深部极不充分开采非常规观测站预测参数求取.pdf

第 3 4卷第 6期 2 0 1 5年 1 2月 河南理工大 学学 报 自然科学版 J O U R N A L O F H E N A N P O L Y T E C H N I C U N I V E R S I T Y N A T U R A L S C I E N C E Vo 1 ． 3 4 No ． 6 De C ． 2 01 5 DOI 1 0 ． 1 6 1 8 6 ／ j ． c n k i ． 1 6 7 3 9 7 8 7 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 0 9 深部极不充分开采非常规观测站预测参数求取 李春 意 ， 张 旭 ， 袁德 宝 ， 郭增 长 1 ． 河南理工大学 测绘 与国土信息 T程学 院， 河南 焦作 4 5 4 0 0 0； 2 ． 中国矿业 大学 北京 地球科学 与测绘工程学院 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 为了研究深部极不充分开采地表移动的规律及预测参数的求取方法， 对比分析了煤矿 区 地表移动观测站预测参数识别方法， 基于概率积分法和概率密度函数法 ， 构建 了单向极不充分 开 采非 常规观 测 站 曲面拟 合 函数 模 型 。 以云 驾岭 煤 矿 三 采 区首 采 面 1 2 3 0 3工作 面开 采 为例 ， 采用曲面拟合 法求取 了地表沉陷预测参数 。结果表 明 在非常规观测站布设条件下， 曲面拟合 求参法适合于该类地质采矿条件， 地表下沉率为 0 ． 1 2 ， 走向主要影响角正切值 为 0 ． 5 ， 倾斜下 山方 向主要 影 响 角正切值 为 1 ． 2 ， 走 向左 、 右 拐 点偏移 距 分别 为 0 ． 4 6风 和 O ． 2 ， 而最 大 下沉 点 向 下 山方向偏 移量很 小。这 对 于指 导建 筑物 下安 全开采 和矿 区保 护煤 柱 留设具 有一 定 的参 考价 值 。 关 键 词 深部开采 ； 极不充分开采； 非常规观测站 ； 开采沉陷 中图分 类号 T D 3 2 5 ． 4 文 献标 志码 A 文章 编 号 1 6 7 3 9 7 8 7 2 0 1 5 0 6 ． 0 7 9 7 0 5 Ac q u i s i t i o n f o r p r e d i c t i o n p a r a me t e r s o f u n c o n v e n t i o n a l s u r v e y i n g mo n u me n t u n d e r t h e c o n d i t i o n o f s u p e r s u b c r i t i c a l e x t r a c t i o n i n d e e p mi n i n g L I Ch u n y i 。 ，ZHANG Xu ， YUAN De ba o ， GUO Ze n g z h a n g 1 ． S c h o o l o fS u r v e y i n g a n d L a n d i n g I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ， H e n a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， J i a o z u o 4 5 4 0 0 0， He n a n， C h i n a ； 2 ． C o l l e g e ofG e o s c i ． e n c e a n d S u rv e y i n g En g i n e e r i n g，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g＆T e c h n o l o g y B e ifi n g ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3， C h i n a Ab s t r a c t Fo r r e s e a r c h g r o u n d s u r f a c e mo v e me n t l a w a nd p r e di c t i o n p a r a me