一种基于沉降监测数据的煤矿老采空区场地稳定性定量评价方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于沉降监测数据的煤矿老采空区场地稳定性定量评价方法，适用于主沉降已经结束的垮落法开采老采空区场地。其步骤为1）在煤矿老采空区地表布置监测线，获得地表沉降监测数据；2）基于监测数据的地表变形特征初步分析；3）煤矿老采空区地表变形计算；4）老采空区场地稳定性评价。本方法能够利用考虑时间效应的概率积分法，在参数确定时，根据实际监测沉降的增加量=计算得到的残余沉降的减少量这个关系式，因而采用2年以上的监测数据即可开展评价工作，操作简便、易于进行，并且评价依据行业标准、规程，评价效果好，极大方便了煤矿老采空区场地稳定性定量评价的开展。
【专利说明】
一种基于沉降监测数据的煤矿老采空区场地稳定性定量评价 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种采空区场地稳定性评价技术方法，尤其涉及一种基于监测数据的 老采空区稳定性定量评价方法，适用于主沉降已经结束的垮落法开采老采空区场地。
【背景技术】
[0002] 随着社会经济的发展，土地资源与地下空间的利用越来越受到重视，在以往老采 空区上进行土地复垦、修建工业厂房和住宅楼成为必要，然而老采空区的建筑场地稳定性 评价是一个亟待解决的问题。老采空区由于深埋地下，被松散沉积物、破碎岩块覆盖，加之 煤矿开采无序，采空区的空间分布和持续时间不明，很难对采空区场地稳定性进行有效评 价。目前，地表移动监测的新技术与新仪器得到了较大发展，包括全站仪、GPS全球定位系 统、ADAS、InSar实时监测系统等，通过对实测数据的分析，找到地表变形规律，进而对采空 区地表沉陷进行评价是一种行之有效的方法。
[0003] 由于实测数据的重要性，世界各国都非常重视实测资料的积累和分析工作，我国 自50年代以来在全国各大矿务局开展了观测工作，据不完全统计，我国已有观测线1000多 条，建立数据处理和分析的方法，如矿山开采沉陷预计系统。目前主要存在的问题有：（1)开 采沉陷预测模型能够利用监测数据对新开采煤层周边的岩土体稳定性进行预测，但不能对 已经开采数年的老采空区场地稳定性进行预测和评价。例如，尹彦波(2008)在通过对采空 区周边围岩体进行实时监测，收集监测数据的同时，采用非线性科学理论预测模型方法对 围岩体的稳定性进行预报研究。李磊等(2012)建立了小波去噪模型、沉降预测模型和采空 区失稳辨别模型，结合西郝庄铁矿VI-4矿体采空区情况探讨采空区失稳预警。（2)利用 InSar实时监测系统尽管能够获得较长时间的历史沉降监测数据，能够对区域性大面积地 表沉降特征及趋势进行预测，但对面积较小的采空区场地，其精度不如传统沉降监测方法 高，并且没有建立相应的稳定性定量评价方法。例如，邓喀中等(2015)利用In SAR技术对陕 西某矿区19景Terra SAR影像进行处理与分析，建立了地表残余下沉速度循环峰值与采厚、 下沉速度循环周期与深厚比和工作面推进速度、工作面累积下沉与停采时间的经验关系 式。刘晓菲等(2014)认为D-In SAR技术可以应用于监测大面积的老采空区残余变形，对于 沉降稳定后残余变形微小的老采空区还不能得到理想的结果。（3)传统沉降监测方法，尽管 精度高，然而实际操作中很难获得长时间的沉降监测数据，监测数据往往只有2年或3年，如 何根据2年或3年的监测数据对老采空区进行稳定性定量评价，是当前需要解决的一个重要 问题。
[0004] 针对上述问题，利用所获得的较短时间（2年或3年）的监测数据，结合发明中所提 出的考虑煤层开采后持续时间的概率积分法，提出一种操作简便、能够开展煤矿老采空区 场地稳定性定量评价的方法越来越有必要。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种易于操作的基于沉降监测数据的老采空区 场地稳定性定量评价方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于沉降监测数据的煤 矿老采空区场地稳定性定量评价方法，其关键技术在于:包括下述步骤
