礦區(qū)新建建筑物引起的地表殘余移動變形預(yù)測及防治方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了老采區(qū)地表新建建筑物時產(chǎn)生地表殘余移動變形的預(yù)測及防治方法。該預(yù)測方法基于新建建筑物前通過礦圖或基于地質(zhì)鉆孔作為物探分析控制的EH4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)對老采區(qū)物探獲得的開采參數(shù)、以及我國現(xiàn)有的巖移參數(shù)、在老采區(qū)地表馬上要新建建筑物時進(jìn)行老采區(qū)地表走向線的水準(zhǔn)測量成果；預(yù)測目標(biāo)為地表殘余下沉、地表殘余傾斜變形、地表殘余曲率變形、地表殘余水平移動和地表殘余水平變形；解決了前人預(yù)測時參數(shù)不足、有新參數(shù)出現(xiàn)而難于推廣的問題，可評價老采區(qū)地表新建建筑物損壞等級、預(yù)先對新建建筑物采取防治地表殘余移動變形的地基（老采區(qū)）注漿實(shí)施方法，包括：由地面對采空區(qū)注漿工程的工藝流程、注漿材料、漿液配比等。
【專利說明】礦區(qū)新建建筑物引起的地表殘余移動變形預(yù)測及防治方法 所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬煤礦開采沉陷領(lǐng)域，涉及煤礦老采區(qū)上方新建建筑物引起的地表殘余移 動變形預(yù)測及防治方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 煤礦開采引起大范圍地表沉陷，造成人員傷亡、城鎮(zhèn)建筑物、生命線系統(tǒng)和生態(tài)環(huán) 境破壞，威脅人民生命財產(chǎn)安全。2000年煤炭工業(yè)出版社出版的《建筑物、水體、鐵路、及主 要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》規(guī)定：地表移動從下沉10毫米開始，到連續(xù)6個月下沉不 超過30毫米時結(jié)束，地表移動延續(xù)時間T = 2. 5?，其中，T的單位：天，一般為3?5年的 天數(shù)；Htl為平均開采深度，單位：米。但是，國外觀測資料表明，此時的采空區(qū)并沒有達(dá)到穩(wěn) 定程度，在老采區(qū)上方新建建筑物等外來因素影響下，地表將繼續(xù)產(chǎn)生殘余移動變形，可造 成新建建筑物損害，甚至引起地表突發(fā)性塌陷。R. E. Gray和R. W. Pruern在研究匹茲堡煤層 開采沉陷問題時指出，老采空區(qū)房柱式開采的下沉可能在開采后50年或更長時間后發(fā)生。 地表殘余移動變形對建筑物的影響已成為地基穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵問題。
[0003] 本發(fā)明提供者朱廣軼在《遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報》自然科學(xué)版2009年第5期發(fā)表 的"論淺部開采條件下城區(qū)土地開發(fā)"論文提出了地表殘余移動變形發(fā)生的判據(jù)：按地基附 加應(yīng)力〇 z與地基自重應(yīng)力〇。的關(guān)系KcPtl = 0? IX …+rnhn)計(jì)算有效深度Z。 式中，Ptl為作用于基礎(chǔ)底面平均附加壓力，A為地基第i巖層的容重，Iii為地基第i巖層的 厚度，Kc為均布矩形荷載角點(diǎn)下堅(jiān)向附加應(yīng)力系數(shù)，與有效深度Z有關(guān)。然后，通過采煤臨 界深度公式Hu = Z+Hu+Hb計(jì)算出Hu，如果滿足判據(jù)HfHtl，才會出現(xiàn)地表殘余移動變形。在 公式Hu = Z+Hu+Hb中，Hu為采煤臨界深度；Hli為礦區(qū)導(dǎo)水裂縫帶的最大高度；H b為不可沖 填帶高度，Hb = 0. 16H。。