t e r s o bt a i n i n g me t h o d u n d e r t h e c o n di t i o n o f s u p e r - s u b c r i t i c a l e x t r a c t i o n i n d e e p mi ni n g，t h e p r e di c t i o n p a r a me t e r s r e c o g n i t i o n me t h o d o f s u r ． f a c e mo v e me n t s u r v e y i n g mo n u me n t wa s a n a l y z e d a n d c o mp a r e d i n c o a l a r e a ．Ba s e d o n a p r o b a b i l i t y i n t e g r a l a nd a p r o b a b i l i t y d e ns i t y f u nc t i o n， t he s u r f a c e fit t i n g f un c t i o n mo d e l s o f s u p e r s u b c r i t i c a l e x t r a c t i o n a l o n g s o me di r e c t i o n s we r e c o n s t r uc t e d f o r un c o n v e n t i o n a l s u r v e y i n g mo n u me n t s ．F o r fi r s t 1 2 3 0 3 p a n e l o f t h r e e mi n． i n g s e c t i o n s i n Y u n j i a l i n g c o l l i e r y e x a m p l e ， s u r f a c e m i n i n g p r e d i c t i o n p a r a me t e r s w e r e d e t e r m i n e d b y me a n s o f s u r f a c e fit t i n g．Th e r e s u l t s o f t h i s r e s e a r c h i n di c a t e t h a t u n d e r t he c o n d i t i o n o f u n c o n v e nt i o n a l s u rve y i ng mo n u．． me n t s l a y o u t t h e me t h o d o f s u r f a c e fit t i n g i s a d a pt e d t o t h e g e o l o g i c a l c o n di t i o n o f a c o a l mi n e ．Mo r e o v e r ，s u r f a c e s u bs i d e n c e f a c t o r i s 0．1 2，ma i n i n fl ue n c e a n g l e t a n g e n t v a l ue i s 0． 5 a n d 1 ． 2 a l o n g s t r i k e a nd d i p h e a d di ． r e c t i o n s e p a r a t e l y ．Fu r t h e r mo r e，i n fle x i o n p o i n t o f f s e t s a l o ne s t r i k e l e f t a n d r i g h t a r e 0． 4 6 Ho a n d 0．2 H0 s e p a ． r a t e l y ． Ho we v e r ，t h e o f f s e t d i s p l a c e me n t o f ma x i mu m s u b s i d e nc e p o i n t i s v e ry l i t t l e a l o n g t he d i p h e a d d i r e c ． t i o n．