一种煤矿开采覆岩及地表移动变形一体化规律的研究方法

摘要

本发明公开了一种煤矿开采覆岩及地表移动变形一体化规律的研究方法，其包括以下步骤：获取覆岩内部下沉系数与地表下沉系数；将覆岩内部下沉系数、地表下沉系数与岩层不同水平位置联系起来，通过最小二乘原理分析，进行非线性曲线拟合，得出覆岩内部下沉系数、地表下沉系数与岩层水平的函数关系式，该关系式能表述厚松散层薄基岩开采条件下覆岩及地表一体化下沉系数函数关系。本发明对促进厚松散层薄基岩条件下煤层开采覆岩运动与地表沉陷预测及其控制研究具有积极作用，对于“三下”开采中保护煤柱设计尺寸和工作面合理布局的优化、地下煤炭资源采出率的提高、地表建（构）筑物的保护、经济发展和保护生态环境协调性发展等方面均具有指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿开采覆岩及地表移动变形一体化规律的研究方法，尤 其涉及一种研究厚松散层薄基岩采煤条件下覆岩及地表移动变形一体化规律的 方法。

背景技术

厚松散层薄基岩开采条件下覆岩及地表一体化下沉系数的函数关系的研 究，对促进厚松散层薄基岩条件下煤层开采覆岩运动与地表沉陷预测和控制研 究具有积极作用，而且对于“三下”开采中保护煤柱设计尺寸和工作面合理布 局的优化、地下煤炭资源采出率的提高、地表建（构）筑物的保护等，以及经 济发展和保护生态环境的协调性发展等方面均具有一定的指导意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种厚松散层薄基岩采煤条件下的煤矿开采覆岩及 地表移动变形一体化规律的研究方法。

本发明是这样实现的，一种煤矿开采覆岩及地表移动变形一体化规律的研 究方法，其为研究厚松散层薄基岩采煤条件下覆岩及地表移动变形一体化规律 的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

获取覆岩内部下沉系数与地表下沉系数；

把所述覆岩内部下沉系数、所述地表下沉系数与不同岩层水平位置联系起 来，通过最小二乘原理分析，进行非线性曲线拟合，得出所述覆岩内部下沉系 数、所述地表下沉系数与所述岩层水平位置之间的函数关系式，该关系式能表 述厚松散层薄基岩开采条件下覆岩及地表一体化下沉系数函数式。

作为上述方案的进一步改进，采用建立地表移动观测站方法进行实测获取 地表下沉系数。

作为上述方案的进一步改进，采用相似模拟实验获取所述覆岩内部下沉系 数。优选地，在相似材料模型上布设若干条观测线，通过监测观测线上测点位 移变化分析获取所述覆岩内部下沉系数，所述覆岩内部下沉系数的获取步骤包 括：

在距模型5～10ｍ的O点架设全站仪，选择布设在模型固定架上两侧的A、 B、C、D四个点，且A、B、C、D这四个点不受开采影响，并且A点与C点 保持在同一水平高度，B点与D点保持在另一同一水平高度，A点与B点在同 一垂线上，C点与D点在另一同一垂线上；设A点、B点到O点的水平投影距 离为L₁，C点、D点到O点的距离为L₂，L₁与L₂的水平夹角为θ₀，A、B、C、 D四个点的竖直角分别是φ₁、φ₂、φ₃、φ₄，O₁是AB边垂直向下于地面的焦点， 假设A、O₁两点的高度为H₁，B、O₁两点的高度为分别为H₂；

L₁满足公式（1）：$L_1=\frac{H_0}{\mathrm{tg}{\phi }_1-\mathrm{tg}{\phi }_2}---\left(1\right),$其中，

L₂满足公式（2）：其中，

取模型内任意点X，设X点到O点的水平投影长度为L，到AB边的水平 距离为Lx，到AC边的垂直距离为Hx，所述模型固定架上布设的监测点第i 个开采时期的水平移动量L_xi和垂直移动量H_xi满足公式（3）和（4）：

其中，对该X点进行观测，可 得水平角θ₁、θ₂；

根据所述模型固定架上布设的监测点第i个开采时期的水平移动量L_xi和垂 直移动量H_xi，从而得出覆岩内部各条观测线的下沉系数。

本发明属于一种通过相似材料模拟实验与地表移动观测站来获取覆岩内部 下沉系数与地表下沉系数，并将两者与岩层水平位置相联系得出煤层开采覆岩 及地表一体化下沉系数函数关系式的方法。采用相似材料模拟试验和地表移动 观测站结合，研究从煤层工作面上方覆岩至地表的下沉系数变化规律，实现覆 岩及地表下沉系数一体化研究，得出厚松散层薄基岩条件下覆岩及地表下沉系 数和岩层不同水平位置之间的函数关系式。本发明通过相似材料模拟实验反演 覆岩内部下沉规律，在相似料模拟实验模型的关键层及松散层不同位置上布设 n条观测线，根据实测结果确定覆岩内部各关键层及松散层处的下沉系数；另 外通过建立地表移动观测站进行实测从而获取地表的下沉系数；最后采用最小 二乘法分析模拟实验观测数据及地表移动观测站实测数据，利用非线性曲线拟 合，得出厚松散层薄基岩开采条件下覆岩及地表一体化下沉系数的函数模型。

