煤矿深层开采地质沉陷灾害信息整合技术.pdf

第35卷第2期 2020年4月 Vo l . 35 No . 2 Apo 2020 灾害学 JOURNALOFCATASTROPHOLOGY 郑海山，周建煤矿深层开采地质沉陷灾害信息整合技术[J] 灾害学，2020, 35 2 22-25. [ ZHENG Ha i sh a n a nd ZHOU Ji a n. Info rma t i o n Int ey ra t i o n Tec h no l o g y o f Geo l o g i c a l Su bsi d enc e Di sa st er i n Deep Mi ni ng[ J]. Jo u rna l o f Ca t a st o ph o l o g y , 2020, 35 2 22-25. d o i 10. 3969/j . i ssn. l OOO-l l X. 2020. 02. 005.] 煤矿深层开采地质沉陷灾害信息整合技术 郑海山乂，周建3 （1.山西大学，山西太原030006； 2.阳泉煤业（集团）有限责任公司，山西阳泉045000； 3.武汉理工大学，湖北武汉430070） 摘要采用当前方法整合煤矿深层开采地质沉陷信息时，整合得到地质沉陷值与实际地质沉陷值之间的误差 较大，存在整合精度低的问题，为此该文提岀煤矿深层开采地质沉陷信息整合技术方法，首先分析煤矿深层开 采的地质沉陷机理，根据分析获取的信息，沿走向对煤矿深层开采工作面进行划分，获得多个开采单元。在此 基础上，通过整合单元动态移动变形值实现煤矿深层开采地质沉陷信息的整合。实验结果表明，整合得到的地 质沉陷值与实际地质沉陷值基本相符，整合绝对百分误差值较小，提高了煤矿深层开采地质沉陷信息整合技术 方法的整合精度。 关键词煤矿；深层开采；地质沉陷；信息整合；整合单元 中图分类号TU433 X43； X915. 5 文献标志码 d o i 10. 3969/j . i ssn. 1000 - 811X. 2020. 02. 005 我国绝大部分的电力是通过煤矿资源获取的， 而且煤矿资源被广泛的应用在化工、建材和冶金 等领域中“T。开采煤矿资源的过程中会出现采空 区塌陷，煤矿深层开采地质沉陷地表岩土体的形 态和位置在开采过程中发生变化，具有危害大、 发生缓慢、不易察觉和历时长等特点，是一种渐 进式的地质灾害⑷。地质沉陷不仅会导致泥石流、 滑坡和崩塌等地质灾害，还会造成地下水位污染 下降、土地资源破坏、交通道路变形、建筑物受 损和地貌景观破坏，对周边和矿区居民的生命安 全和财产安全造成极大的威胁［5］（地质沉陷信息 整合技术是有效避免和预防采空区地质沉陷的手 段，当前地震沉陷信息整合技术方法存在整合精 度低的问题，需要对地质沉陷信息整合技术进行 分析和研究，相关学者在此进行大量研究（ 麻凤海等［6］提出地铁盾构施工引起的地表沉 降研究，基于煤矿深层开采的相关数据将沉降槽 宽度修正系数和地面最大沉降修正系数引入Pec k 理论公式，对修正系数的取值范围进行调整，通 过调整后的Pa c k公式整合地质沉陷信息。严皓 等⑺提出基于地震属性的中深层薄砂层厚度定量 整合，通过谱反演技术对地震沉降信息的分辨率 进行分析，获取地质沉陷的不同属性，构建地质 A 文章编号1000 -811X202002 -0022 -04 沉陷和岩土之间的拟合关系，根据拟合关系实现 地质沉陷信息的预测。 以上两种方法整合得到的地质沉陷信息与实 际地质沉陷信息不符，存在整合精度低的问题, 为了解决上述方法中存在的问题，提出煤矿深层 开采地质沉陷信息整合技术方法（ 1地质沉陷机理影响因素 煤矿深层开采地质沉陷的影响因素主要包括 两个方面，分别是人为因素和自然因素［8］（其中 自然因素包括盆地沉积物的构造、压实沉降、土 地湿陷性压密、盐矿塌陷、岩溶塌陷、有机质土 排水固结；人为因素主要包括地下流体和地下矿 体的开采， 引起煤矿深层开采地质沉降的主要因 素是地下水的开采（ 根据有效应力可知，水的压力p和土骨架应力 o 与水和土在某平面中全部重量对应的总压力 相同 o o p。 （1） 式中e代表的是覆盖层荷载对应的总应力。在含 水层中的应力和压力关系如图1所示。 *收稿日期2019 -11 -30 修回日期2020 - 01 -28 基金项目国家自然科学基金项目（51804006） 第一作者简介郑海山（1964 -）,男，山西泉阳人，高级经济师，研究方向为信息化.E-ma i l zh a ng y u fei -1981163.c o m 通讯作者周建（1967 -）,男，湖北武汉人，博士生导师，教授，研究方向为信息化.E-ma i l 47319770q q .c o m 2期郑海山，等煤矿深层开采地质沉陷灾害信息整合技术 23 图1含水层中的粒间应力 和压力 由图1可知，在A、B两点范围内，含水层中 的粒间的应力值和土骨架应力值的和等于含水层 中全部重量的总应力值。水的压力卩和土骨架应力 o 会随着上覆荷载改变而改变 。 2 式中do表示覆盖层荷载对应的上覆荷载总应力， de表示土骨架上覆荷载应力，dp表示水的上覆荷 载压力。如果只改变水的压力，不改变总应力o 时，存在下式 造成地质沉陷的主要原因之一是过渡抽取地 下水，导致孔隙水之间的压力减少、水层水平面 下降，增加了地基的有效应力“ 2地质沉陷信息整合技术方法 设n代表的是矿区中存在的工作面总数; 7“代表的是第“个工作面对应的开采日期；7 “代表的是第“个工作面对应的停采日期；6“ 代表的是开采速度，整合煤矿深层开采地质沉陷 信息的具体步骤如下。 1 根据拐点在矿区工作面中对应的坐标，对 预计范围进行估计，通过网格划分矿区范围“10。 单元格可以通过两种方法进行划分，分别是周期 来压步距法和有效分割尺寸法，煤矿深层开采地 质沉陷信息整合技术方法采用周期来压步距法划 分单元格 L h JRt/Gq。 4 式中L代表的是周期来压步距；h代表的是顶厚 度；q代表的是上覆岩层对应的均布荷载；Rt代 表的是抗拉强度。 2针对“个工作面，在力时刻开始整合地质 沉陷信息，则力即为开采单元在开采煤矿过程中所 用的采动时间，对力和7以及7“之间的关系进 行判断。当7时，表明该工作面中的煤矿没有 被开采，进行步骤7 ；当7“ t 7 7“ 时，进行下一步；当7 7“时，表明该工 作面中的煤矿已经被开采完毕，进行下一步。 3用工作面的坐标代替矿区坐标，在用单元 格坐标表示工作面坐标。 h 0 c o s Y-Y0 si na ； 、 y -0 si n Y-Y0 c o s t。 式中h、y代表的是工作面坐标系中点对应的坐 标；、Y代表的是在矿区坐标系中工作面坐标系 原点对应的坐标。 当时，参数的计算公式为 t Y1 -Y 6 二 a rc t a n 。 6 当心H时参数的计算公式为 t Y1-0 7 二 a x t a n 。 / 1 0 4 整合计算所有单元格在工作面中对地质沉 陷的影响。沿轴向划分工作面，获得m个开采单 元，上述m个开采单元整合的动态移动变形值即 为工作面中地表动态的移动变形“11-2。假设在开 切眼处对应的开采时刻为0时刻，7代表的是第， 个开采单元在开采过程中对应的回采时间；6代表 的是第i个开采单元对应的回采速度。 设*7代表的是第1个开采单元对应的时间 函数；* t7代表的是第i个开采单元对应的时 间函数，其表达式分别为 * 7 1 -- ； 8 * 7 7 1 -vc 77。 9 式中/表示开采单元对应的任务，，表示开采单 元调度任务的上限值，7表示变量/个开采单元对 应的时间任务量。根据公式8和公式9的计算 结果，获得第1个开采单元和第i个开采单元导致 的动态沉降值 D1 h1，7 D H1 * 7 ； 10 h，7 7 D h *77。 式中H代表的是在独立坐标系中开采单元对应的 坐标。 半无限开采法计算下沉的公式为 DH二导“er f槡 1]。 11 有限开采计算下沉的公式为 D h D H -D H - i f o 12 设工作面在煤矿开采过程中的速度保持不变， 即 61 6 6 或 7 7 7,贝U me 7 即为工作面对应的走向长度。如果不能整分工作 面对应的走向长度时，所有单元格的长度总和即 为工作面对应的走向长度“13-4]。 结合上述公式在整合原理的基础上得到地表 移动走向 主 断面 中 存 在 的 任 一 点 在 工 作 坐 标 系 中 对应的下沉值“15] Dh, 7 *7 “ Dh-Dh--7 ] *力-7 1 “Dh-] 7 -Dh- G 1 6 7 ] Dl h，7。 13 式中WlH，7代表的是走向主断面地表中存在 的任一点对应的动态下沉受不足一个单元部分在 工作面坐标系中开采的影响，其计算公式为 24灾害学35卷 WL H, h pt -mh“ D x-mV1 y-D h］。 