[發明專利]礦區新建建筑物引起的地表殘余移動變形預測及防治方法

有效

• 申請號: 201410513219.1
• 申請日: 2014-09-28
• 公開（公告）號: CN104408277B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 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（專利權）人: 沈陽大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;E21F15/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司21109
• 代理人: 戚羽

1.一種礦區新建建筑物引起的地表殘余移動變形預測及防治方法，其特征是：其步驟為：

步驟1、如果老采區工作面開采深度大于150米，老采區地表新建建筑物不會引起地表殘余移動變形；如果老采區工作面開采深度小于等于150米，則計算采煤臨界深度H_LJ，將采煤臨界深度H_LJ與平均開采深度H₀進行比較，若判據H_LJ>H₀條件滿足，可認定老采區地表會出現地表殘余移動變形；繼續以下步驟；

步驟2、收集資料

⑴收集開采資料：通過礦區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α，平均開采深度H₀，最大下沉角θ；到老采區地表建筑區實地考察；到與老采區相關的地質、測量、采礦專業的技術人員、地表建筑區居民進行走訪；若無礦圖，這些開采參數通過采用美國EH-4電導率成像系統，在物探區均勻布設的觀測線分析獲得；觀測線測點間距10米，測線間距視物探精度定，可取10米～20米；為防止對EH-4電導率成像的人為誤判，在物探區均布兩個以上地質鉆孔作為EH-4電導率成像系統物探分析的控制；

⑵搜集礦區的巖移參數：下沉系數q，主要影響角正切tanβ，水平移動系數b₁，工作面下側、上側、左側、右側的拐點偏距S₁、S₂、S₃、S₄，最大下沉角θ；

⑶在老采區地表馬上要新建建筑物時，進行一次老采區地表走向線的水準測量，獲得此時地表最大下沉值W′_m；

步驟3、按以下順序獲得傾向主斷面最大下沉值

(1)計算采空區中心地表最大下沉點縱坐標

$y_m=(\frac{D_1}{2}-S_1)\frac{sin(\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})}{sin\mathrm{\θ}}$

式中，y_m為采空區中心地表最大下沉點縱坐標，單位：米；D₁為工作面傾向長度，單位：米；S₁為工作面下側的拐點偏距，單位：米；θ為最大下沉角，單位：度；α為煤層傾角，單位：度；

(2)計算充分采動時地表最大下沉值

W₀＝Mqcosα

式中，W₀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；α為煤層傾角，單位：度；q為下沉系數，無量綱；

(3)計算工作面傾向計算長度

$L=(D_1-S_1-S_2)\frac{sin(\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})}{sin\mathrm{\θ}}$

式中，L為工作面傾向計算長度，單位：米；D₁為工作面傾向長度，單位：米；S₁為工作面下側的拐點偏距，單位：米；S₂為工作面上側的拐點偏距，單位：米；θ為最大下沉角，單位：度；α為煤層傾角，單位：度；

(4)計算主斷面傾向最大下沉值

${W^o}_{my}=\frac{W_0}{2}\[erf\left(\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{r_1}{y}_m\right)+1\]-\frac{W_0}{2}\{erf\[\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{r_2}(y_m-L)\]+1\}$

式中，W^o_my為主斷面傾向最大下沉值，單位：毫米；W₀為充分采動時地表最大下沉值，單位：毫米；r₁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；y_m為采空區中心地表最大下沉點縱坐標，單位：米；L為工作面傾向計算長度，單位：米；

步驟4、計算工作面傾向采動程度系數

C_ym＝W^o_my/W₀

式中，C_ym為工作面傾向采動程度系數，無量綱；W^o_my為傾向主斷面非充分采動時的最大下沉值，單位：毫米；W₀為充分采動時的最大下沉值，單位：毫米；

步驟5、計算活化前下沉系數q′

由在老采區地表馬上要新建建筑物時進行的老采區地表走向線的水準測量時，獲得的地表最大下沉值W_m′，按下式求得q′：

q′＝W′_m/(M×cosα)