[0004] 判據(jù)HJHtl，將會出現(xiàn)地表殘余移動變形時，地表殘余移動變形值大小的預(yù)測方法 是地基穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵問題。然而，目前，規(guī)程沒有地表殘余移動變形的定義和地表殘 余移動變形的預(yù)測方法；一些文獻(xiàn)僅僅對地表殘余下沉100進(jìn)行過探討，但前人仍存在 WJx)表達(dá)式因參數(shù)太少而難于準(zhǔn)確表達(dá)覆巖地質(zhì)采礦因素的復(fù)雜效應(yīng)、因出現(xiàn)了新參數(shù) 而難于推廣等問題；特別是前人沒有應(yīng)用我國現(xiàn)有巖移參數(shù)進(jìn)行地表殘余傾斜變形、 地表殘余曲率變形K。(X)、地表殘余水平移動Ujx)、地表殘余水平變形的全面研究， 因?yàn)闆]有LU)、e。〇〇、Ke(X)，而無法按規(guī)程評定老采區(qū)地表新建建筑物損壞等級，也就無 法根據(jù)老采區(qū)地表新建建筑物損壞等級去采取相應(yīng)的災(zāi)害防治措施。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是提供一種礦區(qū)新建建筑物引起的地表殘余移動變形預(yù)測及防治方 法，該地表殘余移動變形預(yù)測方法基于我國現(xiàn)有的巖移參數(shù)：下沉系數(shù)q、水平移動系數(shù) b、主要影響角正切tan P、最大下沉角0、拐點(diǎn)偏距S1、S2、S3、S4等多個巖移參數(shù)去精確 地預(yù)測地表殘余下沉、地表殘余傾斜變形、地表殘余曲率變形、地表殘余水平移動、地表殘 余水平變形；由此才能評價老采區(qū)地表新建建筑物損壞等級、采取防治地表殘余移動變形 的對應(yīng)措施。
[0006] 所述地表殘余移動變形定義的說明：《建筑物、水體、鐵路、及主要井巷煤柱留設(shè)與 壓煤開采規(guī)程》規(guī)定：地表移動延續(xù)時間結(jié)束為連續(xù)6個月下沉不超過30毫米；而本發(fā)明 將地表連續(xù)6個月下沉不超過30毫米時稱為地表初始穩(wěn)定時間；地表初始穩(wěn)定之后的地表 移動變形，稱為地表殘余移動變形；地表殘余移動變形分為兩個階段：第一階段，連續(xù)6個 月下沉不超過30毫米之后，各移動變形增量逐漸趨于0的過程；第二階段，在老采空區(qū)淺部 地表新建建筑物時，老采空區(qū)及覆巖活化，地表繼續(xù)產(chǎn)生的移動變形，該階段移動變形對建 筑物影響常是有害的、不可忽略的；地表殘余移動變形對建筑物的有害影響實(shí)際上是第二 階段產(chǎn)生的，通常人們講的地表殘余移動變形是指第二階段的。
[0007] -種礦區(qū)新建建筑物引起的地表殘余移動變形預(yù)測方法，其步驟為：
[0008] 步驟1、如果老采區(qū)工作面開采深度大于150米，老采區(qū)地表新建建筑物不會引 起的地表殘余移動變形；如果開采深度小于等于150米，則依據(jù)"【背景技術(shù)】"介紹的判據(jù) HfHtl，計(jì)算采煤臨界深度Hu，將采煤臨界深度Hu與平均開采深度H tl進(jìn)行比較，如果判據(jù) HfHtl條件滿足，可認(rèn)定老采區(qū)地表會出現(xiàn)地表殘余移動變形；繼續(xù)以下步驟。
[0009] 步驟2、收集資料
[0010] ⑴收集開采資料：通過礦區(qū)的礦圖資料搜集工作面走向長度D3、工作面傾向長度 D1,開采厚度M，煤層傾角a，平均開采深度Htl，最大下沉角0。
[0011] 到老采區(qū)地表建筑區(qū)實(shí)地考察；到與老采區(qū)相關(guān)的地質(zhì)、測量、采礦等專業(yè)的技術(shù) 人員、地表建筑區(qū)居民進(jìn)行走訪。
[0012] 若無礦圖，這些開采參數(shù)通過采用美國EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)（Electrical Conductivity Imaging System Hybrid-Source Magnetotellurics)，在物探區(qū)均勻布設(shè)的 若干條觀測線分析獲得；觀測線測點(diǎn)間距10米，測線間距視物探精度定，一般可取10米? 20米左右；為防止對EH-4電導(dǎo)率成像的人為誤判，在物探區(qū)均布兩個以上地質(zhì)鉆孔作為 EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)物探分析的控制。
