一种厚松散层薄基岩条件下地表下沉值计算方法与流程

本发明涉及一种厚松散层薄基岩条件下地表下沉值计算方法，属矿山开采沉陷与防护技术领域。

背景技术：

煤炭是我国的主体能源，在我国的能源结构中大约占到百分之七十的比例，其在我国的国民经济与国计民生中占有举足轻重且不可或缺的地位。在我国华北、华中、华东等矿区赋存有厚松散层的地层，如鹤壁矿区地表的第四系松散层厚度为50～170m，永夏矿区松散层厚度达300多米，淮北矿区地表上部松散层厚度为270m，淮南矿区松散层厚度最大达467m，开滦矿区松散层厚度最大为300m。随着煤炭开采的持续发展，在厚松散层薄基岩矿区地表移动变形规律出现了很多异常的现象，例如，下沉系数大于1.0，地表移动范围较大等等。这些规律和参数的差异，为厚松散层薄基岩矿区地表移动变形预测、村庄保护煤柱留设及各类建构筑物保护带来了不确定性。因此针对这一现状，迫切需要开发一种能够准确计算厚松散层薄基岩矿区地表下沉值的方法，以满足实际使用的需要。

技术实现要素：

本发明目的就在于克服上述不足，提供一种基于物理力学中的卡诺定理及土体力学相关理论的厚松散层薄基岩条件下地表下沉值计算方法。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

一种厚松散层薄基岩条件下地表下沉值计算方法，包括以下步骤：

(1)松散层土体原始数据采集，通过现场勘查及查阅原始地质勘查数据，获取待监测松散层土体的地质结构、各层土体厚度、密度、压缩模量及基岩面向土体传递空间的高度数据及常规概率积分法计算得到的地表下沉值，并存档备用；

(2)土体压缩沉降的判断，根据现场采集数据，计算基岩与松散层交界面形成的移动盆地的下沉系数q₁、计算松散层土体表面形成的地表移动盆地的下沉系数q₂，判断对比计算得到的q₁和q₂数值大小关系，且当q₂值大于q₁值时，则松散层土体存在压缩沉降，并进行下一步计算作业，q₂值小于等于q₁值时，则松散层土体未发生压缩沉降，并终止计算作业；

(3)判断工作面采动程度，根据现场采集数据，工作面采动程度判断计算函数模型为：L/H，

其中：

L为采掘工作面长度；

H采掘工作面深度；

且当采掘工作面长度与采掘工作面宽度都达到或超过1.2H₀～1.4H₀时，地表达到充分采动，其中H₀为平均采深；

(4)计算松散层土体压缩沉降值，首先构建松散层土体压缩沉降计算函数模型，然后将步骤(1)中采集到的待监测松散层土体的地质结构、各层土体厚度、密度、压缩模量及基岩面向土体传递空间的高度数据带入到松散层土体压缩沉降计算函数模型中进行数据运算，并得出松散层土体压缩沉降值；

(5)数值修正匹配，将步骤(4)计算得到的松散层土体压缩沉降值与常规概率积分法计算得到的地表下沉值求和，并得到最终地表下沉值。

进一步的，步骤(2)中，还可根据上覆基岩面的最大下沉值与地表的最大下沉值比较土体压缩沉降的判断，当上覆基岩面的最大下沉值小于地表的最大下沉值时，松散层土体存在压缩沉降。

进一步的，步骤(3)中，在厚表土层薄基岩矿区，使用基岩厚度作为采深来衡量采动程度。

进一步的，步骤(4)中，松散层土体压缩沉降计算函数模型为：

其中：

W为松散层土体压缩沉降值；

W_i为松散层土体第i层的压缩下沉量；

n为松散层土体最大层数，n≥1；

其中W_i的计算函数模型为：

l_i为第i层土体的厚度，ρ_i为第i层土体的密度，E_si为第i层土体的压缩模量，g为重力加速度，D_i为基岩面向第i层土体传递空间的高度，

其中，D_i＝W_i-1+d_i；

W_i-1为第i-1层土体的压缩沉降值；

d_i为第i-1层土体的厚度。

本发明计算方法简单，具有较强的理论基础，计算准确性高，且方便计算机程序语言的实现，一方面有效的提高了计算厚松散层薄基岩矿区地表下沉值的准确性，另一方面也厚松散层薄基岩矿区安全生产提供了有力的技术支持。