式中，q′為活化前下沉系數，無量綱；W′_m為老采區地表馬上要新建建筑物時老采區地表走向線的地表最大下沉值，單位：毫米；α為煤層傾角；單位：度；M為開采厚度，單位：毫米；

步驟6、計算工作面中間區等效采厚m₁、主要影響半徑r

在老采空區中部未充分壓實區和較充分壓實區活化后，極限下沉系數取為1，無量綱；計算工作面中間區等效采厚m₁和主要影響半徑r：

m₁＝M(1-q′)

式中，m₁為工作面中間區等效采厚，單位：毫米；M為開采厚度，單位：毫米；q′為活化前下沉系數，無量綱；

r＝H₀/tanβ

式中，r為主要影響半徑，單位：米；H₀為平均開采深度，單位：米；tanβ為主要影響角正切，無量綱；

步驟7、計算地表殘余下沉

$W_c\left(x\right)=\frac{\cos \mathrm{\α}}{2}{\mathrm{MC}}_{ym}\[erf\left(\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{r}x\right)-erf\left(\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{r}\right(x-S_3)\]+\frac{\cos \mathrm{\α}}{2}{m}_1{C}_{ym}\[erf\left(\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{r}\right(x-S_3)-\left(erf\right(\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{r}(x-S_3-l)\]$

$+\frac{cos\mathrm{\α}}{2}{\mathrm{MC}}_{ym}\[erf\left(\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{r}\right(x-S_3-1)-\left(erf\right(\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}}{r}(x-D_3)\]$

式中，W_c(x)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為原點，以采煤面推進方向為軸方向的地表點坐標，單位：米；α為煤層傾角，單位：度；M為開采厚度，單位：毫米；m₁為工作面中間區等效采厚，單位：毫米；C_ym為工作面傾向采動程度系數，無量綱；r為主要影響半徑，單位：米；S₃為工作面左側的拐點偏距，單位：米；D₃工作面走向長度，單位：米；工作面沿走向的計算長度l＝D₃-S₃-S₄，單位：米；

步驟8、計算地表殘余傾斜變形

$\begin{array}{c}{i}_c\left(x\right)=\frac{M\cos \mathrm{\α}}{r}{C}_{ym}(e^{-\mathrm{\π}\frac{x^2}{r^2}}-e^{-\mathrm{\π}\frac{{(x-S_3)}^2}{r^2}})+\frac{m_1\cos \mathrm{\α}}{r}{C}_{ym}(e^{-\mathrm{\π}\frac{{(x-S_3)}^2}{r^2}}-e^{-\mathrm{\π}\frac{{(x-S_3-l)}^2}{r^2}})\\ +\frac{M\cos \mathrm{\α}}{r}{C}_{ym}(e^{-\mathrm{\π}\frac{{(x-S_3-l)}^2}{r^2}}-e^{-\mathrm{\π}\frac{{(x-D_3)}^2}{r^2}})\end{array}$

式中，i_c(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為原點，以采煤面推進方向為軸方向的地表點坐標，單位：米；α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；C_ym為工作面傾向采動程度系數，無量綱；常數e＝2.718281828459；S₃為工作面左側的拐點偏距，單位：米；m₁為工作面中間區等效采厚，單位：毫米；D₃為工作面走向長度，單位：米；工作面沿走向計算長度l＝D₃-S₃-S₄，單位：米；

步驟9、計算地表殘余曲率變形

$\begin{array}{c}{k}_c\left(x\right)=\frac{2\mathrm{\π}M\cos \mathrm{\α}}{r^3}{C}_{ym}x(e^{-\mathrm{\π}\frac{x^2}{r^2}}-e^{-\mathrm{\π}\frac{{(x-S_3)}^2}{r^2}})+\frac{2{\mathrm{\πm}}_1\cos \mathrm{\α}}{r^3}{C}_{ym}x(e^{-\mathrm{\π}\frac{{(x-S_3)}^2}{r^2}}-e^{-\mathrm{\π}\frac{{(x-S_3-l)}^2}{r^2}})\\ +\frac{2\mathrm{\π}M\cos \mathrm{\α}}{r^3}{C}_{ym}x(e^{-\mathrm{\π}\frac{{(x-S_3-l)}^2}{r^2}}-e^{-\mathrm{\π}\frac{{(x-S_3)}^2}{r^2}})\end{array}$

