[发明专利]矿区新建建筑物引起的地表残余移动变形预测及防治方法

权利要求书

1.一种矿区新建建筑物引起的地表残余移动变形预测及防治方法，其特征是：其步骤为：

步骤1、如果老采区工作面开采深度大于150米，老采区地表新建建筑物不会引起地表残余移动变形；如果老采区工作面开采深度小于等于150米，则计算采煤临界深度H_LJ，将采煤临界深度H_LJ与平均开采深度H₀进行比较，若判据H_LJ>H₀条件满足，可认定老采区地表会出现地表残余移动变形；继续以下步骤；

步骤2、收集资料

⑴收集开采资料：通过矿区的矿图资料搜集工作面走向长度D₃、工作面倾向长度D₁，开采厚度M，煤层倾角α，平均开采深度H₀，最大下沉角θ；到老采区地表建筑区实地考察；到与老采区相关的地质、测量、采矿专业的技术人员、地表建筑区居民进行走访；若无矿图，这些开采参数通过采用美国EH-4电导率成像系统，在物探区均匀布设的观测线分析获得；观测线测点间距10米，测线间距视物探精度定，可取10米～20米；为防止对EH-4电导率成像的人为误判，在物探区均布两个以上地质钻孔作为EH-4电导率成像系统物探分析的控制；

⑵搜集矿区的岩移参数：下沉系数q，主要影响角正切tanβ，水平移动系数b₁，工作面下侧、上侧、左侧、右侧的拐点偏距S₁、S₂、S₃、S₄，最大下沉角θ；

⑶在老采区地表马上要新建建筑物时，进行一次老采区地表走向线的水准测量，获得此时地表最大下沉值W′_m；

步骤3、按以下顺序获得倾向主断面最大下沉值

(1)计算采空区中心地表最大下沉点纵坐标

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

式中，y_m为采空区中心地表最大下沉点纵坐标，单位：米；D₁为工作面倾向长度，单位：米；S₁为工作面下侧的拐点偏距，单位：米；θ为最大下沉角，单位：度；α为煤层倾角，单位：度；

(2)计算充分采动时地表最大下沉值

W₀＝Mqcosα

式中，W₀为充分采动时地表最大下沉值，单位：毫米；M为开采厚度，单位：毫米；α为煤层倾角，单位：度；q为下沉系数，无量纲；

(3)计算工作面倾向计算长度

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

式中，L为工作面倾向计算长度，单位：米；D₁为工作面倾向长度，单位：米；S₁为工作面下侧的拐点偏距，单位：米；S₂为工作面上侧的拐点偏距，单位：米；θ为最大下沉角，单位：度；α为煤层倾角，单位：度；

(4)计算主断面倾向最大下沉值

${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为主断面倾向最大下沉值，单位：毫米；W₀为充分采动时地表最大下沉值，单位：毫米；r₁为工作面下山方向的影响半径，单位：米；r₂为工作面上山方向的影响半径，单位：米；y_m为采空区中心地表最大下沉点纵坐标，单位：米；L为工作面倾向计算长度，单位：米；

步骤4、计算工作面倾向采动程度系数

C_ym＝W^o_my/W₀

式中，C_ym为工作面倾向采动程度系数，无量纲；W^o_my为倾向主断面非充分采动时的最大下沉值，单位：毫米；W₀为充分采动时的最大下沉值，单位：毫米；

步骤5、计算活化前下沉系数q′

由在老采区地表马上要新建建筑物时进行的老采区地表走向线的水准测量时，获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′为活化前下沉系数，无量纲；W′_m为老采区地表马上要新建建筑物时老采区地表走向线的地表最大下沉值，单位：毫米；α为煤层倾角；单位：度；M为开采厚度，单位：毫米；

步骤6、计算工作面中间区等效采厚m₁、主要影响半径r

在老采空区中部未充分压实区和较充分压实区活化后，极限下沉系数取为1，无量纲；计算工作面中间区等效采厚m₁和主要影响半径r：

m₁＝M(1-q′)

式中，m₁为工作面中间区等效采厚，单位：毫米；M为开采厚度，单位：毫米；q′为活化前下沉系数，无量纲；

r＝H₀/tanβ

式中，r为主要影响半径，单位：米；H₀为平均开采深度，单位：米；tanβ为主要影响角正切，无量纲；

步骤7、计算地表残余下沉

$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)为地表残余下沉，单位：毫米；x为盆地走向主断面上，以采煤工作面开切眼煤壁正上方地表点为原点，以采煤面推进方向为轴方向的地表点坐标，单位：米；α为煤层倾角，单位：度；M为开采厚度，单位：毫米；m₁为工作面中间区等效采厚，单位：毫米；C_ym为工作面倾向采动程度系数，无量纲；r为主要影响半径，单位：米；S₃为工作面左侧的拐点偏距，单位：米；D₃工作面走向长度，单位：米；工作面沿走向的计算长度l＝D₃-S₃-S₄，单位：米；

