一种动态沉陷区房屋就地重建时间和区域测定方法

摘要

本发明涉及一种动态沉陷区房屋就地重建时间和区域测定方法，属于矿区房屋损害及就地重建领域，解决现有矿区受破坏村庄搬迁难，房屋重建等待周期长的问题。本发明通过对矿区开采后的地表动态沉陷过程进行分析，能够准确的确定待重建区域工作面不同开采尺寸地表已产生沉陷变形量，进而，定量计算动态过程中地表沉陷区域的剩余变形量，对比房屋抗变形指标，确定采动过程中房屋就地重建时间和区域，可以保障在开采过程中尽快建抗变形房，保证受采矿损害的村民尽快住新房，提高矿区村民生活质量；该方法能够科学准确地指导动态开采过程中地表沉陷区房屋就地重建规划工作，可以很好地解决矿区工农关系紧张的局面。

说明书

技术领域

本发明涉及矿区房屋重建技术领域，尤其涉及一种动态沉陷区房屋就地重建时间和区域测定方法。

背景技术

村庄下压煤量巨大。而以往解决建筑物下压煤问题的主要途径是对压煤村庄进行搬迁开采，然而近年来由于地下开采造成的土地塌陷面积增大，矿区土地资源紧张，导致搬迁村庄选址困难，迁村开采往往难以实现。因此对压煤村庄进行就地重建就成为了目前解放村下压煤的另一有效的途径。近年来诸多煤矿相继在老采空区上方对民房采取一定措施实施房屋就地重建，取得了良好的经济效益、社会效益及环境效益。

但以上案例都是在稳沉状态下进行就地重建，这就导致了房屋重建周期长，对村民的生活质量影响较大。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供基于动态沉陷的动态沉陷区房屋就地重建时间和区域测定方法，用以解决现有矿区房屋就地重建等待周期较长的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明技术方案中，一种动态沉陷区房屋就地重建时间和区域测定方法，动态沉陷区房屋就地重建时间和区域测定方法的步骤包括：

S1、测定矿区的下沉系数q、主要影响角正切tanβ和水平移动系数b；

S2、根据下沉系数、主要影响角正切和水平移动系数计算矿区的最大变形量；

S3、计算地面A位置处已产生的变形量；

S4、计算地面A位置处的剩余变形量；

S5、当剩余变形量不大于N级破坏变形量时，计算N级临界时刻对应的开采距离s(t_N)和开采时间t_N，N≤3；

S6、地面A位置至s(t_N)处之间的区域均为N级变形区域，能够在N级变形区域重建N级抗变形房屋，且需要至少经历t_N时间后才能进行房屋重建。

本发明技术方案中，步骤S2中，最大变形量包括：最大倾斜i_M、最大曲率k_M和最大水平变形ε_M，满足：

其中：W_M为最大下沉值，单位mm；m为工作面平均采厚，单位m；α为煤层倾斜角，角度制；H为工作面平均采深，单位m。

本发明技术方案中，步骤S3和S4中，地面A位置的已产生变形量包括：已产生下沉值W(t)、已产生倾斜i(t)、已产生曲率k(t)和已产生水平变形ε(t)，满足：

其中：e为自然对数；c为比例系数；u(t)为水平移动，单位mm。

本发明技术方案中，步骤S4中，剩余变形量包括：剩余下沉值、剩余倾斜、剩余曲率和剩余水平变形；

剩余下沉值为最大下沉值与已产生下沉值的差值；剩余倾斜为最大倾斜与已产生倾斜的差值；剩余曲率为最大曲率与已产生曲率的差值；剩余水平变形为最大水平变形与已产生水平变形的差值。

本发明技术方案中，步骤S5中，N级破坏变形量包括：N级水平变形、N级曲率和N级倾斜；

当剩余水平变形不大于N级水平变形、剩余曲率不大于N级曲率且剩余倾斜不大于N级倾斜时，剩余变形量不大于N级破坏变形量。

本发明技术方案中，步骤S5中，在N级临界时刻，初始位置的剩余变形量不大于N级破坏变形量，且以下三个条件至少满足一个：剩余水平变形等于N级水平变形、剩余曲率等于N级曲率或剩余倾斜等于N级倾斜。