[0013] ⑵搜集礦區(qū)的巖移參數(shù)：下沉系數(shù)q，主要影響角正切tan P，水平移動系數(shù)Id1，拐 點(diǎn)偏距S4，最大下沉角0。
[0014] ⑶在老采區(qū)地表馬上要新建建筑物時，進(jìn)行一次老采區(qū)地表走向線的水準(zhǔn)測量， 獲得此時地表最大下沉值W'
[0015] 步驟3、按以下順序獲得傾向主斷面最大下沉值
[0016] (1)計(jì)算采空區(qū)中心地表最大下沉點(diǎn)縱坐標(biāo)

【權(quán)利要求】
1. 一種礦區(qū)新建建筑物引起的地表殘余移動變形預(yù)測及防治方法，其特征是：其步驟 為： 步驟1、如果老采區(qū)工作面開采深度大于150米，老采區(qū)地表新建建筑物不會引起的地 表殘余移動變形；如果開采深度小于等于150米，則依據(jù)"【背景技術(shù)】"介紹的判據(jù)1^〉％，計(jì) 算采煤臨界深度，將采煤臨界深度Hu與平均開采深度％進(jìn)行比較，如果判據(jù)1^〉％條件 滿足，可認(rèn)定老采區(qū)地表會出現(xiàn)地表殘余移動變形；繼續(xù)以下步驟； 步驟2、收集資料 ⑴收集開采資料：通過礦區(qū)的礦圖資料搜集工作面走向長度D3、工作面傾向長度Di，開 采厚度M，煤層傾角a，平均開采深度％，最大下沉角0 ;到老采區(qū)地表建筑區(qū)實(shí)地考察；到 與老采區(qū)相關(guān)的地質(zhì)、測量、采礦等專業(yè)的技術(shù)人員、地表建筑區(qū)居民進(jìn)行走訪；若無礦圖， 這些開采參數(shù)通過采用美國EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)（ElectricalConductivityImaging SystemHybrid-SourceMagnetotellurics)，在物探區(qū)均勻布設(shè)的若干條觀測線分析獲 得；觀測線測點(diǎn)間距10米，測線間距視物探精度定，一般可取10米?20米左右；為防止對 EH-4電導(dǎo)率成像的人為誤判，在物探區(qū)均布兩個以上地質(zhì)鉆孔作為EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng) 物探分析的控制； ⑵搜集礦區(qū)的巖移參數(shù)：下沉系數(shù)q，主要影響角正切tanL水平移動系數(shù)h，拐點(diǎn)偏 距51、52、53、54，最大下沉角0; ⑶在老采區(qū)地表馬上要新建建筑物時，進(jìn)行一次老采區(qū)地表走向線的水準(zhǔn)測量，獲得 此時地表最大下沉值W' 步驟3、按以下順序獲得傾向主斷面最大下沉值 (1) 計(jì)算采空區(qū)中心地表最大下沉點(diǎn)縱坐標(biāo)
式中，ym為空區(qū)中心地表最大下沉點(diǎn)縱坐標(biāo)，單位：米A為工作面傾向長度，單位：米；SiS工作面下山方向的拐點(diǎn)偏距，單位：米；0為最大下沉角，單位：度；a為煤層傾角度單 位：度； (2) 計(jì)算充分采動時地表最大下沉值 W〇 =Mqcosa 式中，W。為充分采動時地表最大下沉值，單位：毫米;M為開采厚度，單位：毫米；a為煤 層傾角，單位：度；q為下沉系數(shù)，無量綱； (3) 計(jì)算工作面傾向計(jì)算長度
式中，L為工作面傾向計(jì)算長度，單位：米辦為工作面傾向長度，單位：米；Si為工作面 下山方向拐點(diǎn)偏距，單位：米；s2為工作面上山方向拐點(diǎn)偏距，單位：米；e為最大下沉角， 單位：度；a為煤層傾角，單位：度； (4) 計(jì)算主斷面傾向最大下沉值
