一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及煤层开采技术领域，具体涉及一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系 数的确定方法。
【背景技术】
[0002] 由于地表移动变形各个指标均与地表的最大下沉值有直接关系，且地表最大下沉 值是由下沉系数决定，可见，地表下沉系数对准确地预计地表移动变形具有决定性的作用， 因此，较为准确地确定地表下沉系数显得尤为重要。
[0003] 目前，地表下沉系数的确定方法通常为地表观测的实际下沉值与煤层开采高度的 比值，地表下沉系数为一定值，应用该方法在一般采矿地质条件下较为适用，但对于黄土沟 壑区下煤层开采，地表下沉系数的确定按照上述计算方法，由于未考虑黄土沟壑区坡体自 身的稳定性，将导致下沉系数增大，导致地表下沉预计误差较大；同时按照上述计算方法， 地表下沉不是一个定值，计算的下沉系数随坡体的稳定性就不同，将产生较大的偏差，给现 场进行地表沉陷预计带来不确定性。
【发明内容】
[0004] 为解决上述问题，本发明提供了一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定 方法，该方法步骤简单，实现方便，能够较为精确地确定黄土沟壑区地表下沉系数，使用效 果好，便于推广使用。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0006] -种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤一、根据黄土沟壑区下煤层开采地面布设观测站测量的数据，初步计算该条 件下煤层开采的下沉系数：
[0008]
[0009]式中：m为根据地表实际测量数据得出的地表下沉系数;为地表实际测量的地 表最大下沉量，单位mm ;m为煤层实际开采厚度，单位m; a为煤层的角度；
[0010]步骤二、对坡体进行稳定性分析，并计算坡体稳定性给地表造成的下沉附加量； [0011] (1)坡体稳定性分析：
[0012]
[0013] 式中：G为坡体自身的稳定性判别系数;δ为坡体的角度;h为表土层的厚度，单位m; γ为土体的密度，单位kg/m3;C为土体的内聚力，单位Pa; P为土体的内摩擦角；
[0014] (2)坡体滑移引起的下沉附加量：
[0015] Δ w(x) =G X sin5(w(x) X sin5+u(x) X cos5)
[0016] 式中：Aw(x)为沿坡体方向因坡体滑移引起的下沉附加量，单位mm;w(X)为沿坡体 方向地表实际测量的最大下沉量，单位mm;u(X)为沿坡体方向地表实际测量的最大水平移 动量，单位mm;其中，坡体自身稳定性判别系数和坡体滑移产生的附加量的计算，其关键步 骤为：（1)需要准确地确定坡体自身的角度S、表土层的厚度h、土体的密度γ、土体的内聚力 C和土体的内摩擦角Ρ;(2)需要准确地观测坡体上观测点的最大下沉值和水平移动值；
[0017]步骤三、结合地表实测数据和沟壑区坡体滑移产生的附加量，利用计算机反演模 拟的方法，进一步确定地表下沉系数η;具体方法为：
[0018] S31、结合坡体自身稳定性判别系数和地表沿坡体方向实测的最大垂直移动量w (X)与水平移动量u(x)，计算出坡体滑移引起的地表下沉附加量AwU);
[0019] S32、假设地表下沉系数II，则地表下沉系数表达式为：
[0020]
[0021 ] 此时地表的最大下沉值wmax*:
[0022] Wmax=m · η · cosa
[0023] S33、将求取的地表最大下沉值wmax代入地表下沉盆地预计公式进行计算机反演模 拟计算，将计算求取的地表下沉值与该沟壑区地面观测点下沉值进行对比分析，反复步骤 S31和步骤S32,直至计算机反演数值与地表观测数据相吻合为止，从而确定地表下沉系数 n〇
[0024] 其中：所述步骤三的具体步骤为：
[0025] 步骤101、初步确定地表下沉系数
在此基础上计算该工况下 地表的最大下沉值:Wmax = m · n · cosa;
[0026] 步骤102、根据公式
勿进行全盆地的地表下沉值 的预计，其中，j为计算开采单元的块段数目；k为计算开采每一块段的拐点数;qh为使用计 算的直角坐标系中x轴与通过计算点和拐点h连线间的夹角;Rk为极坐标半径，其表达式为：
[0027] 、? Λ 屮 i < ft， 乂
、 Λ 丁 1 Λ ' ▲