14 通过上述过程，获得任意时刻地表任意点在 工作面坐标系中对应下沉值 WH，y, h *h W1H1 ,y *hch1 ; 15 t 2 WH d cWH-WHEh］ Wy -Wy l ］ ； 16 WL h, y, t * t -mt E W x-m1 h -W x-v1 e］ Wy -Wy-l ］ o 17 式中W,H, y代表的是地表任意点由第t个单 元格引起的动态下沉值；Wl h, y, h代表的是不 足一个单元格部分工作面在单元格划分过程中, 引起的寸刻中任一点对应的下沉值；m代表的 是煤层厚度；代表的是煤层倾角；g代表的是下 沉系数；l弋表的是工作面倾向的计算长度。 5通过以下公式整合计算结果，获得地陷下 沉受开采工作面的影响 t 1 -Aec t hop ； 18 qh {0 , hO； 19 1 , topO 式中0h代表的是主时间函数；A代表的是地 表瞬间下沉和动态下沉在经过时间间隔Oo后对应 的比值、代表的是地面受到单元开采的时间；C 代表的是时间影响系数。 ““ 1,当n时，输出地质沉陷信息整 合技术值，其中n代表的是工作面在矿区的总数。 3实验结果与分析 为了验证煤矿深层开采地质沉陷灾害信息整 合技术的整体有效性，在My Ec l i pse8.6软件中对 煤矿深层开采地质沉陷信息整合技术进行测试。 分别采用煤矿深层开采地质沉陷信息整合技术方 法、文献“6 ］方法和文献［7 ］方法整合煤矿深层开 采地质沉陷信息，并将整合结果与实际结果进行 对比，测试结果如图2所示。由图2可知，煤矿深 层开采地质沉降信息整合技术方法的整合结果地 表沉陷值与文献［6 ］方法和文献［7 ］方法整合结果 相比，每一年的整合结果更接近沉陷值。在得到 沉降结果的基础上，为进一步验证其整合效果, 需利用三种方法进行其整合精度验证。 煤矿深层开采地质沉陷信息整合技术方法利 用平均绝对百分误差MAPE对煤矿深层开采地质沉 陷信息整合技术方法、文献［6 ］方法和文献［7 ］方 法的整合精度进行度量，平均绝对百分误差MAPE 的计算公式如下 1 m MAPE 二丄 △力 x 100 。 20 n h 1 式中方表示煤矿深层开采地质沉降信息任务数, m表示地质沉降信息调度任务的上限值，表示 变量-个任务被分配到任务节点的数量。平均绝对 百分误差MAPE越低，表明整合精度越高，煤矿深 层开采地质沉陷信息整合技术方法、文献［6 ］方法 和文献“7 ］方法的平均绝对百分误差MAPE如图3 所示。 3.03.0 2.52.5 2.O 1.5 1.O O.5O 2.O 1.5 1.O O.5O 年份 a 本文方法的整合结果 5 0 5 0 5 5 0 5 0 5 2 2 2 2 L L Q L L Q 2014 2015 2016 2017 2018 年份 b 文献［6］方法的整合结果 2014 2015 2016 2017 2018 年份 c 文献［7］方法的整合结果 图2三种方法的整合结果 8080 2020 o O o O 6 4 6 4 ■本文方法的整合结果 ■文献［6］方法的整合结果 ■文献⑺方法的整合结果 0 1 2 3 4 5 6 迭代次数次 图3三种方法的绝对百分误差对比结果 由图3可知，煤矿深层开采地质沉陷信息整合 技术方法的平均绝对百分误差在多次迭代中均小于 文献［6 ］方法和文献［7 ］方法的平均绝对百分误差, 其原因是煤矿深层开采地质沉陷信息整合技术方法 2期 郑海山，等煤矿深层开采地质沉陷灾害信息整合技术25 在整合煤矿深层开采地质沉陷信息之前分析了地质 沉陷的机理，为整合提供了相关信息。综上所述, 本研究给出的信息整合技术提高了煤矿深层开采地 质沉陷信息整合技术方法的整合精度。 4结束语 我国对煤矿资源的需求随着经济的发展不断 加大，促进了煤矿深层的开采，导致开采地质沉 陷。对地质沉陷信息进行整合，可以有效的避免 地质沉陷。当前地质沉陷信息整合方法存在整合 精度低的问题，提出煤矿深层开采地质沉陷信息 整合技术方法，对地质沉陷机理进行分析，根据 分析获取的信息实现煤矿深层开采地质沉陷信息 的整合，解决了当前方法中存在的问题，实验研 究表明，本文方法整合结果更接近地表沉降值, 其整合绝对百分误差值较小，精度更准确，为煤 矿开采技术的发展奠定了基础。 参考文献 [1] 韦延兰，李文莉，周立新，等.岩溶水文地质环境地质信息管 理系统构建与实现“J]-中国岩溶 2018, 371 146-153- [2] 罗小杰罗程.覆盖型岩溶地面塌陷综合地质预测与危险性 评估“J]-中国岩溶 2016, 351 51-39. 