一种开采沉陷动态预计的新方法与流程

本发明涉及煤矿区开采沉陷动态预计的一种新方法。

背景技术：

煤炭资源开采沉陷导致了大量土地资源的破坏，严重影响了区域的可持续发展。损毁土地的复垦也成为当前迫切需要解决的问题。如果能在煤炭资源开采之前，提前掌握的损毁土地的相关信息，对于控制生态环境退化，制定复垦措施具有重要意义。开采沉陷预计是制定土地复垦的关键技术，但传统的预计方法都是基于地表移动稳定后的终止状态，无法反映变化过程对生态环境的损毁，造成结果评估与实际的差异，导致复垦措施的针对性不足。所以，动态沉陷预计成为“边开采边复垦”的关键技术。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种开采沉陷动态预计的新方法，利用元胞自动机模型实现开采沉陷动态预计，实现开次沉陷演化过程的可视化表达。

本发明的技术方案是，一种开采沉陷动态预计的新方法，其特征是具体包括以下步骤：

1、元胞空间的划分

将开采沉陷元胞空间划分为地表元胞空间和地下煤层元胞空间。两个元胞空间采用统一空间基准和单元尺寸，每个单元赋予一个编码，表示空间位置；

2、元胞状态的定义

(1)地表元胞状态定义

地表元胞所要表示的状态为反映开采沉陷预计参数的相关变量，是一个变量集合；

式中，表示t时刻，地表元胞si,j的无因次下沉值；表示t时刻，地表元胞si,j的下沉值；wmax表示地表最大下沉值；

(2)地下煤层元胞状态定义

地下煤层元胞状态反映的是地下煤层随开采工作面推进而对地表元胞沉陷的作用值，采用如下公式进行表示：

式中,表示给定时刻t煤层元胞ci,j的状态；tc表示煤层元胞ci,j设定的开采时刻；t0表示时间作用距,根据工作面推进速度和主要影响半径进行计算，见如下公式：

t0＝r/v(3)

式中，v为工作面推进速度,m/d；r为主要影响半径,m；x为时间距的无因次化，采用如下公式：

x＝(t-tc)/t0(4)

(3)邻域定义

根据开采沉陷理论，地下单元煤层的开采，对地表的影响位于一定范围之内，即主要影响半径(r)，结合元胞大小，根据下式确定影响地表元胞的地下煤层元胞空间邻域阶数；

k＝1.5*r/d(5)

式中，k为影响地表元胞的地下煤层邻域元胞的阶数；r为煤层开采影响半径，d为单元尺寸；

邻域元胞与中心元胞的距离越近，其影响越大，采用下式进行表达：

式中,表示邻域元胞ci+m,j+n对单元中心元胞si,j的影响值；k为邻域阶数；

(4)单元转换规则

地下煤层状态演化相当于一个随着按照开采计划不断演化的系统，其元胞状态转换利用公式(2)进行表达，对于某给定的地表元胞si,j，其在(t+1)时刻的状态依赖煤层邻域元胞在(t+1)时刻的状态，公式表达如下：

式中,表示地表元胞si,j在(t+1)时刻的状态；表示邻域元胞ci+m,j+n对中心单元si,j的影响值；表示邻域元胞ci+m,j+n在t+1时刻的状态值；

(5)演化时间单位

不同的元胞自动机系统，其演化的时间单位可能不同，为了与采煤工作面的推进速度相一致，本方案中采用天为单位，即，每天系统更新一次。

(6)全域变形计算

计算出每个地表元胞空间在给定时刻的无因次下沉值后，进而得到整个元胞空间的无因次下沉量。根据相邻地表元胞空间的下沉值和元胞尺寸值，可以计算出不同方面倾斜变形以及曲率。在结合水平移动系数，可以计算出水平移动和水平变形。结合时间参数，进而可以分析变形速度。

附图说明

图1是开采沉陷动态预计元胞空间划分示意图。

图2是地表元胞si,j的煤层邻域元胞划分示意图。

图3是地表元胞随着开采进行的沉陷变化曲线图。

具体实施方式

一种开采沉陷动态预计的新方法，包括以下步骤：

1、元胞空间的划分

开采沉陷预计涉及地上及地下两部分。因此，与传统元胞自动机不同的是，开采沉陷元胞空间划分为地表元胞空间和地下煤层元胞空间。两个元胞空间采用统一空间基准和单元尺寸，地下元胞空间的演化，引发地表元胞空间状态的改变。为了与开采工艺相结合，元胞尺寸尽可能与工作面每天推进的距离相同。这样元胞空间的演化物理意义明确，系统每经过一次演化，对应的时间单位就为一天，煤层元胞单元的状态与系统演化易于耦合。每个单元赋予一个编码，表示空间位置，图1为三维模式下的元胞空间划分，用ci,j表示地下煤层元胞，si,j表示地表元胞，i表示在走向方向元胞编号，j表示元胞在倾向方向的编号。

