地表殘余移動變形預測軟件開發(fā)

朱廣軼, 呂士華, 趙柏冬, 徐征慧, 馬亞麗

(沈陽大學 a. 建筑工程學院, b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室, 遼寧 沈陽　110044)

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地表殘余移動變形預測軟件開發(fā)

朱廣軼a,b, 呂士華a, 趙柏冬a,b, 徐征慧a, 馬亞麗a

(沈陽大學 a. 建筑工程學院, b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點實驗室, 遼寧 沈陽110044)

摘要:為解決老采空區(qū)地表新建建(構)筑時的地基穩(wěn)定性評價問題,填補規(guī)程空白,基于作者應用隨機介質理論構造的老采空地表殘余移動變形預測函數(shù),采用Visual Basic進行了ZMS8.0軟件開發(fā).研究表明,ZMS8.0及其各影響函數(shù)可較好地描述地表殘余移動變形規(guī)律,軟件具有介面友好、計算和圖形輸出便捷的特點.

關鍵詞:開采沉陷; 殘余移動變形; 預測; 軟件

1研究現(xiàn)狀與軟件開發(fā)理論依據(jù)

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》[1]規(guī)定,地表移動從下沉10 mm開始,到連續(xù)6個月下沉不超過30 mm時結束,正常不超過4年.而R.E.Gray和R.W.Pruern[2]在研究匹茲堡煤層開采沉陷問題時指出,老采空區(qū)(房柱式開采)地表下沉可在開采后50 年或以后發(fā)生.朱廣軼[3]在研究鶴崗市多煤層開采時指出,地表殘余變形可達到Ⅳ級.殘余移動變形對地面建(構)筑物、道路、水體的影響成為老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價的重要問題.顯然,規(guī)程規(guī)定的開采沉陷結束時間有缺陷.正由于此,規(guī)程至今沒有殘余移動變形的概念和計算方法.因此,基于構造殘余移動變形的影響函數(shù),研究其預測方法,具有重要科學意義.

朱廣軼[4-5]將地表殘余移動變形分為1、2兩個階段,提出了地下開采若干年后地表殘余移動變形的預測公式.

第1階段殘余下沉的影響函數(shù):

設,φ(x,t)為朱廣軼[6]坐標-時間函數(shù)的形態(tài)影響函數(shù);α為煤層有傾角,v為平均開采速度.將工作面長度按照開采時間tt平均劃分為n個小單元;x為地表點在開切眼坐標為零的開采坐標系中之坐標;t為第2階段殘余移動變形剛要出現(xiàn)那一時刻(可由地表新建建(構)筑等因素發(fā)生及以后的水準巡視測量確定),根據(jù)疊加原理,得到t時刻地表動態(tài)殘余下沉值為:

(1)

第2階段殘余下沉的影響函數(shù):

(2)

式中,m為開采厚度,r為主要影響半徑,D3為煤層走向開采長度,S3、S4為工作面左、右兩側的拐點偏距,l=D3-S3-S4.

第2階段殘余傾斜:

(3)

第2階段殘余曲率變形:

(4)

第2階段殘余水平移動:

(5)

式中,b為水平移動系數(shù).

第2階段殘余水平變形:

(6)

殘余下沉的時間過程:

設殘余下沉值趨于最大潛在下沉值Wc(x),蠕變方程的參數(shù)k,η可綜合為影響參數(shù)λ,則,地表殘余下沉的時間過程函數(shù)

(7)

2軟件結構和介面

在地表沉陷引起的任意一點和整個下沉盆地的移動變形計算中,數(shù)學計算及圖形的輸出模擬十分復雜繁重,本模型采用VB與Matrix混合編程,能夠有效地簡化編程過程,還提高了有效界面.本程序分為三部分:參數(shù)輸入及選擇部分、數(shù)據(jù)處理部分、圖形輸出.程序的流程如圖1.

圖1　軟件計算流程圖

圖2為地表殘余移動變形預測軟件界面.應用Visual Basic軟件來設計輸入對話框和控件,應用figure程序直接繪制圖形,通過一系列計算結果,自動繪制沉陷區(qū)預計點的地表殘余移動變形的二維圖形,獲得第1階段殘余下沉曲線和第2階段殘余下沉、殘余水平移動、殘余傾斜、殘余曲率、殘余水平變形、動態(tài)殘余下沉時間過程各曲線,如圖3～圖9.