附图说明

图1为空间传递示意图；

图2为实测下沉值曲线与计算下沉值曲线；

图3为本发明实施流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作具体的介绍。

本实施例以山东省某煤矿实际采掘作业情况中厚表土薄基岩地区开采地表移动变形规律、参数与兖州矿区在正常开采条件下获得的地表移动规律、参数存在较大的差异为例进行具体说明，其中工作面采厚2.9m，而地表最大下沉达到3.932m，基岩与松散层交界面形成的移动盆地的下沉系数达到0.7，松散层土体表面形成的地表移动盆地的下沉系数达到1.3。

如图1—3所示，一种厚松散层薄基岩条件下地表下沉值计算方法，包括以下步骤：

(1)松散层土体原始数据采集，通过现场勘查及查阅原始地质勘查数据，获取待监测松散层土体的地质结构、各层土体厚度、密度、压缩模量及基岩面向土体传递空间的高度数据及常规概率积分法计算得到的地表下沉值，并存档备用；

(2)土体压缩沉降的判断，根据现场采集数据，计算基岩与松散层交界面形成的移动盆地的下沉系数q₁、计算松散层土体表面形成的地表移动盆地的下沉系数q₂，判断对比计算得到的q₁和q₂数值大小关系，其中，q₁为0.7，q₂为1.3，q₁严重小于q₂，说明该工作面上方松散层土体存在压缩沉降；

(3)判断工作面采动程度，根据现场采集数据，以为采掘工作面长度与采掘工作面深度的比值可判断该工作面为充分采动程度。

(4)计算松散层土体压缩沉降值，首先构建松散层土体压缩沉降计算函数模型，然后将步骤(1)中采集到的待监测松散层土体的地质结构、各层土体厚度、密度、压缩模量及基岩面向土体传递空间的高度数据带入到松散层土体压缩沉降计算函数模型中进行数据运算，并得出松散层土体压缩沉降值；

(5)数值修正匹配，将步骤(4)计算得到的松散层土体压缩沉降值与常规概率积分法计算得到的地表下沉值求和，并得到最终地表下沉值。

本实施例中，步骤(2)中，还可根据上覆基岩面的最大下沉值与地表的最大下沉值比较土体压缩沉降的判断，当上覆基岩面的最大下沉值小于地表的最大下沉值时，松散层土体存在压缩沉降。

本实施例中，步骤(3)中，在厚表土层薄基岩矿区，使用基岩厚度作为采深来衡量采动程度。

本实施例中，步骤(4)中，松散层土体压缩沉降计算函数模型为：

其中：

W为松散层土体压缩沉降值；

W_i为松散层土体第i层的压缩下沉量；

n为松散层土体最大层数，n≥1；

其中W_i的计算函数模型为：

l_i为第i层土体的厚度，ρ_i为第i层土体的密度，E_si为第i层土体的压缩模量，g为重力加速度，D_i为基岩面向第i层土体传递空间的高度，

其中，D_i＝W_i-1+d_i；

W_i-1为第i-1层土体的压缩沉降值；

d_i为第i-1层土体的厚度。

本实施例中，所述的松散层土体压缩沉降计算函数模型为基于卡诺定理基础推导获得。

从图2可以看出，通过该方法的计算结果符合实测下沉曲线，从而验证了该方法的正确性与可行性。

本发明计算方法简单，具有较强的理论基础，计算准确性高，且方便计算机程序语言的实现，一方面有效的提高了计算厚松散层薄基岩矿区地表下沉值的准确性，另一方面也厚松散层薄基岩矿区安全生产提供了有力的技术支持。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。