[0007] 1)在煤矿老采空区地表布置监测线，获得地表沉降监测数据
[0008] 布置方法为:针对开采工作面，按平行煤层走向布置至少1条监测线，垂直煤层走 向布置至少3条监测线；
[0009] 2)基于监测数据的地表变形特征初步分析 [0010]根据监测数据进行分析，进行两个方面的分析：
[0011] (1)确定地表沉降最大下沉点位置
[0012] 根据获得的实测数据建立各沉降点和沉降量的下沉曲线图，然后分析平行和垂直 煤层走向的监测点沉降量，找出最大下沉点的位置及编号；
[0013] (2)判定主沉降是否结束
[0014] 根据步骤（1)所确定的最大下沉点的下沉量与时间关系曲线及下沉速度曲线，与 包含一般采空区地表下沉规律曲线的图相对比，如果实际监测得到的下沉曲线模式进入了 衰退期模式，可以判定采空区主沉降已经结束，如果老采空区的主沉降已经结束，即可认为 老采空区场地的剩余沉降量等于残余沉降量;即可依据此数据进行地表变形计算；
[0015] 3)煤矿老采空区地表变形计算
[0016] 对于缓倾斜煤层，采用概率积分法计算公式，下沉值：
[0026]式中:W(x，y)为地表任意点（坐标为x和y)的下沉值，mm;
[0027] ix(x，y)、Kx(x，y)、Ux(x，y)、ex(x，y)分别为地表任意点（坐标为X和y)x方向的倾斜 值(mm/m)、曲率值(l(T 3/m)、水平移动值(mm)和水平变形值(mm/m);
[0028] iy(x，y)、Ky(x，y)、Uy(x，y)、ey(x，y)分别为地表任意点（坐标为X和y)y方向的倾斜 值(mm/m)、曲率值（l(T 3/m)、水平移动值(mm)和水平变形值(mm/m) ;WQ、UQ分别为地表充分采 动的最大下沉值和最大水平移动值(mm);
[0029] 其中，
[0031 ] D为工作面倾斜长度和走向长度确定的积分范围(m2);
[0032] r为主要影响半径(m);
[0033] η为下沉系数;Μ为开采煤层厚度(m);
[0034] α为煤层倾角(°) ;b为水平移动系数；
[0035] 其中，残余下沉系数随下沉时间的表达式为：
[0036] n/t = Ae_Bt (3-8)，
[0037]
[0038] 其中，A和B均为确定的参数；
[0039] 将残余下沉系数替换式(3-6)中的下沉系数II，就可以计算不同时期的最大残 余沉降量：
[0040] ffe = n/ tMcos(a) (3-9)
[0041] 再将We替换式(3-2)~(3-5)中的Wo，即可利用Matlab软件编制程序计算残余倾斜、 曲率和水平变形的大小，然后绘制残余下沉值等值线、倾斜值等值线、水平变形等值线和曲 率值等直线图；
[0042] 4)老采空区场地稳定性评价
[0043] (1)根据得到的上述数据和图，根据评价标准即可对老采空区场地的稳定性进行 评价;场地稳定性评价标准依据《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T-D31-03-2011) 进行；
[0044] (2)依据上述标准，将计算得到的残余下沉值、倾斜值、水平变形值和曲率值4个指 标进行综合比对，并画出对比图；
[0045] (3)根据稳定性评价标准和对比图画出按稳定标准确定的分区界线，提取出坐标， 将其投影到CAD图上，就得到了老采空区场地稳定性评价分区图。
[0046] 所述步骤1)中地面沉降监测网由工作水准基点和各监测点构成，用二等水准观 测。