式中，k_c(x)為地表殘余曲率變形，單位：10^-3/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為原點，以采煤面推進方向為軸方向的地表點坐標，單位：米；α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；C_ym為工作面傾向采動程度系數，無量綱；常數e＝2.718281828459；S₃為工作面左側的拐點偏距，單位：米；m₁為工作面中間區等效采厚，單位：毫米；D₃為工作面走向長度，單位：米；工作面沿走向計算長度l＝D₃-S₃-S₄，單位：米；

步驟10、計算地表殘余水平移動

U_c(x)＝b₁ri_c(x)

式中，U_c(x)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為原點，以采煤面推進方向為軸方向的地表點坐標，單位：米；b₁為水平移動系數；r為主要影響半徑，單位：米；i_c(x)為地表殘余傾斜變形，在步驟8中求得，單位：毫米/米；

步驟11、計算地表殘余水平變形

ε_c(x)＝b₁rk_c(x)

式中，ε_c(x)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為原點，以采煤面推進方向為軸方向的地表點坐標，單位：米；b₁為水平移動系數，無量綱；r為主要影響半徑，單位：米；k_c(x)為地表殘余曲率變形，由步驟9求得，單位：10^-3/米；

步驟12：評價老采區地表新建建筑物損壞等級

根據地表殘余水平變形ε_c、地表殘余曲率變形K_c、地表殘余傾斜變形i_c評價老采區地表新建建筑物損壞等級，其中ε_c、K_c、i_c的等級是比照2000年6月國家煤炭工業局制定的《建筑物、水體、鐵路、及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》第10～12頁之表3“磚混結構建筑物損壞等級”劃分執行，共分為Ⅰ～Ⅳ級；

步驟13、選擇殘余移動變形災害的防治方法

依據獲得的評價老采區地表新建建筑物損壞等級、建筑物類型及其抗變形要求，提出老采空區上方地表原地新建抗采動變形建筑物的規劃方案、建筑物抗采動變形設計方案、地基加固方案；本著建筑物安全第一的原則，經過方案綜合分析、經濟分析，最后決定是否在建筑物建設前對產生地表殘余移動變形的地下老采區邊界空洞、中部未壓實區和覆巖裂隙實施注漿處理；注漿處理后，按處理后的下沉系數重新預測地表殘余移動變形、評估抗采動變形建筑的規劃設計方案；

如果注漿處理后的地表殘余變形再次預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計方案，甚至再次布鉆孔進行注漿處理；

步驟14、注漿實施的方法

打鉆至淺部老采空區，采用水泥、砂子、粉煤灰混合漿液將采空區所有空洞和覆巖裂隙充填，使整個采空區恢復為接近原始巖體狀態；對于居民樓，可一個單元一個注漿孔；注漿的位置、密度不應平均分配，應加強建筑物基礎的鉆孔密度；

⑴注漿材料

為降低治理成本，注漿材料不用泥漿，可選用32.5#普通硅酸鹽水泥和粉煤灰；但水泥質量要求符合硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥GB175-1999標準，粉煤灰質量要求符合國家二級標準；為保證充填體強度，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，以利于漿液擴散；待掌握特點后，逐漸提高漿液濃度；

⑶對于在補勘孔鉆進或注漿孔鉆進中發現底部有較大空洞的孔，或有吸風現象的孔，在注漿前應進行充填骨料處理；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置止漿塞，防止漿液流失至地下巷道；

⑷采空區注漿工程的施工工藝分為14個工序，分別為：施工前的準備→施工注漿孔→建立注漿站→注漿系統耐壓試驗→鉆孔沖洗及壓水試驗→制漿注漿→觀測孔注漿工藝→觀測與記錄→注漿結束后的壓水試驗→關閉注漿系統→提取注漿塞→封孔→EH4物探檢測注漿效果→補充注漿；

⑸注漿注不進去時，采用壓入注水泥砂漿法封孔。