本发明技术方案中，步骤S5具体为：

初始位置的剩余变形量不大于I级破坏变形量时，计算I级临界时刻对应的开采距离s(t₁)和开采时间t₁；初始位置的剩余变形量不大于II级破坏变形量时，计算II级临界时刻对应的开采距离s(t₂)和开采时间t₂；初始位置的剩余变形量不大于III级破坏变形量时，计算III级临界时刻对应的开采距离s(t₃)和开采时间t₃。

本发明技术方案中，步骤S6具体为：

工作面初始位置至s(t₁)处之间的区域均为I级变形区域，能够在I级变形区域重建I级抗变形房屋，且需要至少经历t₁时间后才能进行房屋重建；

s(t₁)处位置至s(t₂)处之间的区域均为II级变形区域，能够在II级变形区域重建II级抗变形房屋，且需要至少经历t₂时间后才能进行房屋重建；

s(t₂)处位置至s(t₃)处之间的区域均为III级变形区域，能够在III级变形区域重建III级抗变形房屋，且需要至少经历t₃时间后才能进行房屋重建。

本发明技术方案中，步骤S6中，I级变形区域能够满足II级变形区域和III变形区域的要求，且能够重建II级抗变形房屋和III级抗变形房屋；

II级变形区域能够满足III变形区域的要求，且能够重建III级抗变形房屋。

本发明技术方案中，动态沉陷区房屋就地重建时间和区域测定方法在矿区开采前进行，开采时间与开采距离的函数关系为预设的概率积分函数。

本发明技术方案的有益效果是：

1、本发明通过对矿区开采后的动态沉陷过程进行分析，能够准确的确定待重建区域距离工作面不同距离的区域的变形性，并作出定量的分析，能够指导重建区域的房屋重建的规划和进行，科学准确。

2、本发明通过对不同位置的剩余变形量与不同等级的房屋破坏变形量进行比较，可以无需等待重建区域完全处于稳沉状态就能够开始进行房屋重建，并定量的给出了相对与工作面不同距离处的区域能够进行房屋重建的时间，大大缩短了矿区房屋重建的周期，明显的减小了对矿区居民的生活影响。

3、本发明为在矿区开采过程中就进行房屋重建提供了可靠的、科学的技术支持，能大大提前房屋重建时间，缩短重建周期，有利于缓解工农关系，降低企业住房补贴支出。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中2018年末各区域示意图；

图2为本发明实施例中2019年末各区域示意图；

图3为本发明实施例中2020年末各区域示意图；

图4为本发明实施例中2021年末各区域示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

村庄下压煤量巨大。而以往解决建筑物下压煤问题的主要途径是对压煤村庄进行搬迁开采，然而近年来由于地下开采造成的土地塌陷面积增大，矿区土地资源紧张，导致搬迁村庄选址困难，迁村开采往往难以实现。因此对压煤村庄进行就地重建就成为了目前解放村下压煤的另一有效的途径。近年来，例如开滦赵各庄矿、大屯公司龙东煤矿、平顶山矿务局二矿等，诸多煤矿相继在老采空区上方对民房采取一定措施实施房屋就地重建，取得了良好的经济效益、社会效益及环境效益。

但以上案例都是在稳沉状态下进行就地重建，这就导致了房屋重建周期长，对村民的生活影响较大。因此在不影响房屋安全性的情况下，缩短重建周期就是矿区房屋重建的重中之重。为了能够缩短重建周期，其中一种可行性方案为在开采的过程中进行房屋重建，在某一实际采矿时刻，越靠近工作面的区域发生后续形变的变形量越大，因此如何确定该时刻，不同区域发生后续形变的变形量、及剩余变形量，是否在房屋可承受的范围内就是关键。

本发明实施例就是对采动过程中房屋就地重建进行研究，对采动过程中房屋就地重建时间和空间进行确定，然后根据确定好的区域，建设对应抗变形等级的房屋，从而达到提前进行房屋重建的目的。

具体的，本发明实施例提供了一种动态沉陷区房屋就地重建时间和区域测定方法，动态沉陷区房屋就地重建时间和区域测定方法在矿区开采前进行，开采时间t与开采距离s(t)的函数关系为预设函数，通常在制定开采计划时就会确定预设函数，通常采用线性函数，即每个月开采固定的米数。