[0047]所述参数A是根据开采工作面岩性特征和2011年交通运输部发布的《采空区公路 设计与施工技术细则》附录D. 0.1-1确定参数τι后，由式A= 1-ri确定;参数B根据计算得到的 某最大下沉点在某一年的下沉值与该位置的实际监测沉降量进行对比，反复几次计算后就 能确定B值的大小。
[0048] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于:本方法能够利用考虑时间效应的概率 积分法，在参数确定时，根据实际监测沉降的增加量=计算得到的残余沉降的减少量这个 关系式，因而采用2年以上的监测数据即可开展评价工作，操作简便、易于进行，并且评价依 据行业标准、规程，评价效果好，极大方便了煤矿老采空区场地稳定性定量评价的开展。
[0049] 说明书附图
[0050] 图1老采空区场地内某一工作面地表沉降监测线布置示意图；
[0051] 图2平行(垂直)煤层走向的各监测点的沉降量；
[0052]图3是地表移动延续时间的确定方法；
[0053]图4-1-a为下沉值等值线;4-1-b为倾斜等值线图，4-1-c为水平变形等值线图，4-1-d为曲率值等值线图；
[0054] 图4-2指标综合对比图；
[0055] 图5是本发明的工作流程图；
【具体实施方式】
[0056] 下面通过具体附图和具体实施例对本发明进行进一步的说明。
[0057] 1、采空区地表监测线的布置
[0058] 一个范围较大的老采空区往往由多个已经开采的工作面组成，工作面的开采时间 不相同，因而不同工作面上覆岩土体的沉降状态也不相同。如果工作面之间相邻较近，后期 开采的工作面也会对前期工作面的沉降量产生重要影响。综合考虑这些影响因素，针对开 采工作面，通常按平行煤层走向布置1条监测线，垂直煤层走向布置3条监测线，如图1所示。 地面沉降监测网由工作水准基点和各监测点构成，用二等水准观测。
[0059] 2、基于监测数据的地表变形特征初步分析
[0060] 当获得地表沉降监测数据以后，需要作2个方面的分析：（1)地表沉降最大下沉点 位置的确定；（2)主沉降是否结束的判定。
[0061 ] (1)地表沉降最大下沉点位置的确定
[0062]当获得实测数据以后，通过如图2所示的曲线图，分析平行和垂直煤层走向的监测 点沉降量，能够找出最大下沉点的位置及编号。
[0063] (2)主沉降是否结束的判定
[0064]参见附图3,具体判定方法为:根据上述（1)所确定的最大下沉点的下沉量与时间 关系曲线及下沉速度曲线（下沉速度曲线依据《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T- D31-03-2011)第68页），与包含一般采空区地表下沉规律曲线的3D. 0.3-1 (出自《采空区公 路设计与施工技术细则》(JTG/T-D31-03-2011))相对比，或参照该技术细则附录D. 0.3其他 方法，如果实际监测得到的下沉曲线模式进入了衰退期模式，可以判定采空区主沉降已经 结束。如果老采空区的主沉降已经结束，即可认为老采空区场地的剩余沉降量等于残余沉 降量，适用于本发明所提供的老采空区场地稳定性定量评价方法。
[0065] 3、基于监测数据的老采空区地表变形计算方法
[0066] 在众多的开采沉陷预计方法中，概率积分法是目前中国应用广泛、成熟的方法。 2000年国家煤炭工业局颁布的《建筑物、水体、铁路及主要巷道煤柱留设于压煤开采规程》 中，把概率积分法列为主要的开采沉陷预计方法。2011年交通部运输部发布的《采空区公路 设计与施工技术细则》推荐配合使用地表移动变形观测法与概率积分法，来计算场地的剩 余变形值。
[0067] 3.1考虑时间影响的概率积分法表达式
[0068] 概率积分法预测地表移动变形如式(3-1)~式(3-5):(引自国家煤炭工业局《建筑 物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，煤炭工业出版社，2000.)
