[发明专利]基于自适应时空积分网格的煤炭开采沉陷动态预计方法

说明书

技术领域

本发明涉及对于煤炭资源开采所引起的地表沉陷损害的科学预计方法。

背景技术

煤炭资源作为我国的主体能源，为国家社会经济发展做出了巨大贡献。但是煤炭资源的开采的同时，也对地表生态环境造成了严重影响。科学预计煤炭资源开采所引起的地表沉陷损害，对合理安排矿井开采计划和土地复垦具有十分重要的意义。然而煤炭开采引起的地表沉陷是一个在空间和时间上都非常复杂的过程。现阶段预测方法主要是对于沉陷稳定后的沉陷盆地范围能做出比较好的预测。但仅根据稳定后(或静态)的沉陷规律还不能很好地解决实际问题，必须进一步研究动态的移动变形规律。目前，国内外学者对开采沉陷动态过程的研究尚处于探索阶段，还没有成熟的理论与方法指导工程实践。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于自适应时空积分网格的煤炭开采沉陷动态预计方法，该方法思路清晰，易于计算机编程实现，对于矿区安全开采及生态恢复等都具有十分重要的理论价值和现实指导意义。

本发明的技术方案是：一种基于自适应时空积分网格的煤炭开采沉陷动态预计方法，其特征是包括以下步骤：

(1)首先，根据地下煤层开采主要影响半径r，生成时空积分网格，时空积分网格单元M的尺寸d＝int(r/10)，其中主要影响半径r＝H/tgβ，H为水平煤层埋深，β为主要开采影响角，时空积分网格的总宽度应大于等于主要影响范围；同时按照同样的网格尺寸生成地表网格和地下煤层网格；

(2)计算时空积分网格单元M(x,y)对地表待预计单元S(x₀,y₀)的下沉贡献率，计算公式如下：

式中，(x,y)为时空积分网格单元M的中心点坐标，(x₀,y₀)为地表待预计单元S的中心坐标；

W_SM为时空积分网格单元M开采造成地表单元S的下沉量，mm；

W₀为充分采动条件下的地表最大下沉值，mm；

d_A为开采单元面积，m²；

为了便于使用，将上式计算的W_SM/W₀结果转成千分比值，生成时空积分网格下沉空间影响权值分布图，转换公式如下：

式中，f_SM表示时空积分网格单元M开采对地表单元S下沉的作用分值；

n表示时空积分网格的单元总数；

式中其他含义同上

(3)利用双曲正切函数描述下沉时间影响函数，通过与开采煤层叠加，获取时间参数，动态计算时空积分网格时间影响权值，计算公式如下：

式中，W_M(t)为M的时间影响函数；

t为网格单元M开采后至预计时刻的持续时间，天；

H为水平煤层埋深，米；

(4)计算地表预计单元S的下沉值，采用以下公式计算：

式中，f_s为地表预计单元S的时空积分值；

f_SM表示时空积分网格单元M开采对地表单元S下沉的作用分值；

W_M(t)为时空积分网格单元M的时间影响函数；

n为积分网格的单元数；

W_s为地表预计单元S的下沉量，mm；

W₀为理论最大下沉量，mm；

(5)至此，完成一个地表待预计单元的下沉预计工作，移动时空积分网格到下一个待预计单元进行模拟计算，直至地表可能受影响区域的所有单元计算完成。

其中计算时空积分网格时间权值的流程如下：首先赋予每一个积分网格的时间属性为拟预计的时间，然后将该积分网格中心点设定到待预计的地表点上，与对应的地下煤层网格单元的时间属性进行相减，如果结果小于0，表示没有开采，则积分网格时间影响权值为0；如果结果大于0，则根据时间影响函数，计算该开采单元的时间影响权值；最后生成时空积分网格时间影响权值图。

本发明在国内外研究的基础上，采用自适应法划分时空积分网格，基于双曲正切函数描述地表下沉过程，通过时空积分网格积分运算，预测地表下沉值，模拟地表沉陷过程。该方法具有思路清晰，易于计算机编程实现，对于矿区安全开采及生态恢复等都具有十分重要的理论价值和现实指导意义。

附图说明

图1是开采沉陷演化时空分析图。

图2是时空积分网格划分示意图。