I t i s o f r e f e r e n c e v a l u e t o g u i d e s e c u r e c o a l mi n i n g u n d e r s t ru c t u r e s a n d s e t t i n g p r o t e c t i v e c o a l p i l l a r i n a c o a l a r e a． 收稿 日期 2 0 1 5 _ 0 6 _ o 4 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 4 1 1 0 1 5 2 0 ； 河南省科 技创新 团队项 目 1 3 I R T S T H N 0 2 9 ； 河南 省科 技攻关 产学研类 项 目 1 3 2 1 0 7 0 0 0 0 2 8 作者简介 李春意 1 9 7 9 一 ， 男 ， 河南周 口人 ， 博士 ， 副教授 ， 主要从 事矿山开采沉 陷与岩层控制方面 的教学和科研工作。 E- ma i l l i c h u n y i h p u ． e d u． c n 7 9 8 河南理工 大学学报 自然科学版 2 0 1 5年第 3 4卷 Ke y wo r ds d e e p mi n i n g；s u p e r s u b c r i t i c a l e x t r a c t i o n；u n c o n v e n t i o n a l s u r v e y i ng mo n u me n t smi n i n g s u b s i d ． ence 0 引 言 随着 煤炭 工业 的快 速 发展 ， 矿 山开 采 深 度 逐 步增 加 ， 国 内矿 井 尤 其是 我 国东 部 矿 区煤 矿 开 采 深度 很 多 已经 达 到 了 5 0 0 m， 有 的甚 至 超 过 了 1 0 0 0 m， 如 山东新 汶孙 村矿 、 开 滦赵 各 庄矿 、 本 溪 彩屯矿等 。从深部煤炭资源储量看 ， 在我 国已 探明煤炭资源储量 中埋深在 6 0 0 m 以下为 4 ． 0 6 1 0 t ， 占煤炭 资源储 量 的 7 3 ％ 。在煤 矿开 采 深度 增加 的 同时 ， 村 庄下 压煤量 迅 速增 大 ， 导致 个 别矿 井 刚投产 就导 致无 煤可采 的尴 尬局 面 。按照 我 国常用 的走 向长 壁开 采 方 法 ， 深 部 开 采 时工 作 面在 倾 向 方 向 容 易 达 到 极 不 充 分 开 采 条 件 。 大量 的实测 资料表 明 ， 极 不充 分开 采条件 下 ， 地表 移动和变形量均较小 ， 从而使不采取任何措施实 现 建筑 群下压 煤 开采成 为可 能 。 极不充分开采条件下岩移参数的准确获取对 于合理确定保护煤柱边界 ， 避免或减轻采动损 害 具 有现 实意 义 。 目前 ， 建 立 地 表移 动 观 测 站 是 获 取岩移参数的有效手段 ， 观测站分为常规观测站 和非常 规观 测站 ， 常规 观 测 站 要求 观 测 站 必 须严 格 位 于下沉 盆地 主 断 面上 ， 否则 即为 非 常 规 观 测站。对于常规观测站地表沉陷预测参数的求取 国 内外 已做 了大 量 的研究 工 作 。事 实 上 ， 在 工 程 现场布设非 常规 观测站 依 据矿 区地形进行 布 设 更 符合 工程 实 际 需要 。笔 者 将 首先 对 比分 析 常用的沉陷预测参数识别方法 ， 然后结合概率积 分法和概率密度函数法构建单 向极不充分开采曲 面拟 合 函数模 型 ， 并 在 邯 矿集 团云 驾 岭煤 矿首 采 工作 面得 到 了应用 。 1 地表移动观测站预测参数识别方法 设 置地 表沉 陷观测 站进 行现 场观 测是 获取地 表沉陷角值参数和预测参数最有效 的手段 ， 开采 沉 陷 预测参 数 的主要 求取 方法 如下 。 1 定义法求参数 。该方法直接根据参数的 物理 意义 ， 根据 实 测 的某 个 点 或 几 个 点 的移 动 变 形值 来 求 取参 数 的方 法 ， 其 优 点 是简 单 、 方 便 、 快 捷 。存在 的问题 根 据 一个 或 几 个 带 有误 差 的监 测点的实测值求出的参数对于所有测点而言并不 一 定合适 。此 外 ， 选 取 关键 点 的位 置 误 差 和测 量 误 差对 于参 数影 响很大 。 2 曲线拟合法求参数。