主要影響角正切對山區(qū)地表移動預(yù)計結(jié)果的影響分析

周 棒，康建榮，胡晉山，程建燕，楊公程

?

主要影響角正切對山區(qū)地表移動預(yù)計結(jié)果的影響分析

周 棒，康建榮，胡晉山，程建燕，楊公程

(江蘇師范大學(xué) 地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇 徐州市 221116)

為了分析山區(qū)地表移動預(yù)計結(jié)果的影響因素，通過對實例進(jìn)行不同主要影響角正切(tan)取值的預(yù)計計算分析，結(jié)果表明，tan的取值對計算結(jié)果的影響十分顯著，若進(jìn)行預(yù)計計算時選取的tan小于合理值，在煤柱側(cè)的下沉計算值偏大，而在采空區(qū)側(cè)計算值則偏小，計算的水平移動值不論在采空區(qū)側(cè)還是煤柱側(cè)均偏大；反之，若選取的tan大于合理值時，在煤柱側(cè)的下沉計算值偏小，而在采空區(qū)側(cè)的計算值偏大，計算的水平移動值在兩側(cè)均偏小。tan變化產(chǎn)生明顯影響的范圍，在煤柱側(cè)約為開采邊界處采深的0.47倍，在采空區(qū)側(cè)約為開采邊界處采深的0.56倍，整個影響范圍約為1.03(為開采邊界處采深)。選取適合的tan值對山區(qū)地表移動變形規(guī)律的分析具有十分重要的意義。

開采沉陷；山區(qū)；主要影響角正切

0 引 言

我國大約有三分之一的煤礦位于山區(qū)，這些煤礦的開采，必然會造成山區(qū)地表破壞，從而誘發(fā)地質(zhì)環(huán)境問題。為了減小山區(qū)煤炭開采對地質(zhì)環(huán)境造成的影響，需要對山區(qū)地表移動變形規(guī)律進(jìn)行研究。何萬龍、康建榮等通過在山西陽泉礦區(qū)地表設(shè)置地表移動觀測站，在對礦區(qū)多條觀測線實測資料進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)為山區(qū)地形條件下地表移動除受地質(zhì)采礦條件和上覆巖層性質(zhì)影響以外還與地表傾向、傾角以及表土層強度有關(guān)[1]；隨后提出了山區(qū)地表移動向量是開采影響分量和采動滑移分量的矢量疊加的觀點，建立了“滑移影響函數(shù)法”的山區(qū)地表移動預(yù)計數(shù)學(xué)模型[2-3]；將幾何分析和力學(xué)分析相結(jié)合，首先分析了采動滑移引起的移動、變形與地形特征的關(guān)系，建立了山區(qū)典型“地貌滑移應(yīng)力應(yīng)變模型”[4]，最終給出了山區(qū)地表移動與變形預(yù)計的數(shù)學(xué)模型[5?6]，數(shù)學(xué)模型見式(1)和式(2)。

下沉：

水平移動：

式(1)、式(2)中′(，)和(，)分別為山區(qū)和相同地質(zhì)采礦條件平地任意點(，)的下沉；′(，，)和(，，)分別為山區(qū)和相同地質(zhì)采礦條件平地任意點(，)在任意方向的水平移動；D為(，)點的地表特性系數(shù)，取值參見文獻(xiàn)[7]；'為地表趨勢面(修勻后傾斜方向剖面) (，)點的傾角；和分別為(，)點的傾斜方向角和計算方向角，均由軸正向按逆時針方向計算。[]和[]分別為走向和傾向主斷面的滑移影響函數(shù)[8-9]，計算公式見式(3)、式(4)。

式中，為工作面走向計算長度；為主要影響半徑；0為該地質(zhì)采礦條件下平地的最大下沉值，0=cos；為下沉系數(shù)；為采厚；為煤層傾角；，，為滑移影響參數(shù)，將與(工作面傾向計算長度)替換式(3)、式(4)中與即得[]與()。

而：

式(5)、式(6)中，為水平移動系數(shù)；為開采區(qū)域，在開采平面上一般呈現(xiàn)為多邊形。

用上述數(shù)學(xué)模型可以進(jìn)行山區(qū)煤炭開采引起的地表移動變形預(yù)計，從而進(jìn)行山區(qū)采動損害評價。與我國平原地區(qū)進(jìn)行地表移動變形預(yù)計所采用的概率積分法相比，山區(qū)地表移動和變形預(yù)計模型是在此基礎(chǔ)上疊加采動滑移部分，其實質(zhì)也是概率積分法，概率積分法涉及的參數(shù)有下沉系數(shù)，主要影響角正切tan，水平移動系數(shù)，拐點偏移距S(=1,2,3,4)，開采影響傳播角[10]。而主要影響角正切tan定義為連接主要影響范圍邊界點與開采邊界的直線與水平線所成的夾角的正切，它是反應(yīng)地表移動與變形范圍的主要參數(shù)[11]。高彥濤等[12?17]通過分析得到主要影響角正切tan的影響因素，收集相關(guān)樣本，用支持向量機、粒子群等智能算法通過樣本訓(xùn)練，得到tan的預(yù)測結(jié)果，提高了tan的精度。然而對于不同tan值對預(yù)計結(jié)果造成的影響研究尚少，本文將對此進(jìn)行研究，分析主要影響角正切tan取值的變化對山區(qū)地表移動預(yù)計結(jié)果的影響。

