本發(fā)明涉及一種厚松散層薄基巖條件下地表下沉值計算方法，屬礦山開采沉陷與防護技術領域。

背景技術：

煤炭是我國的主體能源，在我國的能源結構中大約占到百分之七十的比例，其在我國的國民經濟與國計民生中占有舉足輕重且不可或缺的地位。在我國華北、華中、華東等礦區(qū)賦存有厚松散層的地層，如鶴壁礦區(qū)地表的第四系松散層厚度為50～170m，永夏礦區(qū)松散層厚度達300多米，淮北礦區(qū)地表上部松散層厚度為270m，淮南礦區(qū)松散層厚度最大達467m，開灤礦區(qū)松散層厚度最大為300m。隨著煤炭開采的持續(xù)發(fā)展，在厚松散層薄基巖礦區(qū)地表移動變形規(guī)律出現(xiàn)了很多異常的現(xiàn)象，例如，下沉系數(shù)大于1.0，地表移動范圍較大等等。這些規(guī)律和參數(shù)的差異，為厚松散層薄基巖礦區(qū)地表移動變形預測、村莊保護煤柱留設及各類建構筑物保護帶來了不確定性。因此針對這一現(xiàn)狀，迫切需要開發(fā)一種能夠準確計算厚松散層薄基巖礦區(qū)地表下沉值的方法，以滿足實際使用的需要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的就在于克服上述不足，提供一種基于物理力學中的卡諾定理及土體力學相關理論的厚松散層薄基巖條件下地表下沉值計算方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)：

一種厚松散層薄基巖條件下地表下沉值計算方法，包括以下步驟：

(1)松散層土體原始數(shù)據(jù)采集，通過現(xiàn)場勘查及查閱原始地質勘查數(shù)據(jù)，獲取待監(jiān)測松散層土體的地質結構、各層土體厚度、密度、壓縮模量及基巖面向土體傳遞空間的高度數(shù)據(jù)及常規(guī)概率積分法計算得到的地表下沉值，并存檔備用；

(2)土體壓縮沉降的判斷，根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，計算基巖與松散層交界面形成的移動盆地的下沉系數(shù)q₁、計算松散層土體表面形成的地表移動盆地的下沉系數(shù)q₂，判斷對比計算得到的q₁和q₂數(shù)值大小關系，且當q₂值大于q₁值時，則松散層土體存在壓縮沉降，并進行下一步計算作業(yè)，q₂值小于等于q₁值時，則松散層土體未發(fā)生壓縮沉降，并終止計算作業(yè)；

(3)判斷工作面采動程度，根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，工作面采動程度判斷計算函數(shù)模型為：L/H，

其中：

L為采掘工作面長度；

H采掘工作面深度；

且當采掘工作面長度與采掘工作面寬度都達到或超過1.2H₀～1.4H₀時，地表達到充分采動，其中H₀為平均采深；

(4)計算松散層土體壓縮沉降值，首先構建松散層土體壓縮沉降計算函數(shù)模型，然后將步驟(1)中采集到的待監(jiān)測松散層土體的地質結構、各層土體厚度、密度、壓縮模量及基巖面向土體傳遞空間的高度數(shù)據(jù)帶入到松散層土體壓縮沉降計算函數(shù)模型中進行數(shù)據(jù)運算，并得出松散層土體壓縮沉降值；

(5)數(shù)值修正匹配，將步驟(4)計算得到的松散層土體壓縮沉降值與常規(guī)概率積分法計算得到的地表下沉值求和，并得到最終地表下沉值。

進一步的，步驟(2)中，還可根據(jù)上覆基巖面的最大下沉值與地表的最大下沉值比較土體壓縮沉降的判斷，當上覆基巖面的最大下沉值小于地表的最大下沉值時，松散層土體存在壓縮沉降。

進一步的，步驟(3)中，在厚表土層薄基巖礦區(qū)，使用基巖厚度作為采深來衡量采動程度。

進一步的，步驟(4)中，松散層土體壓縮沉降計算函數(shù)模型為：

其中：

W為松散層土體壓縮沉降值；

W_i為松散層土體第i層的壓縮下沉量；

n為松散層土體最大層數(shù)，n≥1；

其中W_i的計算函數(shù)模型為：

l_i為第i層土體的厚度，ρ_i為第i層土體的密度，E_si為第i層土體的壓縮模量，g為重力加速度，D_i為基巖面向第i層土體傳遞空間的高度，

其中，D_i＝W_i-1+d_i；

W_i-1為第i-1層土體的壓縮沉降值；

d_i為第i-1層土體的厚度。

本發(fā)明計算方法簡單，具有較強的理論基礎，計算準確性高，且方便計算機程序語言的實現(xiàn)，一方面有效的提高了計算厚松散層薄基巖礦區(qū)地表下沉值的準確性，另一方面也厚松散層薄基巖礦區(qū)安全生產提供了有力的技術支持。