根据现场实测结果 和地质 采 矿条 件 ， 选 取 某 一 种 曲线 拟 合 函数 剖 面函数或影 响函数 根据最小二乘原理 ， 采用概 率论与数理统计的方法来求出拟合 函数模型中参 数 的最 优解 ， 其解 为 n Q ∑[ Y 一 ； 曰 ] mi n ， 1 I 式 中 n为测 点个 数 ； ， Y 为测 点数对 ； 为要 求取的参数矩 阵； Q为实测值与理论值偏差 的平 方 和 。与求参 方 法 一 样 ， 该 方法 要 求 地 表 观测 线 严格位于下沉盆地的主断面上。显然， 在地形起 伏较大 、 回采工作面上方地表有建 构 筑物存在 时这种 条件 并不 易满足 。 3 曲面拟合法求参数。就是把 曲线拟合法 求参进 行拓 展 ， 从 二维 空 间扩展 到三维 空 间 ， 实测 数据 的适应 性大 大 增 强 ， 测 点 可 因地 制 宜 进 行 布 设 ， 且 不易 丢失 或损坏 ， 提 高 了监 测点 的可 靠性 和 稳定性 。无 论 观测 站 布 设 成 网状 、 线 状 或 散 点状 均不影 响求参 ， 而对 观测线 的位置一 般不作 要 求 。对于非常规 布设 的观测站在 参数求取 方 面非 常适 宜 ， 通 过构 建合 适 的曲面拟 合 函数 模 型 ， 能够批量求取多个预测参数。 此外 ， 国内外 学 者针 对 不 同的地 质 采 矿 条 件 还 提 出了其它 参 数识 别 方 法 ， 主要 有 正交 试 验 求 参 、 模矢法求参 和神经网络法求参 等。上 述求参方法丰富了矿山开采沉陷参数求取理论。 2 极不 充分开采地表沉陷 曲面拟合 函数模型构建 笔者 曾对走 向 和倾 向为非充 分 开采或 充分 开 采条件下地表沉 陷预测参 数的求取 问题 进行研 究 。对于极不充分 开采工作 面地表沉 陷预测 参数 求取 分两 种情 况 一 是 工 作 面 走 向 和倾 向均 为极 不充 分开 采 ， 此 为双 向极 不充分 采动 ； 二 是单 向 走 向或倾 向 为 极 不充 分 开采 。对 于前 者 ， 数 学模型构建采用概率密度函数法 ； 对于后者 ， 可采用概率积分法和概率密度函数法相结合的构 模方法。下面针对单 向极不充分开采工作面 倾 向为极 不充 分开 采 建 立相 应 的 曲 面拟 合 函 数模 型 。 按 图 1所示 坐 标 系 ， 坐标 原 点 位 于 开 采 工 作 第 6期 李春意 ， 等 深部极不充分开采非 常规 观测 站预测参 数求取 面左 下角 ， 轴 沿走 向方 向 ， Y轴 与 轴相 互 垂 直 ， 指 向上 山方 向。则走 向主断 面地 表沉 陷拟 合 函数 可表 达为 坐标 原点 位 于采 空 区左 侧边 缘 图 1 极不充分采动 曲面拟合平面坐标系 F i g ． 1 S u r f a c e f i t t i n g p l a n e c o o r d i n a t e s y s t e m u n d e r e x t r e me l y i n c o mp l e t e mi n i n g rf 一 Z r e r a D s ] ， 2 按图 2所示坐标 系， 倾 向主断面地表沉 陷拟合 函 数 可表 示为 图2 极不充分开采倾向主断面拟合坐标系 Fi g ． 2 M a i n c r o s s - s e c t i o n fi t t i n g c o o r d i n a t i o n a l o n e d i p d i r e c t i o n u n d e r e x tre me l y i n c o mp l e t e mi n i n g Y W o p [ 一 ] ， 3 ry 式 中 d 一 c 。 t ； H。 、 H 和 H 。 分 别为 1 下山、 上山和平均开采深度， 且 日 。 日 H 2 ； D。 为倾 向方 向开采 宽度 ； 为煤 层倾 角 ； 0为 最 大下 沉角 ； r 为倾 向方 向主要影 响半 径 ， 当 Y d 1 时 ， 取 r H 1 ／ t a n卢 ， 否 则 r H2 ／ t a n ， t a n 卢 为倾 向方 向主要 影响角正切 ； Wom q c o s ，其 中m为煤层法向采厚 ， q 为地表下沉率 ； D ， 为 走 向开 采 宽 度 ， s 、 s 分 别 为走 向左 、 右 拐 点 偏 移 距 ； r 为 走 向方 向主要 影 响半 径 ， 且 rH e ／ t a n ， 为走 向方 向主要影 响 角 正 切 ， 日 为走 向主 断 面开 采 深度 ， 且 H H o 1一c o t O t a n O L 。 