山区复杂地形下地表移动盆地边界角量参数研究_王比比.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2021-12-22基金项目 国家自然科学基金项目(编号:51974105,52174108);煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室 2018 年开放基金项目(编号:GJNY-18-73.16);河南省高校科技创新人才支持计划项目(编号:21HASTIT024);河南理工大学科技创新型科研团队项目(编号:T2021-5);西安科技大学省部共建西部煤炭绿色开发国家重点实验室基金项目(编号:SKLCRKF1912)。作者简介 王比比(1993),男,博士研究生。通信作者 谭 毅(1985),男,副教授,博士,博士研究生导师。山区复杂地形下地表移动盆地边界角量参数研究王比比1 谭 毅1,2 孙 琦3 杨伟强1 赵高博1 徐飞亚4(1.河南理工大学能源科学与工程学院,河南 焦作 454003;2.煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南 焦作 454003;3.辽宁工程技术大学建筑与交通学院,辽宁 阜新 123009;4.黄河水利职业技术学院水利工程学院,河南 开封 475004)摘 要 为准确有效地获得山区复杂地形条件下地表运移规律和角量参数,以山西山区某矿 20210 复杂地形工作面为例,提出了一种“以点求面”的计算模式,在山区复杂地形工作面非主断面处建立地表移动观测网,利用遗传算法在参数优化推导中的优势,优化出本地区的概率积分法预计参数,拟合研究了山区复杂地形下的地表移动变形规律,得到了地表移动盆地边界角量参数。通过优化的参数对地表移动变形进行了概率积分法预计,并与非主断面实测数据进行了对比分析。结果表明:基于遗传算法优化参数得出的概率积分法结果,其误差均在 5%以内,验证了预计参数及地表下沉数据的可靠性。该地形条件下地表移动下沉最大值为853 mm,矿区走向移动角为69.0,上山移动角为 73.1,上山边界角为 70.3,下山边界角为 59.4,充分采动角为 59.3,最大下沉角为 83.6。关键词 开采沉陷 山区复杂地形 地表移动 沉陷预计 地表移动角量参数 中图分类号TD853 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-154-07DOI 10.19614/ki.jsks.202302021Field Measurement of Boundary Angular Parameters of Surface Moving Basin under Complex Mountainous TerrainWANG Bibi1 TAN Yi1,2 SUN Qi3 YANG Weiqiang1 ZHAO Gaobo1 XU Feiya4(1.School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;2.Collaborative Innovative Center of Coal Safety Production in Henan Province,Jiaozuo 454003,China;3.College of Architecture and Transportation,Liaoning Technical University,Fuxin 123009,China;4.College of Hydraulic Engineering,Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaifeng 475004,China)Abstract In order to accurately and effectively obtain the surface movement law and angular parameters under the com-plex terrain conditions in mountainous areas,taking 20210 working face with complex terrain of a mine in Shanxi Province as an example,a calculation mode of seeking the whole by partial is proposed.The surface movement observation network is es-tablished at the boundary of mining influence of working face with complex terrain in mountainous area,and an optimization scheme based on genetic algorithm is established The surface movement parameters are optimized by the integration method and the surface movement parameters are obtained by comparing the surface movement probability with the measured data.The re-sults show that the error of the optimized probability integration method based on genetic algorithm is less than 5%,which veri-fies the reliability of prediction parameters and surface subsidence