開(kāi)采沉陷動(dòng)態(tài)分析方法研究

朱廣軼,沈紅霞,朱樂(lè)君,郭 影,趙 鋒

(1.沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110044;2.晉江市規(guī)劃建設(shè)與房產(chǎn)管理局,福建 晉江 362200)

開(kāi)采沉陷動(dòng)態(tài)分析方法研究

朱廣軼1,沈紅霞1,朱樂(lè)君2,郭 影1,趙 鋒1

(1.沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110044;2.晉江市規(guī)劃建設(shè)與房產(chǎn)管理局,福建 晉江 362200)

以礦區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例,分析了繪制地表移動(dòng)變形曲線的理論和方法,采用V B調(diào)用Matrix進(jìn)行程序開(kāi)發(fā),不僅使軟件功能強(qiáng)大,而且程序設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單可靠,界面完善.實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)地表移動(dòng)變形值的快速求解,從而達(dá)到了對(duì)地下開(kāi)采造成的地表移動(dòng)變形的直觀性描述.

地表移動(dòng)變形;動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè);理論;程序

地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)是在建筑物下進(jìn)行煤炭開(kāi)采的重要課題.本文在靜態(tài)研究成果的基礎(chǔ)上,以概率積分原理為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)開(kāi)采沉陷數(shù)學(xué)模型的研究,原始創(chuàng)新,獲得地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)函數(shù).該函數(shù)完全避免了 Knothe時(shí)間函數(shù)一、二階導(dǎo)數(shù)與實(shí)際不符的問(wèn)題.進(jìn)而,開(kāi)發(fā)出“開(kāi)采與地表沉陷動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)系統(tǒng)”.

1 動(dòng)態(tài)地表移動(dòng)變形的預(yù)測(cè)理論

軟件進(jìn)行地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)基于概率積分原理.概率積分法最早用于開(kāi)采沉陷的靜態(tài)預(yù)測(cè),這是一種基于隨機(jī)介質(zhì)理論的分析方法.目前,概率積分法要求的巖移參數(shù)是各礦區(qū)所具備的.該方法具有精度高、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),是我國(guó)現(xiàn)行規(guī)程推行的有效方法[1]86-92.2009年,朱廣軼、朱樂(lè)君、郭影首次將概率積分方法系統(tǒng)地引入地表移動(dòng)變形的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)[2].

地表移動(dòng)盆地任意一點(diǎn)的動(dòng)態(tài)下沉用地表沉陷動(dòng)態(tài)坐標(biāo)-時(shí)間_函數(shù)公式表示:

動(dòng)態(tài)時(shí)間函數(shù)一、二階導(dǎo)數(shù)[3]與 Knothe時(shí)間函數(shù)比較,如表1所示.

由表1可以看出,動(dòng)態(tài)時(shí)間函數(shù)比 Knothe時(shí)間函數(shù)更為理想,更實(shí)際地反映出地表下沉速度和地表下沉加速度的變化規(guī)律.

通過(guò)上述地表沉陷動(dòng)態(tài)坐標(biāo)-時(shí)間函數(shù)對(duì)x的求導(dǎo),可以獲得某時(shí)刻t地表移動(dòng)盆地主斷面上各點(diǎn)動(dòng)態(tài)變形:傾斜變形、曲率變形、水平移動(dòng)、水平變形等的理論預(yù)計(jì)公式.

表1 時(shí)間函數(shù)及其一階、二階導(dǎo)數(shù)的分布曲線

2

預(yù)計(jì)程序結(jié)構(gòu)

在預(yù)計(jì)開(kāi)采沉陷引起的動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形時(shí),概率積分函數(shù)的數(shù)值分析與曲線繪圖過(guò)程是十分復(fù)雜的.應(yīng)用VB設(shè)用Matrix編程,能夠充分發(fā)揮Matrix函數(shù)庫(kù)的強(qiáng)大功能,使復(fù)雜的數(shù)值分析問(wèn)題得以簡(jiǎn)化.同時(shí),由于概率積分參數(shù)的可操作性,也保證了軟件的可推廣性.軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1[4].使用時(shí),只要在界面一次性輸入必要的巖移參數(shù),軟件即可獲得動(dòng)態(tài)地表移動(dòng)變形的數(shù)值和曲線圖.軟件系統(tǒng)中各參數(shù)的單位、符號(hào)符合我國(guó)現(xiàn)行規(guī)程要求.有效簡(jiǎn)化了程序復(fù)雜性.這兩個(gè)軟件結(jié)合也可使大型工程計(jì)算軟件的編寫過(guò)程得以簡(jiǎn)化.程序設(shè)計(jì)的流程見(jiàn)圖1[4].用戶只需簡(jiǎn)單輸入已知參數(shù)就可以得到所需要地表移動(dòng)變形計(jì)算結(jié)果.設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先設(shè)計(jì)輸入對(duì)話框.軟件系統(tǒng)中各參數(shù)的單位、正負(fù)符號(hào)符合我國(guó)現(xiàn)行規(guī)程要求.

