[发明专利]一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法

说明书

本发明涉及煤矿开采领域，提出了一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法，包括以下步骤：S1、设置20~50个仅地形变化的数值模型；S2、在模型上模拟单元开采，计算地表沉陷值，含下沉和水平移动；选择偏态分布的概率密度函数作为下沉的影响函数，对其进行局部求导作为水平移动的影响函数，用最小二乘法将2个影响函数和模拟的沉陷值进行拟合，得到对应各个数值模型的影响函数参数值；S3、用最小二乘法拟合得到影响函数的各个参数关于地表倾角ag、覆岩层平均厚度H的表达式；S4、计算山区地形条件下单元开采和全采区开采的沉陷值。本发明使用2个偏态影响函数表征单元开采的地表下沉和水平移动进行山区沉陷预测，计算结果比经典方法更加准确。

技术领域

本发明涉及煤矿开采领域，具体涉及一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法。

背景技术

由于地形起伏的影响，山区地下开采使地表沉陷产生不同于平地的特征，准确的沉陷计算难度较大。实践发现地表非水平时，下沉不再关于开采中心所在的铅垂线对称，水平移动不再关于开采中心正上方的地表点对称，倾斜(下沉的一阶导数)和水平移动不相似。

影响函数法，包括我国常用的概率积分法，在煤矿地下开采的地表沉陷计算中应用广泛，原理简单，计算速度快。这种方法理论上适用于计算水平地表条件下、水平～缓倾层状矿体开采对地表的影响。计算时用一个影响函数表征单元开采造成的地表下沉，然后将所有开采单元的下沉累加，得到全采区的下沉，其他移动变形量，包括倾斜、曲率、水平移动、水平变形都由下沉计算。经典的影响函数法使用一个对称的函数作为影响函数(如，概率积分法用正态分布的概率密度函数)，在山区沉陷预测应用中有一定局限性。

数值模拟在沉陷计算中也广泛采用，用计算机模拟煤层开采后岩土体的应力应变和移动变形情况。数值模拟是用计算机做实验，具有可重复性。越精细的模型得到的结果越准确，但建模难度大、计算耗时，所以往往用于沉陷规律研究，可作为影响函数法参数确定的理论支撑。

山区煤矿开采沉陷预测的难题在于：

1)经典的影响函数法使用对称的单元开采影响函数表征下沉，与山区沉陷特征不符；

2)经典的影响函数法用倾斜(下沉的一阶导数)计算水平移动，但山区倾斜和水平移动曲线不相似，用倾斜计算水平移动精度不高；

3)矿区地形条件和地质环境复杂，现场实测沉陷数据的特征并不是仅仅由地形变化引起，且数据量不足以支撑山区沉陷预测方法改良。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法，该方法基于偏态分布的概率密度函数构建单元开采下沉和水平移动的影响函数来计算山区煤矿开采沉陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种使用偏态影响函数预测山区采煤沉陷的方法，包括以下步骤：

S1、设置20～50个数值模型，所述数值模型中，地层简化为包括底板、矿体和覆岩3个地层，覆岩层平均厚度H和地表倾角ag变化，其它地质采矿条件相同；3个地层的物理力学性质固定，采用摩尔-库伦本构模型，分别设置杨氏模量、泊松比、抗拉强度、内聚力、摩擦角，取值由现场勘查或资料调研获取；

S2、对设置的数值模型分别进行模拟单元开采，开挖的单元位于模型矿体层中央相同位置，计算开采后的地表沉陷值，所述地表沉陷值包括下沉和水平移动；选择偏态分布的概率密度函数作为下沉的影响函数vs(x)，对其进行局部求导作为水平移动的影响函数hd(x)，分别用下沉的影响函数和水平移动的影响函数对模拟得到的模型地表下沉和水平移动进行非线性最小二乘拟合，得到对应各个数值模型的影响函数的参数sm₁、α₁、μ₁、σ₁、sm₂、α₂、μ₂、σ₂的值；