动态沉陷区房屋就地重建时间和区域测定方法的步骤包括：

S1、测定矿区的下沉系数q、主要影响角正切tanβ和水平移动系数b。

S2、根据下沉系数、主要影响角正切和水平移动系数计算矿区的最大变形量；

最大变形量包括：最大倾斜i_M(单位mm/m)、最大曲率k_M(单位10^-3/m)和最大水平变形ε_M(单位mm/m)，满足：

其中：W_M为最大下沉值，单位mm；m为工作面平均采厚，单位m；α为煤层倾斜角，角度制；H为工作面平均采深，单位m。

S3、计算地面A位置处已产生的变形量；

地面A位置的已产生变形量包括：已产生下沉值W(t)、已产生倾斜i(t)、已产生曲率k(t)和已产生水平变形ε(t)，满足：

其中：e为自然对数；c为比例系数；u(t)为水平移动，单位mm。

S4、计算地面A位置处的剩余变形量

剩余变形量包括：剩余下沉值、剩余倾斜、剩余曲率和剩余水平变形；

剩余下沉值为最大下沉值与已产生下沉值的差值；剩余倾斜为最大倾斜与已产生倾斜的差值；剩余曲率为最大曲率与已产生曲率的差值；剩余水平变形为最大水平变形与已产生水平变形的差值。

S5、当剩余变形量不大于N级破坏变形量时，计算N级临界时刻对应的开采距离s(t_N)和开采时间t_N，结合《砖混结构建筑物损坏等级表》；

表1砖混结构建筑物损坏等级表

由表1可得，I级破坏变形量、II级破坏变形量和III级破坏变形量。

N级破坏变形量包括：N级水平变形、N级曲率和N级倾斜；

当剩余水平变形不大于N级水平变形、剩余曲率不大于N级曲率且剩余倾斜不大于N级倾斜时，剩余变形量不大于N级破坏变形量；

在N级临界时刻，初始位置的剩余变形量不大于N级破坏变形量，且以下三个条件至少满足一个：剩余水平变形等于N级水平变形、剩余曲率等于N级曲率或剩余倾斜等于N级倾斜。

初始位置的剩余变形量不大于I级破坏变形量时，计算I级临界时刻对应的开采距离s(t₁)和开采时间t₁；初始位置的剩余变形量不大于II级破坏变形量时，计算II级临界时刻对应的开采距离s(t₂)和开采时间t₂；初始位置的剩余变形量不大于III级破坏变形量时，计算III级临界时刻对应的开采距离s(t₃)和开采时间t₃。

S6、工作面初始位置至s(t_N)处之间的区域均为N级变形区域，能够在N级变形区域重建N级抗变形房屋，且需要至少经历t_N时间后才能进行房屋重建。

工作面初始位置至s(t₁)处之间的区域均为I级变形区域，能够在I级变形区域重建I级抗变形房屋，且需要至少经历t₁时间后才能进行房屋重建；

s(t₁)处位置至s(t₂)处之间的区域均为II级变形区域，能够在II级变形区域重建II级抗变形房屋，且需要至少经历t₂时间后才能进行房屋重建；

s(t₂)处位置至s(t₃)处之间的区域均为III级变形区域，能够在III级变形区域重建III级抗变形房屋，且需要至少经历t₃时间后才能进行房屋重建。

考虑到高等级变形区域的剩余变形量大于低等级变形区域，因此I级变形区域能够满足II级变形区域和III变形区域的要求，且能够重建II级抗变形房屋和III级抗变形房屋；II级变形区域能够满足III变形区域的要求，且能够重建III级抗变形房屋。工作面上方的其他区域为IV级变形区域，但是考虑到IV变形区域的房屋重建成本较高，因此不做考虑。

本发明实施例为使用本发明方法对峰峰某矿区的矿区上方村庄重建区域进行确定，并作为因此为依据在采矿过程中进行房屋重建。

峰峰某矿区工作面开采条件为：采深650m，采厚4.5m，煤层倾角18°。推进速度2m/d，工作面开采长度为3000m，开采时间预计1500天，预计开采时间为2018年1月1日，停采时间为2022年2月10日。

具体步骤如下

S1、根据以往实测数据计算，该矿区下沉系数约为0.85左右，计下沉系数q＝0.85，主要影响角正切值tanβ＝3.5，水平移动系数b＝0.3。

S2、根据以上参数计算最大倾斜i_M(单位mm/m)、最大曲率k_M(单位10^-3/m)和最大水平变形ε_M(单位mm/m)，具体计算结果如表2所示。

表2最大变形值

由表2可得，最大曲率(0.169)也没有达到一级破坏所需(0.2)，因而曲率可以忽略不计，因而影响区域划分的因素主要是水平变形和倾斜变形。

S3、计算工作面的初始位置的已产生变形量与最大变形量相等时，工作面的开采距离S和开采时间T，根据计算可以知道工作面达到充分采动大概是工作面推进到668m时，预计完成668m开采距离的开采时间为330天，对应时刻为11月30号；