步骤8、计算地表残余倾斜变形

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

式中，i_c(x)为地表残余倾斜变形，单位：毫米/米；x为盆地走向主断面上，以采煤工作面开切眼煤壁正上方地表点为原点，以采煤面推进方向为轴方向的地表点坐标，单位：米；α为煤层倾角，单位：度；M为开采厚度，单位：毫米；r为主要影响半径，单位：米；C_ym为工作面倾向采动程度系数，无量纲；常数e＝2.718281828459；S₃为工作面左侧的拐点偏距，单位：米；m₁为工作面中间区等效采厚，单位：毫米；D₃为工作面走向长度，单位：米；工作面沿走向计算长度l＝D₃-S₃-S₄，单位：米；

步骤9、计算地表残余曲率变形

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

式中，k_c(x)为地表残余曲率变形，单位：10^-3/米；x为盆地走向主断面上，以采煤工作面开切眼煤壁正上方地表点为原点，以采煤面推进方向为轴方向的地表点坐标，单位：米；α为煤层倾角，单位：度；M为开采厚度，单位：毫米；r为主要影响半径，单位：米；C_ym为工作面倾向采动程度系数，无量纲；常数e＝2.718281828459；S₃为工作面左侧的拐点偏距，单位：米；m₁为工作面中间区等效采厚，单位：毫米；D₃为工作面走向长度，单位：米；工作面沿走向计算长度l＝D₃-S₃-S₄，单位：米；

步骤10、计算地表残余水平移动

U_c(x)＝b₁ri_c(x)

式中，U_c(x)为地表残余水平移动，单位：毫米；x为盆地走向主断面上，以采煤工作面开切眼煤壁正上方地表点为原点，以采煤面推进方向为轴方向的地表点坐标，单位：米；b₁为水平移动系数；r为主要影响半径，单位：米；i_c(x)为地表残余倾斜变形，在步骤8中求得，单位：毫米/米；

步骤11、计算地表残余水平变形

ε_c(x)＝b₁rk_c(x)

式中，ε_c(x)为地表残余水平变形，单位：毫米/米；x为盆地走向主断面上，以采煤工作面开切眼煤壁正上方地表点为原点，以采煤面推进方向为轴方向的地表点坐标，单位：米；b₁为水平移动系数，无量纲；r为主要影响半径，单位：米；k_c(x)为地表残余曲率变形，由步骤9求得，单位：10^-3/米；

步骤12：评价老采区地表新建建筑物损坏等级

根据地表残余水平变形ε_c、地表残余曲率变形K_c、地表残余倾斜变形i_c评价老采区地表新建建筑物损坏等级，其中ε_c、K_c、i_c的等级是比照2000年6月国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路、及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第10～12页之表3“砖混结构建筑物损坏等级”划分执行，共分为Ⅰ～Ⅳ级；

步骤13、选择残余移动变形灾害的防治方法

依据获得的评价老采区地表新建建筑物损坏等级、建筑物类型及其抗变形要求，提出老采空区上方地表原地新建抗采动变形建筑物的规划方案、建筑物抗采动变形设计方案、地基加固方案；本着建筑物安全第一的原则，经过方案综合分析、经济分析，最后决定是否在建筑物建设前对产生地表残余移动变形的地下老采区边界空洞、中部未压实区和覆岩裂隙实施注浆处理；注浆处理后，按处理后的下沉系数重新预测地表残余移动变形、评估抗采动变形建筑的规划设计方案；

如果注浆处理后的地表残余变形再次预测值超过建筑物损坏等级Ⅰ级，要再次考虑新建建筑物的抗采动变形设计方案，甚至再次布钻孔进行注浆处理；

步骤14、注浆实施的方法

打钻至浅部老采空区，采用水泥、砂子、粉煤灰混合浆液将采空区所有空洞和覆岩裂隙充填，使整个采空区恢复为接近原始岩体状态；对于居民楼，可一个单元一个注浆孔；注浆的位置、密度不应平均分配，应加强建筑物基础的钻孔密度；

⑴注浆材料

为降低治理成本，注浆材料不用泥浆，可选用32.5#普通硅酸盐水泥和粉煤灰；但水泥质量要求符合硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥GB175-1999标准，粉煤灰质量要求符合国家二级标准；为保证充填体强度，水泥和粉煤灰的固相比为1：3；

⑵浆液配比

初期注浆以稀浆为主，以利于浆液扩散；待掌握特点后，逐渐提高浆液浓度；

⑶对于在补勘孔钻进或注浆孔钻进中发现底部有较大空洞的孔，或有吸风现象的孔，在注浆前应进行充填骨料处理；骨料采用中粒砂子，用清水送入孔底；如果空洞过大，充填骨料后空洞充填效果不明显，正式注浆前需要在钻孔底部一定位置设置止浆塞，防止浆液流失至地下巷道；

⑷采空区注浆工程的施工工艺分为14个工序，分别为：施工前的准备→施工注浆孔→建立注浆站→注浆系统耐压试验→钻孔冲洗及压水试验→制浆注浆→观测孔注浆工艺→观测与记录→注浆结束后的压水试验→关闭注浆系统→提取注浆塞→封孔→EH4物探检测注浆效果→补充注浆；

⑸注浆注不进去时，采用压入注水泥砂浆法封孔。