[0028] 步骤103、根据上述公式计算地表对应点的地表下沉值w(x，y)，结合坡体自身稳定 性系数和地表的最大实测w(X)和u (X)数据，可计算出对应地表点的预计下沉量X，y)， 其具体计算表达式为：
[0029] wfff(x,y) = w(x,y)+Aw(x)；
[0030 ]步骤10 4、根据计算对应地表点的预计下沉量w预i+ (x，y)与地表实测的下沉量w^i (x，y)进行对比分析，反复上述步骤101、102和103过程，直到爾心，7)与形》(1，7)相吻合为 止，此时确定的地表下沉系数n则为黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数。
[0031] 本发明具有以下有益效果：
[0032] 通过在传统的计算方法基础上，充分考虑坡体自身的稳定性及坡体产生滑移的下 沉附加量，使原来计算方法确定的下沉系数由一个动态变化值，转变成一个定值，实现了黄 土沟壑区条件下地表下沉系数的唯一性，该方法步骤简单，实现方便，使用效果好，完善了 目前确定地表下沉系数的方法，便于推广便用。
【附图说明】
[0033]图1为本发明实施例中一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确定方法的流 程图。
[0034]图2为本发明实施例中柠条塔煤矿N1114和N1206工作面斜交叠置开采地表移动变 形观测站布置图。
[0035]图3为本发明实施例中N1114工作面与N1206工作面开采地表下沉等值线图（单位： mm) 〇
[0036] 图4为本发明实施例中D观测线剖面图。
[0037] 图5为本发明实施例中D观测线西侧坡体剖面图（局部）。
【具体实施方式】
[0038]为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合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仅用以解释本发明，并不用于限定本发 明。
[0039] 如图1所示，本发明实施例提供了一种黄土沟壑区下煤层开采地表下沉系数的确 定方法，包括如下步骤：
[0040] 步骤一、根据黄土沟壑区下煤层开采地面布设观测站测量的数据，初步计算该条 件下煤层开采的下沉系数：
[0041]
[0042] 式中：m为根据地表实际测量数据得出的地表下沉系数;为地表实际测量的地 表下沉量，单位mm ;m为煤层实际开采厚度，单位m; a为煤层的角度；
[0043] 步骤二、对坡体进行稳定性分析，并计算坡体稳定性给地表造成的下沉附加量；
[0044] (1)坡体稳定性分析：
[0045]
[0046 ]式中：G为坡体自身的稳定性判别系数;δ为坡体的角度;h为表土层的厚度，单位m; γ为土体的密度，单位kg/m3;C为土体的内聚力，单位Pa; P为土体的内摩擦角；
[0047 ] (2)坡体滑移引起的下沉附加量：
[0048] Δ w(x) =G X sin5(w(x) X sin5+u(x) X cos5)
[0049] 式中：△ w(x)为沿坡体方向因坡体滑移引起的下沉附加量，单位mm;w(x)为沿坡体 方向地表实际测量的最大下沉量，单位mm;u( X)为沿坡体方向地表实际测量的最大水平移 动量，单位mm;其中，坡体自身稳定性判别系数和坡体滑移产生的附加量的计算，其关键步 骤为：（1)需要准确地确定坡体自身的角度S、表土层的厚度h、土体的密度γ、土体的内聚力 C和土体的内摩擦角Ρ;(2)需要准确地观测坡体上观测点的最大下沉值和水平移动值；
[0050] 步骤三、结合地表实测数据和沟壑区坡体滑移产生的附加量，利用计算机反演模 拟的方法，进一步确定地表下沉系数η;具体方法为：
[0051] 步骤101、初步确定地表下沉系数：
在此基础上计算该工况下 地表的最大下沉值:Wmax = m · η · cosa;
[0052] 步骤102、根据公式
句进行全盆地的地表下沉值 的预计，其中，j为计算开采单元的块段数目；k为计算开采每一块段的拐点数;qh为使用计 算的直角坐标系中x轴与通过计算点和拐点h连线间的夹角;Rk为极坐标半径，其表达式为：
[0053]
[0054] 步骤103、根据上述公式计算地表对应点的地表下沉值w(x，y)，结合坡体自身稳定 性系数和地表实测w(X)和u(X)数据，可计算出对应地表点的预计下沉量wi计(X，y)，其具体 计算表达式为：
[0055] 砸十(x，y) =w(x，y)+Δ w(x);
[0056 ]步骤10 4、根据计算对应地表点的预计下沉量w预i+ (x，y)与地表实测的下沉量w^i