张 世 型 粮 暑 型 { 哐 匿 辎 帐 蛙 塔 槭 罢 划 恒 星 地 _ _ 1 ∈ 世 弊 梃 罢 越 1 咂 匿 趟 张 蝰 螂 撇 下沉系数 主要影响角正切 a 采深； b 采厚； c 倾角； d 压缩率； e 下沉系数； D 主要影响角正切 图l 各参数与充填体未接顶高度的关系 感的是采厚，且主要影响角正切、采深、下沉系数和充填 体压缩率相对要比倾角和采厚敏感得多。 表2 各参数对充填体未接顶高度的敏感度 5 结论 1 各参数与充填体未接顶高度关系中，采深与其呈线 性关系增长，倾角与其呈非线性关系增长，采厚和充填体 压缩率与其呈线性关系减小，下沉系数和主要影响角正切 与其呈接近线性关系减小。 2 充填体未接顶高度计算中参数的敏感性从大到小 分别为主要影响角正切、采深、下沉系数、充填体压缩率、 倾角、采厚。因此，计算中，应加强对主要影响正切、下沉 系数、采深参数和充填体压缩率取值方面的重视。 3 由于西马峰村村庄下煤层变化较大，地质条件复 杂，预计参数通过经验类比法选取，而采用单因素敏感性 分析法，没能考虑多种因素的影响。另外，采用充分采动 下的概率积分法计算模型，未能考虑到其他预计类型下 的计算模型，今后有待在这些方面作进一步的研究。 参考文献 [ 1 ] 崔建强，孙恒虎，黄玉诚．基于似膏体充填的建筑物下采煤 新模式[ J ] 矿冶工程，2 0 0 3 ，2 3 5 5 6 ． [ 2 ] 瞿群迪，姚强岭，李学华，等．充填开采控制地表沉陷的关 键因素分析[ J 】采矿与安全工程学报，2 0 1 0 ，2 7 4 4 5 8 4 5 9 ． [ 3 ] 张少宏．黄土边坡稳定计算中参数的敏感性分析[ J ] ．水力与 建筑工程学报，2 0 0 3 ，1 3 4 0 4 1 ． [ 4 ] 侯长祥，冯涛，熊仁钦，等．矿床“三下一上”开采[ M ] ． 北京煤炭工业出版社，2 0 0 1 2 9 3 0 ． [ 5 】侯哲生，李晓．金川二矿某巷道围岩力学参数对变形的敏 感性分析【J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 3 4 0 7 4 0 8 ． [ 6 ] 章光，朱维申．参数敏感性分析与实验方案优化【J ] ．岩土 力学，1 9 9 3 ，1 4 1 5 l 一5 2 ． [ 7 】朱维申，章光．节理岩体参数对围岩破损区影响的敏感性 分析[ J 】地下空间，1 9 9 4 ，1 4 1 1 2 1 3 ． [ 8 】缪协兴，张吉雄，郭广礼．综合机械化固定充填采煤方法与 技术研究[ J ] 煤炭学报，2 0 1 0 ，3 5 1 2 - 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