式中，W°胃為主斷面傾向最大下沉值，單位：毫米;W。為充分采動時地表最大下沉值，單 位：毫米；^為工作面下山方向的影響半徑，單位：米；r2為工作面上山方向的影響半徑，單 位：米；ym為空區(qū)中心地表最大下沉點(diǎn)縱坐標(biāo)，單位：米；L為工作面傾向計(jì)算長度，單位： 米； 步驟4、計(jì)算工作面傾向采動程度系數(shù)Cym =W°ffly/ff0 式中，cym為工作面傾向采動程度系數(shù)，無量綱；w°my為傾向主斷面非充分采動時的最大 下沉值，單位：毫米;W。為充分采動時的最大下沉值，單位：毫米； 步驟5、計(jì)算活化前下沉系數(shù)q' 由在老采區(qū)地表馬上要新建建筑物時進(jìn)行的老采區(qū)地表走向線的水準(zhǔn)測量時，獲得的 地表最大下沉值W'm，按下式求得q': q' =W' m/(MXcosa) 式中，q'為活化前下沉系數(shù)，無量綱；rm為老采區(qū)地表馬上要新建建筑物時老采區(qū) 地表走向線的地表最大下沉值w'm，單位：毫米；a為煤層傾角；單位：度；M為開采厚度， 單位：毫米； 步驟6、計(jì)算工作面中間區(qū)等效采厚mi、主要影響半徑r 在老采空區(qū)中部未充分壓實(shí)區(qū)和較充分壓實(shí)區(qū)活化后，極限下沉系數(shù)取為1，無量綱； 計(jì)算工作面中間區(qū)等效采厚叫和主要影響半徑r: m! =M(l-q/ ) 式中，mi為工作面中間區(qū)等效采厚，單位：毫米;M為開采厚度，單位：毫米；q'為活化 前下沉系數(shù)，無量綱； r=H〇/tan^ 式中，r為主要影響半徑，單位：米；％為平均開采深度，單位：米；tan0為主要影響角 正切，無量綱； 步驟7、計(jì)算地表殘余下沉
式中，Wjx)為地表殘余下沉，單位：毫米；x為盆地走向主斷面上，以采煤工作面開切 眼煤壁正上方地表點(diǎn)為原點(diǎn)，以采煤面推進(jìn)方向?yàn)檩S方向的地表點(diǎn)坐標(biāo)，單位：米；a為煤 層傾角，單位：度；M為開采厚度，單位：毫米噸為工作面中間區(qū)等效采厚，單位：毫米；Cym 為工作面傾向采動程度系數(shù)，無量綱；r為主要影響半徑，單位：米；S3為工作面左側(cè)的拐點(diǎn) 偏距，單位：米；〇3工作面走向長度，單位：米；工作面沿走向的計(jì)算長度1 =d3-s3-s4，單位： 米； 步驟8、計(jì)算地表殘余傾斜變形
式中，i。(x)為地表殘余傾斜變形，單位：毫米/米；x為盆地走向主斷面上，以采煤工作 面開切眼煤壁正上方地表點(diǎn)為原點(diǎn)，以采煤面推進(jìn)方向?yàn)檩S方向的地表點(diǎn)坐標(biāo)，單位：米； a為煤層傾角，單位：度；M為開采厚度，單位：毫米；r為主要影響半徑，單位：米；Cym為工 作面傾向采動程度系數(shù)，無量綱；常數(shù)e=2. 718281828459 ;S3為工作面左側(cè)的拐點(diǎn)偏距， 單位：米;nii為工作面中間區(qū)等效采厚，單位：毫米；D3為工作面走向長度，單位：米；工作 面沿走向計(jì)算長度1=D3-S3-S4，單位：米； 步驟9、計(jì)算地表殘余曲率變形
式中，kjx)為地表殘余曲率變形，單位：1(T3/米；x為盆地走向主斷面上，以采煤工作 面開切眼煤壁正上方地表點(diǎn)為原點(diǎn)，以采煤面推進(jìn)方向?yàn)檩S方向的地表點(diǎn)坐標(biāo)，單位：米； a為煤層傾角，單位：度；M為開采厚度，單位：毫米；r為主要影響半徑，單位：米；Cym為工 作面傾向采動程度系數(shù)，無量綱；常數(shù)e=2. 718281828459 ;S3為工作面左側(cè)的拐點(diǎn)偏距， 單位：米噸為工作面中間區(qū)等效采厚，單位：毫米；D3為工作面走向長度，單位：米；工作面 沿走向計(jì)算長度1=d3-s3-s4，單位：米； 步驟10、計(jì)算地表殘余水平移動Uc(x) =bjri^x) 式中，Ujx)為地表殘余水平移動，單位：毫米；x為盆地走向主斷面上，以采煤工作面 開切眼煤壁正上方地表點(diǎn)為原點(diǎn)，以采煤面推進(jìn)方向?yàn)檩S方向的地表點(diǎn)坐標(biāo)，單位：米 為水平移動系數(shù)；r為主要影響半徑，單位：米；ijx)為地表殘余傾斜變形在步驟8中求得， 單位：毫米/米； 步驟11、計(jì)算地表殘余水平變形ec (x) =bjrk, (x) 式中，e。