data.Under this terrain condition,the maximum surface movement subsidence is 853 mm,the strike movement angle of the mining area is 59.0,the upward movement angle is 73.1,the uphill boundary angle is 70.3,the downhill boundary angle is 59.4,the full mining angle is 59.3 and the maximum subsidence angle is 83.6.Keywordsmining subsidence,mountain complex terrain,surface movement,subsidence prediction,surface movement angle parameter 研究覆岩地表移动变形规律是评价采动损害程度、确定采动影响范围及制定控制措施的基础。因451此,矿山开采导致的地表移动变形规律是国内外煤矿开采损害与保护领域的重要研究方向之一1。目前,关于开采引起的覆岩与地表移动规律等方面已有大量的研究成果2-4,杨建立等5从现场监测出发,通过比较相似条件下有无断层的地表沉陷规律,获得有无断层影响下的覆岩破断规律及移动规律;张广学等6基于鄂尔多斯地区营盘壕煤矿浅埋深厚煤层特点,建立地表移动观测站进行实测,并分析了该地质采矿条件下地表下沉速度的变化特征;刘文岗等7对大采高近浅埋煤层综采面覆岩运动和地表移动变形规律进行了实证研究;戴华阳8较为全面地阐述了覆岩与地表移动变形量的时空关系,给出了各移动变形量之间的数学关系。概率积分法也是研究地表移动变形规律的一种重要手段,已通过大量工程实践证实9-11。郭文兵12通过改进计算参数的预计方法,采用全采多工作面叠加预计方法,准确地进行了深部条带开采地表移动和变形预计;余学义等13以陈家沟煤矿为例,对大采深综放开采方面的概率积分法进行了应用研究;王显军等14以松河矿区为例,采用顾及山区地形因素和山体滑移影响的改进概率积分法,对山区煤矿开采进行了地表沉陷移动变形预测;赵博等15针对山区急倾斜煤层开发出了基于MATLAB 的开采沉陷预计系统并进行了验证;陆玉根等16研究了大采深上覆岩体变形规律;周棒等17针对概率积分法在采空区边缘预计精度不理想的问题,引用概率积分法修正模型并利用递减步长的果蝇算法对模型参数进行了反演,结合反演得到的概率积分法修正模型参数计算了各观测点的拟合值,并与实测值进行了对比验证,对研究特定工作面开采上方地表的移动变形规律具有积极作用。相关研究表明:概率积分法得到的数据与实测值有很好的契合度,可用于指导地表移动变形规律的研究。但不少矿区由于工作面地表情况复杂,因而无法建立常规岩移观测站获取监测数据,对该类情形下的地表移动变形规律的研究有待深入。本研究以山西某矿 20210 工作面山区复杂地表地形为工程背景建立地表移动网状观测站,依据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范(2017)18(以下简称“三下”开采规范),结合概率积分法,对地表移动变形规律及岩层角量参数进行研究。研究成果对于该矿区的保护煤柱设计以及“三下”开采方案和网状观测站设计具有一定的借鉴意义。1 工程地质条件1.1 工作面概况研究区位于祁吕贺兰山字型构造前弧东翼内侧,区域地质应力方向大致为 NWSE 向的挤压。地形复杂,切割强烈,沟谷呈“V”字形。矿井地表植被灌木丛生,特别是 20210 工作面更是复杂,工作面上方存在洗煤厂、水文钻孔及附近存在国家重要线路G309、河沟,而 20210 工作面上方丛林密布、灌木丛生不适合建立观测站(图 1),随着采矿生产的进行,对地面的影响范围也会日趋扩大,有必要针对性地研究开采引起的岩层和地表移动规律。图 1 20210 工作面及观测站位置地表地形卫星图Fig.1 Satellite map of surface topography of 20210 working face and observation station20210 工作面位于 2#煤层北部,其西侧为 20206工作面(已回采结束),东侧为 20216 工作面。20210工作面呈矩形分布,走向长 180 m,倾向长 583 m,工作面平均采厚为 3.39 m,平均采深为 716 m。煤层倾角为 510,为近水平煤层。工作面采用综采采煤方法开采,全部垮落法管理顶板。20210 综采工作面邻近面开采情况及相对位置如图 2 所示。图 2 20210 综采工作面邻近面开采情况及相对位置Fig.2 Mining situation and relative position of 20210 fully mechanized working face and its adjacent working face1.2 工作面覆岩岩性特征20210 工作面设计开采煤层属于 2#煤层,黑色,似金属光泽,以亮煤为主,暗煤次之,半亮型,坚硬,为稳定煤层,f=12。覆岩岩性及煤层顶底板情况如图3 所示。结合 906 号钻孔柱状,采用覆岩综合评价系数计算法,得出的钻孔覆岩综合评价系数(P)值为 0.5。根据上文分析得出的覆岩综合评价系数 P 值,参照“三下”开采规范中岩性综合评价系数 P 与岩性影响系数D的对应关系表,该山区复杂地形下20210工551 王比比等:山区复杂地形下地表移动盆地边界角量参数研究 2023 年第 2 期图 3 906 号钻孔覆岩岩性特征Fig.3 Lithologic characteristics of overlying rock in No.906 borehole作面上覆岩层岩性影响系数 D 为 1.64。由此可知:20210 工作面上覆岩层岩性综合评定为中硬岩层,为后续概率积分法参数选取提供了参考。2 实测网状观测站地表移