附圖說明

圖1為空間傳遞示意圖；

圖2為實測下沉值曲線與計算下沉值曲線；

圖3為本發(fā)明實施流程圖。

具體實施方式

以下結合具體實施例對本發(fā)明作具體的介紹。

本實施例以山東省某煤礦實際采掘作業(yè)情況中厚表土薄基巖地區(qū)開采地表移動變形規(guī)律、參數(shù)與兗州礦區(qū)在正常開采條件下獲得的地表移動規(guī)律、參數(shù)存在較大的差異為例進行具體說明，其中工作面采厚2.9m，而地表最大下沉達到3.932m，基巖與松散層交界面形成的移動盆地的下沉系數(shù)達到0.7，松散層土體表面形成的地表移動盆地的下沉系數(shù)達到1.3。

如圖1—3所示，一種厚松散層薄基巖條件下地表下沉值計算方法，包括以下步驟：

(1)松散層土體原始數(shù)據(jù)采集，通過現(xiàn)場勘查及查閱原始地質勘查數(shù)據(jù)，獲取待監(jiān)測松散層土體的地質結構、各層土體厚度、密度、壓縮模量及基巖面向土體傳遞空間的高度數(shù)據(jù)及常規(guī)概率積分法計算得到的地表下沉值，并存檔備用；

(2)土體壓縮沉降的判斷，根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，計算基巖與松散層交界面形成的移動盆地的下沉系數(shù)q₁、計算松散層土體表面形成的地表移動盆地的下沉系數(shù)q₂，判斷對比計算得到的q₁和q₂數(shù)值大小關系，其中，q₁為0.7，q₂為1.3，q₁嚴重小于q₂，說明該工作面上方松散層土體存在壓縮沉降；

(3)判斷工作面采動程度，根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，以為采掘工作面長度與采掘工作面深度的比值可判斷該工作面為充分采動程度。

(4)計算松散層土體壓縮沉降值，首先構建松散層土體壓縮沉降計算函數(shù)模型，然后將步驟(1)中采集到的待監(jiān)測松散層土體的地質結構、各層土體厚度、密度、壓縮模量及基巖面向土體傳遞空間的高度數(shù)據(jù)帶入到松散層土體壓縮沉降計算函數(shù)模型中進行數(shù)據(jù)運算，并得出松散層土體壓縮沉降值；

(5)數(shù)值修正匹配，將步驟(4)計算得到的松散層土體壓縮沉降值與常規(guī)概率積分法計算得到的地表下沉值求和，并得到最終地表下沉值。

本實施例中，步驟(2)中，還可根據(jù)上覆基巖面的最大下沉值與地表的最大下沉值比較土體壓縮沉降的判斷，當上覆基巖面的最大下沉值小于地表的最大下沉值時，松散層土體存在壓縮沉降。

本實施例中，步驟(3)中，在厚表土層薄基巖礦區(qū)，使用基巖厚度作為采深來衡量采動程度。

本實施例中，步驟(4)中，松散層土體壓縮沉降計算函數(shù)模型為：

其中：

W為松散層土體壓縮沉降值；

W_i為松散層土體第i層的壓縮下沉量；

n為松散層土體最大層數(shù)，n≥1；

其中W_i的計算函數(shù)模型為：

l_i為第i層土體的厚度，ρ_i為第i層土體的密度，E_si為第i層土體的壓縮模量，g為重力加速度，D_i為基巖面向第i層土體傳遞空間的高度，

其中，D_i＝W_i-1+d_i；

W_i-1為第i-1層土體的壓縮沉降值；

d_i為第i-1層土體的厚度。

本實施例中，所述的松散層土體壓縮沉降計算函數(shù)模型為基于卡諾定理基礎推導獲得。

從圖2可以看出，通過該方法的計算結果符合實測下沉曲線，從而驗證了該方法的正確性與可行性。

本發(fā)明計算方法簡單，具有較強的理論基礎，計算準確性高，且方便計算機程序語言的實現(xiàn)，一方面有效的提高了計算厚松散層薄基巖礦區(qū)地表下沉值的準確性，另一方面也厚松散層薄基巖礦區(qū)安全生產提供了有力的技術支持。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。