单 向极 不 充 分 开 采 地 表任 意点 拟 合 函数 W ， Y 可表 达为 y 。 4 把式 2 和式 3 带入式 4 可得 D， C O S O ／ 唧 一订 二 ， y [ e s 一e D s ] 。 5 通过 式 5 可一 次求 取 的沉 陷预测 参 数有 q 、 t a n卢、 t a n卢 O ． s 3 和 s 4。 3 实例分析 1 2 3 0 3工作面是邯矿集 团云驾岭煤矿三采区 首采工作面 ， 开采 2号大煤 ， 为矿 区主要可采煤 层 ， 煤层平均厚度 4 ． 2 m， 煤层倾角 1 7 。 ， 工作面运 输巷 平均 采深 5 7 2 m， 回风巷平 均采 深 6 0 0 m。开 采方 式为 走 向长 壁 后 退式 回采 ， 轻 型 支 架 放 顶煤 一 次采全高。工作 面走 向实际开采 长度 7 2 0 m， 倾 向采宽 1 0 0 m， 上 覆岩 层 为粉 砂 岩 、 细砂 岩 和粗 砂岩互层 ， 岩性 中硬 ， 第 四系松散层厚度一般为 9 0～1 5 0 m， 平均 1 2 0 m。 为 了研究 云驾 岭煤 矿三 采 区深部 开采地 表移 动规 律 ， 为后 续村 庄 下 压 煤 开采 和矿 区保 护 煤柱 留设提供基础数据 ， 在首采面回采前布设了地表 移动观测站 ， 工作面与观测站相对位置关系如图 3所示。为了在观测过程 中保证测点稳定 、 牢靠 ， 观测 站沿 铁路 和公 路进 行 布 设 ， 共 布 设 两条 观测 线 一条 沿 着 矿 区 专 用 铁 路 线 布 设 ， 测 点 5 2个 测 点编号 Z 1 - Z 5 2 ， 另一 条沿 着工 作 面上 方 的公 路进 行布 设 ， 测点 5 7个 测 点 编号 U 1 一 U 5 7 。观 测站于 2 0 1 4年 5月 7日进行了第一次观测 ， 2 0 1 5 年 2月 3日进行 了最 后一 次观 测 ， 此 时 ， 距 离 工作 面停采 2 0 1 4年 1 1月 1 9日 7 6天。在工作 面回 采过 程 中严格 按照 煤 矿测 量 规 程 进 行 观测 ， 精 度满 足要 求 。 u型观测 线 动态 下 沉 曲线 如 图 4所 示 ， 走 向 方 向实测 动态 下沉 曲线 如 图 5所示 。 由图 4和 图 5可知 ， 1 2 3 0 3工作面开采后地表下沉量较小 ， 走 向观测 线 实测地 表最 大下 沉 为 2 2 3 m m Z 2 6号 测 点 ， 而工作面采动程度系数 宽深 比 仅为 0 ． 1 7 ， 属于典 型 的极不 充 分开采 。由图 4最后 一次 观测 河南理工大学学报 自然科学版 2 0 1 5年第 3 4卷 图 3 工作面与观测线相对位置示意图 F i g ． 3 Re l i v e p o s i t i o n d i a g r a m b e t we e n p a n e l s an d s u r v e y i n g l i n e s 下沉 曲线 可 以看 出 ， u型 观 测 线 上 山方 向下 沉 盆 地 出现 了 明显 偏态 下沉 现象 。根据 井下 采掘 工程 平 面 图和 回采 时 间 分析 ， 出现 偏 态 下 沉 盆地 的根 本原 因 该观 测线 上 山方 向受 临 近 1 2 1 1 3工 作 面 和 1 2 1 1 1 工作面残余变形的共同影响。因此 ， 在 沉陷预测参数求取时 ， u型观测线上山方 向的观 测数 据舍 去 ， 仅 利 用 下 山 方 向和 走 向观 测线 实测 数据进行联合求参 。显然 ， 由于观测线布设极不 规则 ， 按照一般 的求参方法无法求取沉陷预测参 数 ， 这里采用曲面拟合 函数模 型 式 5 对选定 的观测数据进行三维空间拟合求参 ， 拟合结果如 表 1和 图 6所 示 。 ． 1 O ． 6 0 _1 1 o 。 1 6 0 ． 2l O - 2 6 0 U线测点点号 ． ． ．荨 ． ． 一 一 一 ． ． j ⋯宣 ． ． ． ． ． ． 一 k ＼ 叠‘ 一 ⋯矗， I 一 , - - N-- Z Ul 4一 l l 一 2 -- I I -- 2 01 5 -2 -3 图4 u观测线动态下沉 曲线 Fi g ． 