圖1 地表沉陷動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)軟件運(yùn)算框圖

2.1 控件及對(duì)話框設(shè)計(jì)

圖2 程序的用戶圖形界面

應(yīng)用VB直接設(shè)計(jì)輸入控件和對(duì)話框,建立完整的用戶圖形界面,如圖2.在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí),通過(guò)String,fontsize等來(lái)設(shè)定用戶輸入的數(shù)據(jù)類型、初始值等,以保證起算數(shù)據(jù)之正確,避免程序運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤.

模擬每個(gè)工作面的開(kāi)采過(guò)程時(shí),接受用戶輸入數(shù)據(jù)后,首先驗(yàn)證參數(shù)的正確性.

2.2 繪 圖

應(yīng)用Matlab中的figure程序直接繪制圖形,并實(shí)現(xiàn)計(jì)算區(qū)域的自動(dòng)剖分、自動(dòng)繪制預(yù)計(jì)點(diǎn)二維圖,根據(jù)各點(diǎn)的坐標(biāo)值,顯示不同時(shí)間移動(dòng)盆地走向方向各點(diǎn)下沉對(duì)曲線w(x,t),或某一點(diǎn)在不同時(shí)間的下沉過(guò)程曲線.同時(shí),可根據(jù)用戶需要,輸出對(duì)應(yīng)的地表水平移動(dòng)(U)、傾斜變形(I)、水平變形(ε)、曲率變形(K)的曲線圖.各按鈕、圖例等在界面上均有漢字說(shuō)明.若出現(xiàn)數(shù)據(jù)不合理,程序執(zhí)行自動(dòng)停止,以消息框顯示錯(cuò)誤的類型、原因.軟件界面如圖2.

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 許疃煤礦7126工作面[5]

對(duì)淮北礦業(yè)集團(tuán)許疃煤礦7126工作面進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證,工作面采厚M=2 m,煤層傾角8°,平均采深H0=466 m,工作面推進(jìn)速度v=2.85 m/d,工作面走向長(zhǎng)1 640m,起動(dòng)距為1/6.6H0,下沉速度系數(shù)為3.19;地表移動(dòng)參數(shù)為:q=1.0,b=0.36,tanβ=1.75.

動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè):許疃煤礦7126工作面平均采深466m,日推進(jìn)速度為2.85m/d.對(duì)Z23點(diǎn)觀測(cè)站的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了模擬計(jì)算.圖2為程序預(yù)測(cè)的下沉和下沉速度的曲線.圖3、圖4為實(shí)測(cè)下沉和下沉速度曲線.

圖3 Z23點(diǎn)下沉量實(shí)測(cè)曲線

圖4 Z23點(diǎn)下沉速度實(shí)測(cè)曲線

3.2 興隆莊礦1307工作面[6]

興隆莊礦1307工作面由東南向西北方向沿偽傾斜方向采用仰斜推進(jìn).1307工作面觀測(cè)數(shù)據(jù)為:采深363～512m,平均437.5 m.工作面走向長(zhǎng)2 814m,傾向長(zhǎng)209m,煤層厚度平均8.72m.工作面煤層平緩、傾角為 2°～10°,平均 6°,下沉系數(shù)q=0.83,水平移動(dòng)系數(shù)b=0.27,開(kāi)采影響傳播角θ=87°,主要影響角正切tanβ=2.2,拐點(diǎn)偏移距平均為S=0.107 4H.下沉速度實(shí)測(cè)曲線與預(yù)測(cè)曲線的對(duì)比如圖5所示.