[0079]式中:W(x，y)为地表任意点(坐标为x和y)的下沉值，mm;
[0080] ix(x，y)、Kx(x，y)、Ux(x，y)、ex(x，y)分别为地表任意点（坐标为X和y)x方向的倾斜 值(mm/m)、曲率值（10-3/m)、水平移动值(mm)和水平变形值(mm/m); iy(x，y)、Ky(x，y)、Uy(x， y)、εy (x，y)分别为地表任意点（坐标为x和y) y方向的倾斜值(mm/m)、曲率值（1 (T3/m)、水平 移动值(mm)和水平变形值(mm/m); Wo、U〇分别为地表充分采动的最大下沉值和最大水平移动 值（mm);
[0082] D为工作面倾斜长度和走向长度确定的积分范围（m2);r为主要影响半径(m);n为 下沉系数;Μ为开采煤层厚度(m) ;α为煤层倾角(°) ;b为水平移动系数。
[0083] 当考虑开采后下沉时间影响时，由于开采后形成的地下空洞、裂隙等随沉降逐步 压密，原有的岩性特征发生变化，下沉系数应随时间和应力状态而变化，因而需要确定下沉 系数随时间的变化关系将对于预测老采空区的残余沉降量至关重要。残余沉降量指地表下 沉基本结束后，破碎岩块间的微小空隙经过漫长的时间进一步密实后地表的下沉量。
[0084] 假定在荷载作用下或风化作用下，破裂岩体存在的空隙、裂隙和离层离缝完全闭 合，下沉系数达到1，则最大残余下沉系数的计算表达式(3-7)为：
[0085] n/=l-n (3-7)
[0086] 由于矿区岩性属中硬岩，采厚较大且下部具有较多的断层，根据《采空区公路设计 与施工技术细则》，对采深为200~300m的采空区，下沉期限约为1年，主沉降基本完成。随时 间的增加应力平衡破坏、岩层活化，继续下沉，此时的下沉系数随时间和压密程度逐步减 小，郭广礼等结合徐州西部矿区某区域资料分析，不同时期采空区取用的已完成下沉的下 沉系数见表3-1，范洪冬等(2009)给出了残余下沉系数随下沉时间的表达式(3-8)为：
[0087] n/t = Ae_Bt (3-8)
[0088] 式中，A、B分别为参数;为残余下沉系数;t为时间(a)。该式为负指数函数，当残 余下沉刚开始时，下沉值为最大残余下沉系数，即是t = 0时的下沉值为A=l-ri。当参数B确 定以后，就可以对不同时期的残余沉降系数进行计算。
[0089] 表3-1徐州矿区某区域不同时期的下沉系数参考值
[0090]
[0091] 将残余下沉系数替换式(3-6)中的下沉系数II，就可以计算不同时期的最大残 余沉降量，表达式(3-9):
[0092] ffe = n/ tMcos(a) (3-9)
[0093] 再将We替换式(3-2)~(3-5)中的Wo，即可计算残余倾斜、曲率和水平变形的大小， 进而根据评价标准可对老采空区场地的稳定性进行评价。
[0094] 3.2地表变形计算参数及条件的确定
[0095] (1)计算工作面特征及编号
[0096] 全盆地移动和变形计算公式只适用于计算规则矩形采空区域，考虑到
[0097] 矿区存在多个采空区，且采空区边界形状较复杂，可将采空区简化成多个
[0098] 矩形计算工作面。各计算工作面的基本特征指标统计，按表3-2统计填写。
[0099]表3-2工作面基本特征及指标统计表
[0100]
[0101] (2)残余下沉系数II、的确定
[0102] 按式(3-8)只要确定参数A和B，就能确定残余下沉系数水t。
[0103] 参数A的确定:参数A是根据开采工作面岩性特征和2011年交通运输部发布的《采 空区公路设计与施工技术细则》附录D. 0.1-1确定参数η后，由式Α= ι-η确定(来自上面式3-8中的论述），其中η即是附录D. 0.1-1中的下沉系数q。附录D. 0.1-1见表格3-3。
[0104] 参数B的确定:通过分析监测数据，确定沉降盆地已经完成主沉降，处于残余沉降 阶段，然后重点分析监测数据中沉降量最大的点，找出该点在沉降盆地中的位置，给出一个 B值进行试算，计算利用式(3-1)和(3-9)，并将We替换式(3-1)中的WQ，即可计算出这个最大 下沉点在某一年的下沉值。然后将计算结果与该位置的实际监测沉降量进行对比，反复几 次计算后就能确定B值的大小。所根据的原理是:所获得监测沉降的增加量=计算残余沉降 的减少量，时间一般以年为单位进行计算。例如
