急倾斜矿层开采地表移动变形预计

作者:薛丽晨;卢浩;王远坚;徐永梅; 刊名:金属矿山 上传者:范建军

【摘要】常用预计方法不适用于急倾斜矿层开采地表下沉预计,预测结果与实测数据相差较大,难以符合实际生产要求。在急倾斜矿层开采地表移动变形预计中一般采用皮尔森Ⅲ型函数,由于该模型所需的计算参数较多且求取方法较为复杂,在实际工作中并未得到广泛应用。采用改进的皮尔森Ⅲ型函数进行急倾斜矿层地表移动变形预计,改进后的皮尔森Ⅲ型函数与经典皮尔森Ⅲ型函数具有相同的性质,参数物理意义明确且方便求解应用。根据某金矿地表移动观测资料,采用改进的皮尔森Ⅲ型函数为预计模型,应用MATLAB软件进行了模拟计算,预计了急倾斜金矿层开采引起的地表下沉、倾斜和曲率,分析了地表移动变形预计的特点,为金矿建(构)筑物下安全开采提供了依据,为实现急倾斜矿层开采地表移动变形精确预计奠定了基础。

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地下开采会破坏地层内部原始应力的平衡状态,导致岩层与地表移动,引发地面建(构)筑物破坏[1-2]。为实现建筑物下安全开采,需要对地表移动变形进行预计研究。国内外关于地下开采地表移动变形预计的方法有很多,如概率积分法、负指数函数法、典型曲线法等[3]。大量实践证明,该类预计方法对于倾角小于55°的矿层的地表移动变形具有较高的预计精度[4-6]。相对于缓倾斜矿层,急倾斜矿层赋存条件复杂,开采活动对岩层与地表移动的特殊影响规律复杂,导致经典方法的预计结果往往与急倾斜矿层开采地表移动变形规律不相符。总体上,急倾斜矿层开采地表移动变形问题的研究远不及水平及缓倾斜矿层开采研究深入,缺少精度较高的预计模型。在急倾斜矿层开采地表移动变形预计中一般采用皮尔森Ⅲ型函数法[7-8],该方法是一种经验公式计算方法,在矿井开采资料充足的条件下,如果参数选取得当,预计结果较为理想。但由于该模型所需的计算参数较多且求取较为复杂,在实际工作中并未得到广泛应用。为此,本研究采用改进的皮尔森Ⅲ型函数进行急倾斜矿层地表移动变形预计,改进后的皮尔森Ⅲ型函数与经典皮尔森Ⅲ型函数具有相同的性质,参数物理意义明确且方便求解应用[9]。本研究采用改进的皮尔森Ⅲ型函数作为预计模型,以某金矿地表移动变形预计为实例,通过MATLAB软件[10]计算下沉、倾斜变形和曲率变形,并绘制各种移动变形曲线,分析该矿地表移动变形预计的特点,为金矿建(构)筑物下安全开采提供可靠依据。1皮尔森Ⅲ型函数法1. 1基本公式皮尔森Ⅲ型函数法是急倾斜矿层开采地表移动变形预计的一种经验公式计算方法,其坐标系以底板移动边界为坐标原点、下山方向为X轴(图1)。下沉量计算公式为W(x)=a1WmaxZa2e-a3Z,(1)a1WmaxZa2e-a3Z,(1)式中,a1,a2,a3为下沉盆地待定系数;Wmax=mqn,为mqn,为最大下沉量,mm;m为矿层法向开采厚度,m;q为下沉系数;n为倾向方向充分采动系数;Z=x La,为无量纲坐标;x是以矿层底板方向下沉盆地边缘点为坐标原点的横坐标,m;La=H1(cotλ0+cotβ0)+m sinα,H1(β0)+m sinα,cotλ0+cotβ0+m sinα,为下沉盆地倾向剖面全长,m;H1为回采区段下山边界采深,m;β0,λ0分别为矿层顶板和底板方向边界角,按下沉10 mm为标准确定,(°);α为矿层倾角,(°)。主断面倾斜变形i(x)和曲率变形K(x)可进行如下计算:ì?í??i(x)=a1Za2e-a3Z(a2Z-a3)a1Za2e-a3Z(a2Z-a3)K(x)=a1Za2ea1Za2e??è?÷?a22Z-2 a2-2aZ2a3+a32.(2)Z2-2aZ2a3+a32.(2)1. 2改进的皮尔森Ⅲ型函数要对一个新采区进行地表移动变形预计,首先需要确定参数a1,a2,a3取值。但参数a1,a2,a3的意义不明确,且求取过程比较复杂。为减少参数个数,简化计算过程,根据文献[9],对皮尔森Ⅲ型函数进行如下改进:首先将下沉公式简化为无因次曲线,即:W('x)=W(x)Wmax=a1Za2e-a3Z,(3)max=a1Za2e-a3Z,(3)对上式进行求导并令导数等于0,得到最大下沉点的横坐标为Z=a2a3,(4)2a3,(4)将式(4)代入式(3),由于式(3)是无因次曲线,所以最大下沉值应为1,可得:a1(a2a3)a2e-a2=1.(5)(5)从式(5)可以看出参数a1,a2,a3并不独立。为使参数a1,a2,a3独立且具有明确的物理意义,令b=a2a3,a=a2,代入式(

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