1 預(yù)計計算的影響因素分析

1.1 計算開采區(qū)域D

計算開采區(qū)域是考慮開采區(qū)域中由頂板懸梁臂結(jié)構(gòu)存在產(chǎn)生拐點偏移距后的區(qū)域，類比矩形工作面開采，拐點偏移距包括開切眼附近的走向左拐點偏距S3、停采線附近的走向右拐點偏距S4、傾向下山拐點偏移距S1和傾向上山拐點偏移距S2，沒有鄰采影響拐點向采空區(qū)側(cè)偏，有鄰采影響拐點向煤柱側(cè)偏。對于任意形狀的工作面開采區(qū)域，可根據(jù)開采工作面的角點位置以及煤層的分布趨勢，確定它的走向和傾向的拐點偏移距，然后根據(jù)走向和傾向的兩個偏移距通過矢量合成得到對應(yīng)的計算開采區(qū)域角點坐標(biāo)，但需要注意當(dāng)煤層傾角不為零時傾向拐點偏距為計算拐點偏移距，如圖1中的1和2[18]。

由圖1分析可得：

稱1和2分別為傾向下山、上山計算拐點偏移距。

1.2 計算中的主要影響半徑r

圖1 傾斜方向偏移距離計算

主要影響半徑在非矩形工作面不能直接計算，根據(jù)概率積分法中的單元下沉盆地的定義，應(yīng)是隨開采坐標(biāo)(，)變化的值(在開采坐標(biāo)系中為沿煤層走向方向的開采范圍，為沿煤層傾斜方向的開采范圍)，若煤層為單一平面且煤層傾角為時，可由下式計算[18]：

式中，H為某地表點的高程；0為工作面開采坐標(biāo)系原點處的高程；為開采坐標(biāo)系中傾向方向的坐標(biāo)；tan為主要影響角正切。

從上述分析可知，在進(jìn)行預(yù)計計算時，影響預(yù)計計算結(jié)果的主要參數(shù)有、、tan和S。這些參數(shù)選取是否合理，直接影響預(yù)計結(jié)果的可信度，特別是山區(qū)，由于地形的影響，預(yù)計結(jié)果的精度尤其重要。實踐表明，在這4個參數(shù)中，、主要影響移動變形值的大小，但不影響移動變形曲線的形態(tài)和分布規(guī)律；tan和S影響移動變形曲線的形態(tài)和分布規(guī)律，因而是影響預(yù)計計算結(jié)果的關(guān)鍵因素，而tan的取值尤為關(guān)鍵，下面主要分析其影響。

2 tanβ的影響分析

為了分析tan的影響，先從理論公式進(jìn)行討論，為此對式(5)、式(6)兩邊tan進(jìn)行偏微分有：

從上述公式可以看出，tan的變化對下沉和水平移動影響的計算公式十分復(fù)雜，它除與預(yù)計點位置、開采范圍有關(guān)之外，還與它本身的取值也有關(guān)系。為了進(jìn)行分析，本文選擇某礦1208工作面的地表觀測站A線進(jìn)行預(yù)計計算并進(jìn)行對比分析。

2.1 實驗區(qū)概況

1208工作面地表地形西北高東南低，海拔1165~ 1265 m。采區(qū)上方山勢走向都為西北~東南,溝底至山梁的高差約50~100 m。峁梁上部均為黃土梯田，坡度一般小于20°，個別達(dá)30°以上，1220 m標(biāo)高以下有基巖出露。沿1208工作面布設(shè)一條走向觀測線A，工作面及觀測站的相對位置關(guān)系見圖2。

2.2 開采沉陷預(yù)計

利用MMSPS山區(qū)煤礦開采地表移動變形預(yù)計軟件系統(tǒng)進(jìn)行開采沉陷預(yù)計[8]，步驟如下：

(1) 利用軟件提取經(jīng)過矢量化的本礦區(qū)工作面地形圖的地形信息，如各觀測點的地表傾角、地表最大傾斜方向的方位角和地表特性參數(shù)等。

(2) 確定開采沉陷預(yù)計參數(shù)：=0.77，=0.33，=85.77°，1=?5.9 m，2=?5.9 m，3=?5.9 m，4= ?5.9 m。