2、元胞状态的定义

元胞自动机的系统演化过程就是每个元胞单元状态变化的过程。首先需要明确元胞的状态变量及空间。

(1)地表元胞状态定义

地表元胞所要表示的状态为反映开采沉陷预计参数的相关变量，是一个变量集合。其中下沉是基础变量，其他变量可以通过下沉值推演出来。因此，此处以无因次下沉值为例进行说明。

式中，表示t时刻，地表元胞si,j的无因次下沉值；表示t时刻，地表元胞si,j的下沉值；wmax表示地表最大下沉值。

(2)地下煤层元胞状态定义

地下煤层元胞状态反映的是地下煤层随开采工作面推进而对地表单元沉陷的作用值。采用如下公式进行表示：

式中,表示给定时刻t煤层元胞ci,j的状态；tc表示煤层元胞ci,j设定的开采时刻；t0表示时间作用距,根据工作面推进速度和主要影响半径进行计算，见如下公式：

t0＝r/v(3)

式中，v为工作面推进速度,m/d；r为主要影响半径,m；x为时间距的无因次化，采用如下公式：

x＝(t-tc)/t0(4)

(3)邻域定义

地表元胞状态演化依赖于地下煤层元胞状态的变化。所以，地表元胞的邻域空间在地下煤层元胞空间中进行确定。根据开采沉陷理论，地下元胞煤层的开采，对地表的影响位于一定范围之内，即主要影响半径(r)，结合元胞单元大小，根据下式确定影响地表元胞的地下煤层元胞空间邻域阶数。

k＝1.5*r/d(5)

式中，k为影响地表元胞的地下煤层邻域元胞的阶数；r为煤层开采影响半径，d为单元尺寸。邻域划分见图2所示。

邻域单元与中心单元的距离越近，其影响越大，采用下式进行表达：

式中,表示邻域元胞ci+m,j+n对单元中心单元si,j的影响值；k为邻域阶数。

(4)单元转换规则

单元转换规则是系统演化的基础，反映邻域元胞与中心元胞相互作用的关系，是系统自动演化的基础。地下煤层状态演化相当于一个随着按照开采计划不断演化的系统，其元胞状态转换利用公式(2)进行表达。对于某给定的地表元胞si,j，其在(t+1)时刻的状态依赖煤层邻域元胞在(t+1)时刻的状态，公式表达如下：

式中,表示地表元胞单元si,j在(t+1)时刻的状态；表示邻域元胞ci+m,j+n对中心单元si,j的影响值；表示邻域元胞ci+m,j+n在t+1时刻的状态值。

(5)演化时间单位

不同的元胞自动机系统，时间单位可能不同。为了与采煤工作面的推进速度相一致，本方案中采用天为单位，即，每天系统更新一次。

(6)全域变形计算。

计算出每个地表元胞空间在给定时刻的无因次下沉值后，进而得到整个元胞空间的无因次下沉量。根据相邻地表元胞空间的下沉值和元胞尺寸值，可以计算出不同方面倾斜变形以及曲率。在结合水平移动系数，可以计算出水平移动和水平变形。结合时间参数，进而可以分析变形速度。

模拟实验

选择华东某矿为例进行设计分析。该矿煤层平均厚度m＝8.0m。埋藏深度h＝320m。地表地形平坦，平均高程h0＝44m。模拟工作面走向长度a＝1580m，宽度b＝500m，采用综合机械化开采，工作面每天推进v＝4m/d。结合周围矿井的岩层移动观测资料，主要影响角正切tgβ＝2。最大下沉系数q＝0.84，结合前文的资料进行沉陷过程模拟。

(1)元胞空间的划分及主要参数的确定

根据给定的资料，该矿煤炭资源开采的主要影响半径：r＝320/2＝160m

工作面每天推进4米，因此单元尺寸大小：s＝4m

根据沉陷可能导致的影响范围，初步确定元胞的空间规模大小：500*250

煤层邻域元胞的阶数：k＝1.5*160/4＝60

开采影响时间主要作用距：t0＝r/v＝160/4＝40天

(2)特定点随开采过程的演化过程

本案例选择了五个地表元胞(即：s100,100，s200,100，s250,100，s300,100，s400,100)，以开始开采的时间为第1天，分析了在某一断面上，不用地表元胞单元在400天内的无因次下沉值的变化情况，见图3所示。

(3)讨论

为了便于分析，本方案对一些开采条件进行了简化和限定，如工作面匀速推进，煤层结构简单，地表水平等。实际情况较为复杂，应当根据具体条件进行相应调整。