〇〇為地表殘余水平變形，單位：毫米/米；x為盆地走向主斷面上，以采煤 工作面開切眼煤壁正上方地表點(diǎn)為原點(diǎn)，以采煤面推進(jìn)方向?yàn)檩S方向的地表點(diǎn)坐標(biāo)，單位： 米；h為水平移動系數(shù)，無量綱；r為主要影響半徑，單位：米；kjx)為地表殘余曲率變形， 由步驟9求得，單位：1(T3/米； 步驟12 :評價老采區(qū)地表新建建筑物損壞等級 根據(jù)地表殘余水平變形e。、地表殘余曲率變形K。、地表殘余傾斜變形i。評價老采區(qū)地 表新建建筑物損壞等級，其中e。、K。、i。的等級是比照2000年6月國家煤炭工業(yè)局制定的 《建筑物、水體、鐵路、及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》第10?12頁之表3"磚混結(jié) 構(gòu)建筑物損壞等級"劃分執(zhí)行，共分為I?IV級； 步驟13、選擇殘余移動變形災(zāi)害的防治方法 依據(jù)獲得的評價老采區(qū)地表新建建筑物損壞等級、建筑物類型及其抗變形要求，提出 老采空區(qū)上方地表原地新建抗采動變形建筑物的規(guī)劃方案（建筑位置規(guī)劃及外形設(shè)計(jì)措 施）、建筑物抗采動變形設(shè)計(jì)方案（剛性措施、柔性措施）、地基加固方案；本著建筑物安全 第一的原則，經(jīng)過方案綜合分析、經(jīng)濟(jì)分析，最后決定是否在建筑物建設(shè)前對產(chǎn)生地表殘余 移動變形的地下老采區(qū)邊界空洞、中部未壓實(shí)區(qū)和覆巖裂隙實(shí)施注漿處理；注漿處理后，按 處理后的下沉系數(shù)重新預(yù)測地表殘余移動變形、評估抗采動變形建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案； 如果注漿處理后的地表殘余變形再次預(yù)測值超過建筑物損壞等級I級，要再次考慮新 建建筑物的抗采動變形設(shè)計(jì)方案，甚至再次布鉆孔進(jìn)行注漿處理； 步驟14、注漿實(shí)施的方法 打鉆至淺部老采空區(qū)，采用水泥、砂子、粉煤灰混合漿液將采空區(qū)所有空洞和覆巖裂隙 充填，使整個采空區(qū)恢復(fù)為接近原始巖體狀態(tài)；對于居民樓，一般可一個單元一個注漿孔； 注漿的位置、密度不應(yīng)平均分配，應(yīng)加強(qiáng)建筑物基礎(chǔ)的鉆孔密度； ⑴注漿材料 為降低治理成本，注漿材料一般不用泥漿，可選用32. 5#普通硅酸鹽水泥和粉煤灰；但 水泥質(zhì)量要求符合娃酸鹽水泥、普通娃酸鹽水泥GB175-1999標(biāo)準(zhǔn)，粉煤灰質(zhì)量要求符合國 家二級標(biāo)準(zhǔn)；為保證充填體強(qiáng)度，水泥和粉煤灰的固相比為1 :3 ; ⑵漿液配比 初期注漿以稀漿為主，以利于漿液擴(kuò)散；待掌握特點(diǎn)后，逐漸提高漿液濃度； (3)對于在補(bǔ)勘孔鉆進(jìn)或注漿孔鉆進(jìn)中發(fā)現(xiàn)底部有較大空洞的孔，或有吸風(fēng)現(xiàn)象的孔， 在注漿前應(yīng)進(jìn)行充填骨料處理；骨料采用中粒砂子，用清水送入孔底；如果空洞過大，充填 骨料后空洞充填效果不明顯，正式注漿前需要在鉆孔底部一定位置設(shè)置止?jié){塞，防止?jié){液 流失至地下巷道； ⑷采空區(qū)注漿工程的施工工藝一般分為14個工序，分別為：施工前的準(zhǔn)備一施工注漿 孔一建立注漿站一注漿系統(tǒng)耐壓試驗(yàn)一鉆孔沖洗及壓水試驗(yàn)一制漿注漿一觀測孔注漿工 藝一觀測與記錄一注漿結(jié)束后的壓水試驗(yàn)一關(guān)閉注漿系統(tǒng)一提取注漿塞一封孔一EH4物 探檢測注漿效果一補(bǔ)充注漿； (5)注漿注不進(jìn)去時，采用壓入注水泥砂漿法封孔。
【文檔編號】G06F19/00GK104408277SQ201410513219
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】朱廣軼, 王曉初, 楊廣寧, 徐征慧, 馬亞麗, 劉曉群, 郭影, 霍寶榮 申請人:沈陽大學(xué)