圖5 下沉速度實(shí)測(cè)與預(yù)計(jì)曲線的對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)從概率積分原理入手,獲得了地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)函數(shù).該函數(shù)不僅可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形,而且該函數(shù)所獲得的地表下沉速度和下沉加速度曲線是理想的、符合實(shí)際的;地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)函數(shù)要求的巖移參數(shù)物理意義明確,均為已有參數(shù),直接可對(duì)地表移動(dòng)的過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè),可推廣性強(qiáng).

(2)軟件是基于VB調(diào)用Matrix編程對(duì)采動(dòng)影響下動(dòng)態(tài)地表移動(dòng)變形計(jì)算方法的研究,它可輸出以下主要預(yù)計(jì)成果;①沉陷盆地主斷面任意一點(diǎn)隨時(shí)間變化的地表移動(dòng)變形、下沉速度曲線;②在給定時(shí)間間隔下的主斷面地表諸點(diǎn)各種動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形曲線變化過(guò)程圖;③地表移動(dòng)穩(wěn)定后的靜態(tài)曲線圖[7];④動(dòng)態(tài)地表移動(dòng)變形分布規(guī)律.

(3)以朱廣軼為代表的沈陽(yáng)大學(xué)巖土工程災(zāi)害防治研究所,運(yùn)用自己發(fā)現(xiàn)的“開(kāi)采沉陷動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)坐標(biāo)-時(shí)間函數(shù)”開(kāi)發(fā)出“開(kāi)采與地表沉陷分析的可視化軟件系統(tǒng)ZM S7.6”,采用VB調(diào)用CAD自動(dòng)采集數(shù)據(jù)與繪圖,不僅能完善進(jìn)行地表移動(dòng)變形的靜態(tài)三維曲面分析,而且能夠準(zhǔn)確進(jìn)行地表移動(dòng)變形的動(dòng)態(tài)二維曲線分析,解釋采動(dòng)現(xiàn)象,對(duì)優(yōu)選地面建筑物抗變形措施與保護(hù)時(shí)機(jī)、指導(dǎo)開(kāi)采設(shè)計(jì)具有實(shí)用性,有效性和領(lǐng)先性,已在我國(guó)東北三省和關(guān)內(nèi)十余個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了推廣應(yīng)用,并受到好評(píng).

[1] 何國(guó)清,楊倫,凌賡娣,等.礦山開(kāi)采沉陷學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1991.

[2] 朱廣軼,朱樂(lè)君,郭影.地表沉陷動(dòng)態(tài)時(shí)間函數(shù)研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(3):329-332.

[3] 崔希民,繆協(xié)興,趙英利,等.論地表移動(dòng)過(guò)程的時(shí)間函數(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),1999,24(5):453-456.

[4] 朱樂(lè)君.礦區(qū)地表沉陷動(dòng)態(tài)分析的研究[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)大學(xué)建筑工程學(xué)院,2010.

[5] 張躍,譚志祥,鄧喀中.許疃礦地表移動(dòng)變形規(guī)律實(shí)測(cè)研究[J].礦山測(cè)量,2007,4:7-10.

[6] 岳尊彩,譚志祥,于德亮,等.興隆莊礦綜放工作面地表沉陷規(guī)律實(shí)測(cè)研究[J].煤礦開(kāi)采,2009,5:38-41

[7] 朱廣軼,王瑋,劉曉群.開(kāi)采與地表沉陷分析的可視化軟件系統(tǒng)[J].煤炭工程,2006(8):99-100.

Dynam ic Analysis Method of M ining Subsidence

ZHU Guangyi1,SHEN Hongxia1,ZHU Lejun2,GUO Ying1,ZHAO Feng1
(1.Schoolof A rchitecture and Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China;2.Planning Construction and Housing Authority in Jinjiang,Jinjiang 362200,China)

Based on the measured data mining,the theory and method of draw ing thecurve of surface movement and deformation are analyzed.The matrix is called by VB in p rogramm ing,w hich makes the software powerful,the programming simple and reliable,and the interface perfect..It was able to ensure the simplicity of p rogramming,had a good interface and effectively simplify the p rogramm ing complexity.It realized fast solution of the value of mining ground deformation to achieve the underground mining of ground deformation caused by the visual description.

surface movement and deformation;dynamic p rediction;theory;p rogram

TD 823

A

1008-9225(2011)05-0001-04

2011-03-18

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201102154);遼寧省教育廳基金資助項(xiàng)目(L 2010379).

朱廣軼(1962-),男,遼寧喀左人,沈陽(yáng)大學(xué)教授.

【責(zé)任編輯:李 艷】