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1、2006年12月矿业安全与环保第33卷第6期煤矿区地表沉陷及其可视化新方法1,22朱庆伟,郭达志(1.西安科技大学测量工程系,陕西西安710054;2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京100083)摘要:为进一步进行地表沉陷的预计,保护采空区上方的土地合理利用,尽可能降低其对地表设施和生态环境的影响,通过对各类分布形式煤层开采的分析,用曲面积分法,负指数函数预计法等对矿区进行预计,并用VC++开发语言进行可视化表达。结果表明:通过合理简化约束条件而建立的条件方程可以很好地进行沉陷预计,得出比较满意和准确的预计值。关键词“:三下”采煤;地表移动;开采沉陷;预计+中
2、图分类号:TD325.2文献标识码:A文章编号:1008-4495(2006)06-0010-02近年来,我国的能源短缺现象日益严重。为了沉陷预计实用,而对其他一些矿区进行预计时就会确保经济建设的能源需求,这些年煤矿的开采力度有很大误差。问题的关键是建立合适的参数值。越来越大,这样就引发了一个关键问题:由于我国的2假设单元块体及预计模拟公式煤炭资源多半属于深采矿(而国外的煤炭多为露天矿),因此煤矿在开采过程中,会引起地表岩层的移目前煤层的基本分布有几种类型:水平煤层;近动和变形,会对地表及矿山周围环境带来严重的破水平煤层或缓倾斜煤层;向(背)斜构造的缓倾斜煤坏。根据国家资料
3、统计,井下开采每万吨原煤会造层;向(背)斜构造的倾斜煤层;向(背)斜构造的急倾2成地表土地塌陷0.33～0.53hm。按目前的采煤量斜煤层等等。这里可以建立空间三维坐标系,见计算,我国每年因矿业开采而造成的地面塌陷面积图1。42达(33.33～40.00)×10hm,其中可用的农田就占[1]近三成。1问题的提出一般而言,煤矿的煤层走向和倾斜将直接影响到地表变形。因此,条带开采是目前煤矿开采的主[2]要技术。目前常用的地表沉陷预计公式,见表1。表1条带开采地表移动计算公式参数公式H-30图1三维坐标系统下沉系数q1=qq5000aPb-2000水平移动系数bt=(1.29-0
4、.0026H)bq在地质统计中,一般用Kriging或曲面样条差值主要影响角正切tanβt=(1.076-0.0014H)tanβq来表现地质模型。图1中的阴影区域为一个小的煤1.56bH层体,按照随机理论可知:拐点偏移距st=a(0.01H+30)1-π2wε(x,y)=2exp{2[(x-ξ)+注:H为开采深度;下标t为条带开采,q为全采。r(z)r(z)2目前的预计方法仅对某一类地质条件下的地表(y-η)]}(1)即开采后对地表的影响可以近似的用式(1)进行表[3]收稿日期:2006-03-25;2006-08-27修回示。这里用极限逼近法,对图1中的小阴影进行曲基金
5、项目:国家自然科学基金项目(40572165)面积分(即图1中终采线下面的小阴影),开采煤层作者简介:朱庆伟(1975—),男,陕西西安人,博士生,讲的分布曲线是一个近似的曲线方程,假定为K,设ξ,师,主要研究方向为岩层移动三维地质模型及其可视化。η为特定方向轴,与传统意义的x,y轴相对应,wmax·10·2006年12月矿业安全与环保第33卷第6期为最大下沉值,a,b,n为系数(可通过3个已知点进行求解),于是就可以得到对地表一点A(x,y)的近似下沉计算公式(2),而水平移动与倾斜变形成比例关系,可得A(x,y)的水平移动公式(3)。至于地表曲[4,5]率、水平变形等部
6、分参数可按文献求出。wmaxw(x,y)=∫∫2·nKD22π[(x-ξ)+(y-η)]2exp{-2}1+(2aξ+b)dξdηnK(2)u(x,y)φ=u(x,y)xcosφ+u(x,y)ysinφ(3)3实例分析首先采集矿区地表沉陷观测数据,然后按测量规范进行平差,符合好后就可按如下过程进行预计。图2非充分采动条件下参数预计为使程序以后有三维或四维的可视化效果,需要设计一个结构坐标:typedefstructCOORDINATEstructP3坐标结构3P{doublex;doubley;doublez;COORDINATEstruct(){x=0.0;y=0.0;z
7、=0.0;}COORDINATEstruct(doubleix,doubleiy,double图3读取观测数据对话框iz){x=ix;y=iy;z=iz;}}COORDINATE;PP定义的结构体对象然后进行坐标变换,包括坐标系的平移和旋转;屏幕坐标(逻辑坐标)和实际坐标(或称用户坐标)的转换。选择矿区开采的程度:充分采动或非充分采动,按不同的开采程度进行必要的参数计算。以非充分采动条件下参数预计为例,见图2。然后读入观测线的数据文件,见图3。最后生成下沉等值线图和下沉预计图(见图4),和实测数据进行对比,结果表明