(3) 根據(jù)采掘工程平面圖各期開采情況，準(zhǔn)備各期工作面預(yù)計數(shù)據(jù)，如工作面各角點坐標(biāo)，各角點的地表高程，各角點對應(yīng)的煤層底板高程等。

(4) 將數(shù)據(jù)輸入 MMSPS 系統(tǒng)完成 A線1~20號觀測點的開采沉陷預(yù)計，得到1208工作面A線各觀測點的下沉和水平移動預(yù)計值。

2.3 不同tanβ值的下沉和水平移動預(yù)計結(jié)果

為了進(jìn)行分析，本文計算了在其它參數(shù)不變的情況下，tan從1.5~2.5(間隔為0.1)取值下的下沉和水平移動值。并將不同tan值下的計算值以tan=2.0為基準(zhǔn)，計算了tan發(fā)生變化時預(yù)計值的變化情況(見圖3和圖4)。

從計算結(jié)果可以看出，在其它參數(shù)不變的情況下，tan取值不同，對地表點下沉計算值的最大差值約為0.09(在tan＝2.0的條件下)，水平移動最大差值約為0.19。這一差值已超過了預(yù)計計算的工程精度(10 mm)。另外，在以不同的tan值為基準(zhǔn)的下沉計算值與其它tan值的計算值進(jìn)行比較可知，當(dāng)tan=1.5時，計算下沉值和水平移動值的差值最大，相對而言tan=2.0的變化較小，說明選取合理的tan值，在tan變化時下沉和水平移動計算值的變化量最小。

圖3 不同tanβ與tanβ=2.0的計算下沉值的差值

圖4 不同tanβ與tanβ=2.0的計算水平移動值的差值

2.4 不同tanβ值對地表點的影響范圍

tan變化產(chǎn)生明顯影響的范圍位于6號點~14號點的范圍內(nèi)，以開采邊界為基準(zhǔn)，影響范圍在煤柱側(cè)距開采邊界處約0.47，在采空區(qū)側(cè)距開采邊界處約0.56，整個影響范圍約為1.03(為開采邊界處采深，在實例中＝152 m)。

2.5 不同tanβ對下沉和水平移動的影響規(guī)律

從圖4可以看出，在選取參數(shù)tan＜2.0與tan= 2.0時的計算下沉值差值變化規(guī)律為：在煤柱側(cè)方向由零→正值增大→最大正值→零(拐點位置)→采空區(qū)側(cè)→負(fù)值增大→最大負(fù)值→零(充分采動區(qū))；而選取參數(shù)tan＞2.0與tan=2.0時的計算下沉值差值變化規(guī)律與上述情形相反，即在煤柱側(cè)方向由零→負(fù)值增大→最大負(fù)值→零(拐點位置)→采空區(qū)側(cè)→正值增大→最大正值→零(充分采動區(qū))。一般情況下，對應(yīng)于采深較小的部位下沉值的差值變化較大，采深較大的部位變化較小。

由此可以看出，若預(yù)計計算時選取的tan小于合理值，在煤柱側(cè)的下沉計算值偏大，而在采空區(qū)側(cè)則計算值偏??；反之，若選取的tan大于合理值時，在煤柱側(cè)的下沉計算值偏小，而在采空區(qū)側(cè)的計算值偏大。一般來說，差值最大的位置在煤柱側(cè)距開采邊界約0.04，在采空區(qū)側(cè)距開采邊界約0.414。因而在應(yīng)用預(yù)計計算結(jié)果進(jìn)行采動損害分析或指導(dǎo)“三下”采煤工作時，需考慮tan取值偏差引起的變化情況。

從圖5可以看出，選取不同的tan計算的水平移動值與選取tan＝2.0時的計算值的差值變化曲線呈“M”型，即在選取參數(shù)tan＜2.0與tan=2.0時的計算值的差值在煤柱側(cè)從邊界處為零→正值增大→最大正值→減小到負(fù)值(拐點處)→采空區(qū)側(cè)正值增大→最大正值→減小到零(充分采動區(qū))；而選取參數(shù)tan＞2.0與tan=2.0時的計算值的差值在煤柱側(cè)從邊界處為零→負(fù)值增大→最大負(fù)值→正值(拐點處)→采空區(qū)側(cè)負(fù)值增大→最大負(fù)值→零(充分采動區(qū))。

由此可以看出，若預(yù)計計算時選取的tan小于合理值，則預(yù)計的水平移動值不論在采空區(qū)側(cè)還是煤柱側(cè)均偏大，反之，當(dāng)選取的tan大于合理值時，計算的水平移動值則偏小。一般來說，最大位置在煤柱側(cè)位于0.21，在采空區(qū)側(cè)位于0.414。