S4、按照月份给出每月月尾时工作面的开采距离和其上方重建区的变形量及剩余变形量，将结果进行统计，具体如表3所示。

表3 2018年3月末-11月末重建区变形情况

S5、当剩余变形量不大于N级破坏变形量时，计算N级临界时刻对应的开采距离s(t_N)和开采时间t_N：

表3给出了3月末至11月末已开采工作面上方重建区的变形量及剩余变形量，将其剩余变形量与抗变形指标进行对比，以Ⅰ级抗变形指标为例，满足剩余水平变形小于2.0并且剩余倾斜值小于3.0的，即可算I级变形区域，而由表3可以看出，工作面开采到302m是剩余倾斜已经达到要求，而剩余水平变形为2.7不满足，而当工作面开采到362m时，剩余水平变形为1.7达到要求，因此，I即临界时刻对应的开采距离位于302m至362m之间的范围内，由于变形量变动不大，可以当做每天均匀变形，因此每天变形量是0.033，要达到剩余变形量2.0的话，也就是过了21天采动42m。因此达到I级抗变形指标时的I级临界时刻，对应的开采距离为344m，开采时间为172天。

类似的可以计算出II级临界时刻和III级临界时刻所对应的开采距离和开采时间。

S6、工作面初始位置至s(t_N)处之间的区域均为N级变形区域，能够在N级变形区域重建N级抗变形房屋，且需要至少经历t_N时间后才能进行房屋重建。结果如表4所示，

表4 I级、II级、III级临界时刻对应开采距离和开采时间

抗变形指标可建房时的工作面开采尺寸(m)时间(天)Ⅰ级344172Ⅱ级248124Ⅲ级206103

从表4中可以看出，在开始开采172天后，就出现了I级变形区域，能够进行房屋重建，若是按照传统的房屋重建，重建区域达到稳沉需要停止开采后，再经过3年(2022年)，由此可见，使用本发明的方法，能够缩短2年半的时间，大大的缩短重建周期，大量降低企业住房补贴支出，明显的减少矿区开采对矿区居民的生活影响。

使用本发明的方法，以年为单位，可以画出I级变形区域、II级变形区域和III级变形区域，具体如图1至图4所示，在工作面较为规则的情况下，随着工作面持续开采，当I级变形区域出现后，II级变形区域和III级变形区域面积大体保持不变，而I级变形区域面积不断增大。具体面积如表5所示。

表5，I级、II级、III级变形区域面积

由于III级变形区域进行建房难度和成本太大，因而只对I级和II级变形区域进行讨论。按Ⅱ级损害指标时总体比按I级损害指标增加6％～10％左右；在建房时间上基本一致。但在建房成本上，按I级指标成本增加约15％，按Ⅱ级损害指标成本增加约30％左右，在房屋可建设面积上，随着时间推移Ⅱ级变形区域对I级变形区域的占比不断缩小，同时在建抗变形房的实际效果上来说，抗I级变形的房屋更可控，建成以后房屋再出现裂缝的可能性较小。综上分析，按Ⅱ级指标建房面积增加量有限，成本却大幅度增加，建房的实际效果不好控制，再次出现裂缝的可能性较大。因此，建议按照I级损害指标建房。

综上所述，本发明实施例提供了一种动态沉陷区房屋就地重建时间和区域测定方法，本发明通过对矿区开采后的动态沉陷过程进行分析，能够准确的确定待重建区域距离工作面不同距离的区域的变形性，并作出定量的分析，能够指导重建区域的房屋重建的规划和进行，科学准确；本发明通过对不同位置的剩余变形量与不同等级的房屋破坏变形量进行比较，可以无需等待重建区域完全处于稳沉状态就能够开始进行房屋重建，并定量的给出了相对与工作面不同距离处的区域能够进行房屋重建的时间，大大缩短了矿区房屋重建的周期，明显的减小了对矿区居民的生活影响；本发明为在矿区开采过程中就进行房屋重建提供了可靠的、科学的技术支持，能大大提前房屋重建时间，缩短重建周期，有利于缓解工农关系，降低企业住房补贴支出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。