圖2　地表殘余移動變形預測軟件界面

圖3　第1階段的地表殘余下沉-Wc

圖4　第2階段的地表殘余下沉Wc

圖5　第2階段的殘余水平移動Uc

圖6　第2階段的殘余移動傾斜變形ic

圖7　第2階段的殘余移動曲率變形Kc

圖8　第2階段的殘余移動水平變形εc

3軟件的實例驗證

以新安煤礦的老采空區(qū)為例,其巖煤層傾角7°,走向長度380 m,傾向長度370 m.應用本軟件及該礦地表移動參數(shù)來計算,得到新安煤礦地表殘余移動變形的曲線圖.

(1) 第1階段的殘余下沉,如圖3所示,最大下沉為0.007 2 mm,這相對第2階段的最大下沉725 mm是很小的數(shù)值.故第1階段的移動變形可以忽略不計.

(2) 第2階段殘余移動下沉量,最大的下沉為725 mm,如圖4所示.

圖9　殘余下沉Wc時間過程

(3) 第2階段殘余移動水平移動,最大變形值±355 mm,如圖5所示.

(4) 第2階段殘余移動傾斜方向的變形值,最大的傾斜方向上變形值為±8.8 mm,如圖6所示.

(5) 第2階段殘余移動曲率變形為-0.4～0.21 mm,如圖7所示.

(6) 第2階段殘余水平變形-4.2～2.1 mm/mm,如圖8所示.

(7) 殘余下沉隨時間的變化過程,如圖9所示.

(8) 地表殘余變形的最大值與預測數(shù)值的比較見表1.

通過對殘余變形實測值與預測值對比發(fā)現(xiàn),其誤差范圍在工程要求的范圍內.最后,將該模塊加入朱廣軼“靜態(tài)+動態(tài)”分析的軟件系統(tǒng),使ZMS開采沉陷預測軟件升級為ZMS8.0.實踐證明,ZMS8.0軟件能夠準確地預測老采空區(qū)活化后的地表殘余移動變形.

表1　殘余變形觀測值與預測值比較

4結論

(1) 基于朱廣軼地表殘余移動變形第1、2階段影響函數(shù),利用VB對已構造的影響函數(shù)進行編程,應用各礦區(qū)已有巖移參數(shù),可以輸出全部殘余移動變形可視化曲線,可推廣性很強.

(2) 預測結果表明,各影響函數(shù)及其軟件可以很好地預測地表殘余移動變形.這對完善現(xiàn)行規(guī)程、研究地表殘余移動變形、開發(fā)開采沉陷區(qū)具有重要的理論意義和實用價值,已在國內十余個大型礦區(qū)、高校推廣.

(3) 預測表明,第1階段的殘余移動變形數(shù)值很小,可以忽略.

參考文獻:

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【責任編輯: 祝穎】

Software Development for Prediction on Surface Residual Deformation

ZhuGuangyia,b,LyuShihuaa,ZhaoBaidonga,b,XuZhenghuia,MaYalia

(a. School of Architecture and Engineering, b. Key Laboratory of Geoenvironmental Engineering of Liaoning Province, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:To solve the problem of foundation stability evaluation of new buildings on old goaf and to fill the gaps of procedures, the software of ZMS8.0 was developed by using Visual Basic, based on ground residual movement and deformation prediction function of old goaf constructed by stochastic medium theory. Studies shows that, the movement of surface residual deformation law can be well described by ZMS 8.0, the software has a friendly interface, and the computing and graphics output are convenient.

Key words:mining subsidence; residual deformation; prediction; software

中圖分類號:TD 325, TP 393

文獻標志碼:A

文章編號:2095-5456(2016)02-0147-05

作者簡介:朱廣軼(1962-),男,遼寧喀左人,沈陽大學教授,博士生副導師; 趙柏冬(1962-),男,遼寧沈陽人,沈陽大學教授.

基金項目:遼寧省自然科學基金資助項目(201102154); 遼寧省科技廳計劃項目(2013229012); 遼寧省教育廳科研項目(L2010379).

收稿日期:2015-11-13