3 結(jié) 論

通過分析表明，tan的取值對計算結(jié)果的影響還是十分顯著的，且得出如下結(jié)論：

(1) 若預(yù)計計算時選取的tan小于合理值，在煤柱側(cè)的下沉計算值偏大，而在采空區(qū)側(cè)計算值則偏小，計算的水平移動值不論在采空區(qū)側(cè)還是煤柱側(cè)均偏大；反之，若選取的tan大于合理值時，在煤柱側(cè)的下沉計算值偏小，而在采空區(qū)側(cè)的計算值偏大，計算的水平移動值在兩側(cè)均偏小。

(2) tan變化產(chǎn)生明顯影響的范圍，一般以開采邊界為基準(zhǔn)，在煤柱側(cè)約為開采邊界處采深的0.47倍，在采空區(qū)側(cè)約為開采邊界處采深的0.56倍，整個影響范圍約為1.03。

因此，在進(jìn)行山區(qū)地表移動變形預(yù)計計算時，一定要選取合理的tan值，另外在分析山區(qū)地表移動變形規(guī)律時，相當(dāng)于平地部分的采動影響的預(yù)計結(jié)果直接影響山區(qū)滑移部分規(guī)律的分析，所以tan的取值是否合理對山區(qū)地表移動變形規(guī)律的分析具有十分重要的意義。

[1] 何萬龍.開采影響下的山區(qū)地表移動[J].煤炭科學(xué)技術(shù),1981, 9(7):23?29,62.

[2] 何萬龍.開采引起的山區(qū)地表移動與變形預(yù)計[J].煤炭科學(xué)技術(shù),1983,11(6):46?52,60.

[3] 何萬龍,孔昭璧,康建榮.山區(qū)地表采動滑移機理及其向量分析[J].礦山測量,1991(3):21?25.

[4] 何萬龍,孔昭璧,康建榮.山區(qū)采動滑移的應(yīng)力-應(yīng)變模型[J].礦山測量,1991(2):20?24.

[5] 何萬龍,康建榮.山區(qū)地表移動與變形規(guī)律的研究[J].煤炭學(xué)報, 1992,17(4):1?15.

[6] 劉 輝.西部黃土溝壑區(qū)采動地裂縫發(fā)育規(guī)律及治理技術(shù)研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2014.

[7] 康建榮,何萬龍,胡海峰,等.山區(qū)采動地表變形及坡體穩(wěn)定性分析[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[8] 康建榮,王金莊,溫澤民.任意形多工作面多線段開采沉陷預(yù)計系統(tǒng)(MSPS)[J].礦山測量,2000(3):24?27.

[9] 王晉麗.山區(qū)采煤地裂縫的分布特征及成因探討[D].太原:太原理工大學(xué),2005.

[10] 胡炳南,張華興,申寶宏,等.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2017.

[11] 張豪杰,查劍鋒,李懷展.概率積分法參數(shù)影響因素分析與研究展望[J].煤炭技術(shù),2015,34(4):24?27.

[12] 高彥濤,譚志祥,鄧喀中.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要影響角正切值求取方法[J].煤礦安全,2007(4):30?33.

[13] 吳朝陽,李 寧.AGO_BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在主要影響角正切求取中的應(yīng)用[J].煤礦安全,2012,43(3):117?120.

[14] 魏 好,鄧喀中,盧 正,等.基于支持向量機的主要影響角正切求取方法研究[J].金屬礦山,2010(5):120?123.

[15] 陳俊杰,王明遠(yuǎn),武 君,等.基于PSO_RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要影響角正切求取方法[J].金屬礦山,2015(4):224?228.

[16] 嚴(yán) 超.基于GA_SVM的主要影響角正切求取方法研究[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報,2016,30(6):16?19.

[17] 趙保成,譚志祥,鄧喀中.利用隨機森林回歸模型計算主要影響角正切[J].金屬礦山,2016(3):172?175.

[18] 呂義清.煤礦井工開采條件下斜坡變形破壞模式及穩(wěn)定性研究[D].太原:太原理工大學(xué),2013.

[19] 王喜武.巖移計算中主要影響半徑確定及煤柱留設(shè)的問題[J].煤炭工程,2004(8):10.

[20] 鄒友峰.開采沉陷預(yù)計參數(shù)的確定方法.焦作工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,20(4):253?257.

[21] 張 平.黃土溝壑區(qū)采動地表沉陷破壞規(guī)律研究[D].西安:西安科技大學(xué),2010.

[22] 郭增長,柴華彬.煤礦開采沉陷學(xué)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2013.

國家自然科學(xué)基金項目資助(51574132，41671395).

(2018-08-09)

周 棒(1993—)，男，江蘇揚州人，在讀碩士，主要研究地理信息工程、山區(qū)煤礦開采沉陷，Email：zb_939- 039715@163.com。