[0105] ffni^ffi〇ip= Sioip-Snip (3~10)
[0106] 式中，W_、Wns分别为第10年的监测下沉量和第11年的监测下沉量，分别 为第10年的残余下沉量和第11年的残余下沉量。
[0107] 表3-3 附录D.0.1-1
[0108]
[0109]经过上述方法即可确定采空区各个工作面的参数A和参数B，可以参考表3-4列出 其值大小。
[0110] 表3-4参数A和B的值
[0113] (3)主要移动影响角β
[0114] 主要影响角正切值为开采深度与主要影响半径之比。根据采空区的岩性特征，并 参照《采空区公路设计与施工技术细则》附录D.0.1-1进行取值。
[0115] (4)水平移动系数b
[0116] 水平移动系数反映了地表最大水平移动值和最大下沉值间的比例关系。可根据采 空区的岩性特征，并参照《采空区公路设计与施工技术细则》附录D.0.1-1进行取值，通常取 b = 0.25〇
[0117] 4、老采空区场地稳定性评价
[0118] 4.1残余变形定量计算方法
[0119] 在Matlab软件平台上，通过编制简单的小程序，即可将公式(3-1)~(3~9)求解计 算，进而获得采空区各个工作面中任一位置点在某一年以后的残余下沉值、残余倾斜值、残 余曲率值、残余水平变形值。对于相互影响较大的邻近开采工作面，上述各值需要进行叠 加。所得结果可按表4-1格式进行统计。
[0120] 表4-1 XXX号工作面的残余变形计算结果
[0121]
[0122] 然后利用surfer软件和表4-1所获得的数据，在矿区评价范围内绘制成残余下沉 值等值线、倾斜值等值线、水平变形等值线和曲率值等直线图。参考示例如图4-1-a、4-l_b、 4-1-c、4-1-dj3/|^〇
[0123] 4.2老采空区场地稳定性等级评价标准、原则及方法
[0124] 场地稳定性评价标准依据《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/T-D31-03-2011 )，定量评价指标如表4-2所示，其中地表移动变形值为建筑物场地平整后的地表剩余 移动变形值。
[0125] 表4-2按地表移动变形值确定的场地稳定性等级评价标准
[0126]
[0127]评价的原则为:评价区内的一点，只要4个指标中有1个达到不稳定，即认为该处不 稳定，按照稳定性最差的一级，划分确定稳定性等级。
[0128] 根据上述原则，将计算得到的残余下沉值、倾斜值、水平变形值和曲率值4个指标 进行综合比对，示例如图4-2所示。图中实线为残余下沉值、实粗线为水平变形值、虚粗线为 曲率值。由于倾斜值都小于稳定评价标准3，不在图上进行对比。
[0129] 结合表4-2中的稳定性等级评价标准，对图4-2进行对比分析，画出按稳定标准确 定的分区界线，提取出坐标，其投影到CAD图上，就得到了老采空区场地稳定性评价分区图。
[0130] 我们将该评价方法成功应用于邢台矿区。邢台矿区位于河北省南部邢台市区及市 区西部，地形西高东低，西部为太行山中低山地貌;东部京广铁路以西为丘陵地貌，以东为 平原地貌。上组煤包括1、2、4下、5号煤层。该组1、2煤层顶、底板基本为砂岩含水层，4下、5# 煤层顶、底板为野青、伏青灰岩。开采方法为走向长壁、区内后退、下行跨落采煤法。邢台煤 矿在规划区内部及附近仅采2号煤。为掌握煤矿采空区变形特点、变形周期及变形量，为监 测区地面稳定性评价提供依据。对矿区开展了监测工作，监测期为两年，共监测五次，自 2012年10月至2014年10月，分别是2012年10月、2013年4月、2013年10月、2014年4月和2014 年10月。目前有监测数据覆盖的有8个工作面，所采煤层均为2号煤层，工作面编号分别为 7816、7802、7820、7804、7806、7808、7810、7812。
