煤岩开采与地表沉陷的预计程序.pdf

第1 7 g第2 期 2 0 0 5年4月 沈 阳 大 学 学 报 J OURNAL OF S HENYANG UNI VERSI TY Vo 1 ． 1 7， No ． 2 Ap r ． 20 0 5 文章编 号 1 0 0 8 9 2 2 5 2 0 0 5 0 2 0 0 1 5 0 2 煤岩 开采与地表沉陷的预计程序 朱广轶 ，王 1 ．沈阳大学 建筑 工程 学院，辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 4 4 ；2 玮 ，于 莉 沈 阳煤业集团 煤炭销售有限公司，辽 宁 沈 阳 1 1 0 1 2 2 摘 要在阐述应用概率积分法进行煤炭开采与地表沉陷的分析和应用三次样条插值法进行沉陷图形 绘制的理论之基础上， 介绍了煤岩开采与地表沉陷的预计程序的技术特点． 举例说明了该软件最终输出的等 值线图以及地表沉陷成果表． 关键词概率积分； 三次样条插值 ； 地表沉陷； 预计程序 中图分类 号T D 2 2 文献标识码 A 无论是煤矿开采影响范围内建筑 的规划、 设 计 、 维护， 解放建筑物、 道路 、 水体下压煤 ， 均离不 开对开采与地表沉陷的分析 ， 包括井下开采方案 与地表和建筑物移动及变形预计的联合分析 ， 这 是处理矿 区开采损害、 进行环境治理问题 的关键 ． 以随机介质理论为基础的概率积分法是 由波兰学 者 J ． L i t wi n i s z y n引入岩层 移动 的领域 ， 目前 已成 为国内最为成熟的计算方法 ． 经过几 十年 的观测 研究 ， 全国各矿 区均 已具 备了概率积分法所需的 岩层移动参数， 十分便于该软件系统的推广． 在沈 阳、 南票、 抚顺 、 铁法、 七台河、 鹤岗等六个市 的煤 矿区之应用 中， 该软件成功地解决 了许多实际问 题 ． 1 程序的理论依据 应用概率积分法进行井下开采方案与地表及 建筑物移动变形 的联合分析 ． 矩形采场开采后 ， 地 表任意一点下沉的数学模型[ 1 ] W 0 72 ， Y Mr l c o s a n ’1 } I e x p [ 一n x s 一￡ ] ／ r d t d s ． F， 1 式 中， w z， 坐标为 z， Y 的地面点的下沉 值 ； M 煤层开采厚度 ； r ／ 地表下沉系数 ； a煤层倾角 ； F积分 区域 ， 即， 计算面积； S ， t 地下 F区域内开采单元的坐标 ． 其他移动 变形值 水 平移动 U 、 倾斜变 形 ， 、 水平 变形 e 、 曲率变形 K 可由式 1 变换、 求导而得 ． 应用三次样条插值函数 S z 进行地表移动 和变形 的绘 制【 引． 在 区间 [ ， XJ 1 ] ， J0 ， ⋯ ， 一 1 ， 贝 0 S z ，二 一 6 J 坠 MI 6 I J ’ l 仉 [ x一 1 一 x X J 1 ] ． 2 其中， h j 1 一 ， Mo ， M1 ， ⋯， 按 以下 1 个方程组解之 一1 2 1 d ，i 1， ⋯ ， 一 1， 3 2 Mo M16 ／ h 0 f i xo ， X1 ] 一mo ， 4 一1 2 M． 6 ／ h M 一厂[ j ． 5 其中， ， 为与h 有关的常数[ ． 2 编程关键技术的处理 软件分为坐标网格剖分 、 概率积分法预计 、 绘 等值线图三部分． 1 坐标网格剖分 取采场上方 地表预测 区 为矩形． 按一定间距将其内部剖分为若干网格 ， 并 计算各点的坐标值， 同时显示采场位置和形状 ． 2 概率积分法预计 对任意形状的采场 图 1 中的粗实线 的处理方法是 ， 将采场沿煤层倾向按 一 定间隔划分成 个狭长的条带【 ． 然后 ， 把这些 条带近似看成矩形 ． 如此处理后 ， 对于每一个小矩 收稿 日期 2 0 0 4 1 1 2 0 作者简介朱广轶 1 9 6 2 一 ， 男， 辽宁喀左人， 沈阳大学副教授。 硕士． 维普资讯 1 6 沈阳 大学 学报 第 1 7卷 形均可应用式 1 了． 再把 个小矩形的预计值进 行矢量叠加 ， 便实现了对任意形状采场的概率积分 法预计 ． 编程时， 将狭长小矩形的宽度 L作为起算 数据之一 ． 计算时， 可根据实际情况 ， 取小矩形的宽 度为足够小 ． 这样， 预计结果是可靠的． 3 绘等值线 图 经过上述 1 、 2 两步， 剖分 网格点上已经具备了其对应的地表移动变形值 ． 进 行等值线的内插计算时 ， 对于每相邻 的两个网格 点 ， 按式 3 ～式 5 组成 1 个线性方程组 ， 采用 “ 追赶法” [ ] 解得 Mo ， M1 ， ⋯， MN， 再代入式 2 ， 即 可得到所求的三次样条插值函数 S ． 软件各参数 的单位、 正负符号符合我 国现行 建筑物、 水体、 铁路及主要巷道煤柱 留设与压煤 开采规程 之要求 ． 