附图说明

图1为地表移动观测站观测线布设平面位置示意图。

图2为相似材料模拟实验模型观测点布设位置示意图。

图3为覆岩及地表一体化下沉系数函数关系求解过程示意图。

图4为相似材料模型各条观测线测点的移动变形值求解推演图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为研究厚松散层薄基岩采煤条件下覆岩及地表移动变形一体化规律 方法，属于通过相似材料模拟实验与地表移动观测站分别来获取覆岩内部下沉 系数与地表下沉系数，并将覆岩及地表下沉系数与岩层不同水平位置相联系获 取一体化下沉系数函数关系式的方法。

本发明通过相似材料模拟试验和地表移动观测站相结合，研究覆岩至地表 的下沉系数变化规律，实现覆岩及地表下沉系数一体化规律的研究，得出厚松 散层薄基岩开采条件下覆岩及地表下沉系数和岩层水平位置之间的函数关系 式。本发明通过相似材料模拟实验反演覆岩移动变形规律，在相似料模拟实验 模型的各关键层及松散层位置上布设n条观测线，根据观测线上测点的移动变 形实测值求取覆岩内部各关键层及松散层的下沉系数；再通过建立地表移动观 测站进行实测以获取地表下沉系数，最后对覆岩内部各下沉系数、地表下沉系 数等一系列数据采用最小二乘法分析，利用非线性曲线拟合，得出厚松散层薄 基岩开采条件下覆岩及地表一体化下沉系数与不同岩层水平位置之间的函数关 系式。获取的函数模型随煤层开采地质采矿条件变化，这个覆岩内部及地表下 沉系数与岩层水平位置之间的关系式是根据实验步骤一步步推导出来的，是一 种反演。

本发明的步骤流程如下介绍。

1.获取覆岩内部下沉系数与地表下沉系数。

所述地表下沉系数的获取，通过综合分析工作面地质采矿条件和地面实际 地形，并顾及控制点和监测点长期保存因素，在工作面对应的上方地表沿煤层 走向主断面和倾向主断面上设置一条走向和倾向观测线，组成地表移动观测站。 在工作面采动过程中，采用GPS测量和水准测量方法定期监测观测站上各监测 点在不同时期内的平面位置和高程位置变化，根据矿山开采沉陷理论中的概率 积分法原理求出地表下沉系数。

所述覆岩内部下沉系数采用相似材料模拟实验方法获取。相似模拟实验： 在矿山开采岩层移动研究中，相似材料模拟试验研究方法是以几何相似、运动 学相似和动力学相似，即相似三定理为理论研究基础，将矿山地下岩层按照一 定的比例进行缩小，用相似材料做成模型，然后在模型上模拟煤层开采，利用 高精度测量仪器，对模型上岩层的移动和破坏情况进行观测，根据模型上直观 的物理力学现象和移动变形规律，反演分析地下煤层开采岩层实际发生的破坏 和移动变形情况。相似材料模拟实验模型上布设若干条观测线（n条），根据观 测线测点的移动变形监测结果分析获取覆岩内部下沉系数。

请一并参阅图1、图2、图3及图4，O点（距模型5～10ｍ）架设全站仪， A、C两点和B、D两点在同一水平线上，A、B两点和C、D两点在同一铅垂 线上，设点A、B到O点的水平投影距离为L₁，C、D到O的距离为L₂，L₁与L₂的水平夹角为θ₀，A、B、C、D四个点的竖直角分别是φ₁、φ₂、φ₃、φ₄， O₁是AB边垂直向下于地面的焦点，O₂是CD边垂直向下于地面的焦点，假设 A、O₁两点的高度为H₁，B、O₁两点的高度为分别为H₂（见图4中的区域B）。

则有：

所以，

$L_1=\frac{H_0}{\mathrm{tg}{\phi }_1-\mathrm{tg}{\phi }_2}$

同理，对于C、D两点：

所以，

如图4中的区域A，取模型内任意点X，设X点到O点的水平投影长度为 L，O₃是X点垂直向下于地面的焦点，到AB边的水平距离为Lx，到AC边的 垂直距离为Hx。对该点进行观测，可得水平角θ₁、θ₂（见图4中的区域C），θ₁为O₁O边与O₂O边的夹角，θ₂为O₃O边与O₂O边的夹角。经过计算可以得到：

通过上述公式计算所述模型固定架上布设的监测点第i个开采时期的水平 移动量L_xi和垂直移动量H_xi，从而得出覆岩内部各条观测线的下沉系数。

2.把所述覆岩内部下沉系数、所述地表下沉系数与岩层水平位置联系起 来，通过最小二乘原理分析，进行非线性曲线拟合，得出所述覆岩内部下沉系 数、所述地表下沉系数与所述岩层水平位置之间的函数关系式，获取描述煤层 开采覆岩及地表一体化下沉规律的函数关系式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。