[0131]采用此种评价方法，得到了邢台矿区采空区场地的残余下沉值、倾斜值、曲率值和 水平变形值的等值线分布图，进而依据标准对老采空区进行了稳定性评价，符合行业规范 要求，获得了专家的认可。而且，近期对该场地及周边建筑物进行了观察，所划分的稳定区、 基本稳定区及欠稳定区与观察结果一致。
【主权项】
1. 一种基于沉降监测数据的煤矿老采空区场地稳定性定量评价方法，其特征在于:包 括下述步骤 1) 在煤矿老采空区地表布置监测线，获得地表沉降监测数据 布置方法为:针对开采工作面，按平行煤层走向布置至少1条监测线，垂直煤层走向布 置至少3条监测线； 2) 基于监测数据的地表变形特征初步分析 根据监测数据进行分析，进行两个方面的分析： (1) 确定地表沉降最大下沉点位置 根据获得的实测数据建立各沉降点和沉降量的下沉曲线图，然后分析平行和垂直煤层 走向的监测点沉降量，找出最大下沉点的位置及编号； (2) 判定主沉降是否结束 根据步骤（1)所确定的最大下沉点的下沉量与时间关系曲线及下沉速度曲线，与包含 一般采空区地表下沉规律曲线的图相对比，如果实际监测得到的下沉曲线模式进入了衰退 期模式，可以判定采空区主沉降已经结束，如果老采空区的主沉降已经结束，即可认为老采 空区场地的剩余沉降量等于残余沉降量;即可依据此数据进行地表变形计算； 3) 煤矿老采空区地表变形计算 对于缓倾斜煤层，采用概率积分法计算公式，下沉值：式中:W(x，y)为地表任意点(坐标为x和y)的下沉值，mm; ix(x，y)、Kx(x，y)、Ux(x，y)、ex(x，y)分别为地表任意点（坐标为X和y)x方向的倾斜值 (mm/m)、曲率值(l(T3/m)、水平移动值(mm)和水平变形值(mm/m); iy(x，y)、Ky(x，y)、Uy(x，y)、ey(x，y)分别为地表任意点（坐标为X和y)y方向的倾斜值 (mm/m)、曲率值（l(T3/m)、水平移动值(mm)和水平变形值(mm/m) ;WQ、UQ分别为地表充分采动 的最大下沉值和最大水平移动值(mm); 其中，D为工作面倾斜长度和走向长度确定的积分范围(m2); r为主要影响半径(m); η为下沉系数;Μ为开采煤层厚度(m); α为煤层倾角(°) ;b为水平移动系数； 其中，残余下沉系数随下沉时间的表达式为： n/t=Ae_Bt (3-8)， 其中，A和B均为确定的参数； 将残余下沉系数替换式(3-6)中的下沉系数II，就可以计算不同时期的最大残余沉降 量： Weir^tM cos(c〇 (3-9) 再将We替换式(3-2)~(3-5)中的Wo，即可利用Mat lab软件编制程序计算残余倾斜、曲率 和水平变形的大小，然后绘制残余下沉值等值线、倾斜值等值线、水平变形等值线和曲率值 等直线图； 4)老采空区场地稳定性评价 (1) 根据得到的上述数据和图，根据评价标准即可对老采空区场地的稳定性进行评价； 场地稳定性评价标准依据《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/T-D31-03-2011)进行； (2) 依据上述标准，将计算得到的残余下沉值、倾斜值、水平变形值和曲率值4个指标进 行综合比对，并画出对比图； (3) 根据稳定性评价标准和对比图画出按稳定标准确定的分区界线，提取出坐标，将其 投影到CAD图上，就得到了老采空区场地稳定性评价分区图。2. 根据权利要求1所述的基于沉降监测数据的煤矿老采空区场地稳定性定量评价方 法，其特征在于:所述步骤1)中地面沉降监测网由工作水准基点和各监测点构成，用二等水 准观测。3. 根据权利要求1所述的基于沉降监测数据的煤矿老采空区场地稳定性定量评价方 法，其特征在于:所述参数A是根据开采工作面岩性特征和2011年交通运输部发布的《采空 区公路设计与施工技术细则》附录D. 0.1-1确定参数τι后，由式A= 1-ri确定;参数B根据计算 得到的某最大下沉点在某一年的下沉值与该位置的实际监测沉降量进行对比，反复几次计 算后就能确定B值的大小。
【文档编号】E02D1/02GK105926569SQ201610272795
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】齐剑峰, 王飞
【申请人】河北地质大学