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Ination Integration Technology of Geological Subsidence Disaster in Deep Mining ZHENG Ha i sh a n1,2a nd ZHOU Ji a n3 1. Sh anxX Univer sit y, Taiyu an 030006 , Ch ina; 2. Yangq u an Co al Ind u st r y Gr o u p Co. , LTD, Yangq u an 045000 , Ch ina ； 3. Wu h an Univer sit y q/“ Tec h no l o gy, Wu h an 430070 , Ch ina Abst ra c t Wh en t h e c u rrent met Io d i s u sed Os i nt eo ra t e t a e a eo l o g i c a l su bsi Wenc o i nfo rma t i o n o f d eep mi ni ng i n c o a i mi ne, t h e erro r bet w een t h e i nt eo ra t ed a eo l o g i c a l su bsi d enc o v el u e a nd t h e a c t u a i a eo l o g i c a l su bsi d enc o v eO u e i s t a ra e, a nd t h ere i s a pro bl em o f t o w i nt eo ra t i o n a c c u ra c y . Th erefo re, t h e i nfo rma t i o n i nt eo ra t i o n Wc h no l o o y met h o d o f d eep mi ni ng a eo l o g i c a l su bsi Wenc o i s pu t fo rw a rd, fi rst i y, t h e pa per a na l y zes t h e a eo l o g i c a l su bsi Venc o mec h a ni sm o f d eep mi ni ng, a nd a c c o rd i ng t o t h e o bt a i ned i nfo mi a t i o n, d i v i d es t h e d eep mi ni ng fa c o a l o ng t h e seeo kHeo o bea o n mu i eo pi mo no ng u no es.On eh o sba so s, eh Ho neg ea eo o n o o g Ho i o g o o a i su bso d Hno Ho no o ema eo o n on d HHp mo no ng o sea i o y Hd bso neg ea eo ng eh Hd sna mo o mo eHmHned Ho o ema eo o n ea i u Ho o eh Hu no e.Th HHt pHeo mHnea i esu i essh o w t h a t t h e i nWg ra t ed a eo l o g i c a l su bsi d enc o v el u e o f t h e pro po sed met h o d i s ba si c o l i y c o nsi st ent w i t h t h e a c t u a i a eo l o g t Wo i su bsi Venc o v el u e, a nd t h e i nt eo ra t ed a bso l u t e perc ent erro r v el u e i s sma li, w h i c h i mpro v es t h e i nt eo ra t i o n x c t c u ra c o o f t h e d eep mi ni ng a eo l o g i c el su bsi d enc o i nfo mi a t i o n i nt eo ra t i o n t ec h no l o o y - Key wo rds d eep mi ni ng i n c o a i mi ne ； a eo l o g i c el su bsi d enc o; i nfo mi a t i o n i nt eo ra t i o n ； i nt eo ra t i o n u ni t