4 Dy n a mi c s u b s i d e n c e t r o u g h s o f s u r v e y i n g l i n e U z线测点点号 图5 走向方向实测动态下沉曲线 Fi g ． 5 Dy n a mi c s u b s i d e n c e c u r v e a l o n e s t r i k e d i r e c t i o n 距回风 图 6 实测数据 曲面拟合结果 Fi g ． 6 Re s u l t o f s u r f a c e fi t t i n g b a s e d o n fie l d s u r v e y i n g d a t u m 表 1 曲面拟合沉 陷预测参数 Ta b． 1 S ub s i d e n c e p r e d i c t i o n pa r ame t e r s o f s ua c e fit t i n g 从预计参数 的可靠性上分 析， 1 2 3 0 3工作 面 于 2 0 1 4年 1 1月 1 9 13 停采 ， 最后一次观测距停采 的 时间 间隔为 7 6天 ， 此 时走 向观 测线 实测地 表 最 大下沉 量 2 3 2 m m， 倾 向观测 线下 山方 向实 测地 表 最大 下沉 量 2 0 8 mm。与 2 0 1 1年 1 1月 2 8 13观 测 工作面已停采 结果相 比， 走向观测线最大下沉 增量 仅 9 m m， 倾 向 观 测 线 最 大 下 沉 增 量 仅 1 6 mm。 即工 作 面 停 采 7 6天 ， 地 表 下 沉 增 量 很 小 ， 同 时也 说 明 ， 上覆 岩 层 岩性 偏 软 ， 工作 面 下 沉 速度较快 ， 因此最后一次观测数据可以作为求参 的依据 ， 表 1中所列参数对于云驾岭矿区村庄下 极不充分开和保护矿柱留设在技术上具有指导意 义 。 由表 1可 知 ， 由于 1 2 3 0 3工 作 面 为极 不 充 分 开采， 走向方向的拐点偏移距较大 ， 从而造成走 向 方 向 的主要 影 响角 正 切 值 较小 。另外 ， 即使 在 煤 层倾 角 为 1 7 。 的条 件 下 ， 由于 地 层 第 四系 松 散 层 厚度较大， 最大下沉角余切值也比较小 ， 倾 向方 向 最大下沉点仅向下 山方 向偏移 6 m， 这符合厚松 散 层条件 下 地表 沉 陷特 征 ’ ” 。 同时 也 说 明 ， 极 不充分开采条件下地表移动变形和参数分布特征 与非充分开采和充分开采存在明显区别。 4 结 论 1 采用 曲 面拟合 方 法对 开 采 沉 陷 预测 参 数 进行 自动识别 ， 使得实测数据 的适应性大大增强 ， 第 6期 李春意 ， 等 深部极不充分 开采非常规观测站预测参数求取8 0 1 提高 了监测点的可靠性和稳定性。同时 ， 对观测 线的形状和位置均不作苛刻要求 ， 无论观测站布 设成线状 、 网状或散点状均不影响求参 。 2 建立了单向极不充分开采地表沉 陷曲面 拟合求参函数 ， 走向方向采用概率积分模型， 倾斜 方 向采用极不充分开采 函数模型 ， 通过该拟合 函 数能一次能求取包括 最大下沉角 在 内的 6个 参 数 。 参考 文献 [ 1 ] 谢 和平 ， 彭苏萍 ， 何满潮． 深部开采基 础理论 与工程 实践 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 刘 义新 ． 厚松散层下深部 开采覆岩破 坏及地 表移动 规 律研 究[ D] ． 北京 中国矿业 大学 北京 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 郭 增长． 建筑物下深部压煤 极不充分 开采技术 及应 用研究 [ D] ． 北京 中国矿业 大学 ， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 何 国清 ， 杨伦 ， 凌赓娣 ， 等． 矿 山开采沉 陷学 [ M] ． 徐 州 中国矿业大学 出版社 ，1 9 9 1 ． [ 5 ] 郭 文兵 ， 柴华 彬． 煤 矿 开采损 害 与保护 [ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ] 李春 意 ， 崔希 民 ， 何 荣 ， 等． 开采沉 陷预计 中三维 空 间曲面拟合参数 的研 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