适用于各种开采方案和多个采 场的井上下联合分析 ； 在屏幕上用汉字 自动提示 操作过程 ， 并 自动显示计算点坐标 的 X、 y、 声， 以 便跟踪数据和检验 ； 如果起算数据不合理 ， 程序 自 动停止 ， 并 以消息框提供发生错误的原因； 自动形 成地表各种移动变形值的平面等值线 图文件以及 表格 文件 ． 3 程序的输出结果 程序可输出地表下沉 w 以及沿计算方 向和 垂直于计算方向的水平移动 己 ， 、 倾斜变形 、 水平变形 e 、 曲率变形 K ． 为简明起见 ， 仅例出 地表下沉之平面等值线图 见 图 1 及 1个点的输 出成果表 见表 1 ． 表 1 铁法顾家房 煤矿地 表移动与变形预计成果表 第 1 号点 注 ① 共准备 6个采场 ． 但计 算者选择参与叠加 的采场号为 1 、 2 -, 5 、 6 ． 注意 ． 表巾的[ 叠加值 ] 只含这些采场 ② 计算方向 ≯0． 0 0度 ； ③ 应用软件 沈阳大学朱， 轶 ， 煤炭开采与地表沉 陷的预计程序 ； ④ 计算者 王玮 在图 1和表 1的算例 中， 通过应用本软件对 铁法市顾家房煤矿井上下的联合分析 ， 最终确定 了其村庄下采煤的开采方案 ． 此方案使得开采引 起的地表移动变形值均小于现行 建筑物、 水体 、 铁路及主要巷道煤柱留设 与压煤开采规程 规定 的临界变形值 ． 开采方案已成功地应用于该煤矿 ． 参考文献 [ 1 ] 何 国清 ， 杨伦 ， 凌赓娣 ， 等 ．矿 山开采沉 陷学 [ M] ． 北 京 中 国矿大 出版社 ，1 9 9 1 ． 1 6 61 7 2 ． [ 2 ] 杨凤翔 ． 陆君 良． 数 值分 析 [ M] ．天津 天 津大 学 出版社 ． 1 9 8 5． 9 0 9 3． Ca l c u l a t i ng Pr o g r a m o f Co a l M i ni ng a nd S u r f a c e S u b s i d e nc e Z ， Gu a n g y i ，W NG We i ，yU L 1 ． S c h o o l o f A r c h i t e c t u r a l C i v i l E n g i n e e r i n g ，S h e n y a n g Un i v e r s i t y ，S h e n y a n g 1 1 0 0 4 4 ，C h i n a ；2 ．C o a l S a l e L i mi t e d C o m p a n y ， S h e n y ang C o a l Mi n i n g G r o u p ， S h e n y ang 1 1 0 1 2 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Ex p o u n d s t h e t h e o r i e s o f a p p l y i n g p r o b a b i l i t y i n t e g r a l me t h o d t o a n a l y s i s c o a l mi n i n g a n d s u r f a c e s u bs i d e n c e a nd a p p l y i n g c u bi c s p l i ne i nt e r p o l a t i o n me t h od t o dr a w t he s u bs i d e n c e g r a p h s ． I n t r od u c e s t h e c ha r a c t e r i s t i c s o f t h e c a l c u l a t i n g p r o gr a m o f c o a l mi n i n g a nd s u r f a c e s u bs i de n c e ．I l l us t r a t e s t h e 2 D c on t ou r gr a p h a n d t h e s u rfa c e s u b s i d e n c e r esu l t t a b l e，whi c h are e xpo r t e d b y t he p r o gr am． Ke y wo r d s p r ob a bi l i t y i n t e g r a l ；c u bi c s p l i n e i nt e r p ol a t i on；s u rfa c e s u b s i d e n c e；c a l c u l a t i n g p r o gr am 【 责任编辑张学娅】 维普资讯