地表残余移动变形预测软件开发

朱广轶, 吕士华, 赵柏冬, 徐征慧, 马亚丽

(沈阳大学 a. 建筑工程学院, b. 辽宁省环境岩土工程重点实验室, 辽宁 沈阳　110044)



地表残余移动变形预测软件开发

朱广轶a,b, 吕士华a, 赵柏冬a,b, 徐征慧a, 马亚丽a

(沈阳大学 a. 建筑工程学院, b. 辽宁省环境岩土工程重点实验室, 辽宁 沈阳110044)

摘要:为解决老采空区地表新建建(构)筑时的地基稳定性评价问题,填补规程空白,基于作者应用随机介质理论构造的老采空地表残余移动变形预测函数,采用Visual Basic进行了ZMS8.0软件开发.研究表明,ZMS8.0及其各影响函数可较好地描述地表残余移动变形规律,软件具有介面友好、计算和图形输出便捷的特点.

关键词:开采沉陷; 残余移动变形; 预测; 软件

1研究现状与软件开发理论依据

《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[1]规定,地表移动从下沉10 mm开始,到连续6个月下沉不超过30 mm时结束,正常不超过4年.而R.E.Gray和R.W.Pruern[2]在研究匹兹堡煤层开采沉陷问题时指出,老采空区(房柱式开采)地表下沉可在开采后50 年或以后发生.朱广轶[3]在研究鹤岗市多煤层开采时指出,地表残余变形可达到Ⅳ级.残余移动变形对地面建(构)筑物、道路、水体的影响成为老采空区地基稳定性评价的重要问题.显然,规程规定的开采沉陷结束时间有缺陷.正由于此,规程至今没有残余移动变形的概念和计算方法.因此,基于构造残余移动变形的影响函数,研究其预测方法,具有重要科学意义.

朱广轶[4-5]将地表残余移动变形分为1、2两个阶段,提出了地下开采若干年后地表残余移动变形的预测公式.

第1阶段残余下沉的影响函数:

设,φ(x,t)为朱广轶[6]坐标-时间函数的形态影响函数;α为煤层有倾角,v为平均开采速度.将工作面长度按照开采时间tt平均划分为n个小单元;x为地表点在开切眼坐标为零的开采坐标系中之坐标;t为第2阶段残余移动变形刚要出现那一时刻(可由地表新建建(构)筑等因素发生及以后的水准巡视测量确定),根据叠加原理,得到t时刻地表动态残余下沉值为:

(1)

第2阶段残余下沉的影响函数:

(2)

式中,m为开采厚度,r为主要影响半径,D3为煤层走向开采长度,S3、S4为工作面左、右两侧的拐点偏距,l=D3-S3-S4.

第2阶段残余倾斜:

(3)

第2阶段残余曲率变形:

(4)

第2阶段残余水平移动:

(5)

式中,b为水平移动系数.

第2阶段残余水平变形:

(6)

残余下沉的时间过程:

设残余下沉值趋于最大潜在下沉值Wc(x),蠕变方程的参数k,η可综合为影响参数λ,则,地表残余下沉的时间过程函数

(7)

2软件结构和介面

在地表沉陷引起的任意一点和整个下沉盆地的移动变形计算中,数学计算及图形的输出模拟十分复杂繁重,本模型采用VB与Matrix混合编程,能够有效地简化编程过程,还提高了有效界面.本程序分为三部分:参数输入及选择部分、数据处理部分、图形输出.程序的流程如图1.

图1　软件计算流程图

图2为地表残余移动变形预测软件界面.应用Visual Basic软件来设计输入对话框和控件,应用figure程序直接绘制图形,通过一系列计算结果,自动绘制沉陷区预计点的地表残余移动变形的二维图形,获得第1阶段残余下沉曲线和第2阶段残余下沉、残余水平移动、残余倾斜、残余曲率、残余水平变形、动态残余下沉时间过程各曲线,如图3～图9.

图2　地表残余移动变形预测软件界面

图3　第1阶段的地表残余下沉-Wc

图4　第2阶段的地表残余下沉Wc

图5　第2阶段的残余水平移动Uc

图6　第2阶段的残余移动倾斜变形ic

图7　第2阶段的残余移动曲率变形Kc

图8　第2阶段的残余移动水平变形εc

3软件的实例验证

以新安煤矿的老采空区为例,其岩煤层倾角7°,走向长度380 m,倾向长度370 m.应用本软件及该矿地表移动参数来计算,得到新安煤矿地表残余移动变形的曲线图.

(1) 第1阶段的残余下沉,如图3所示,最大下沉为0.007 2 mm,这相对第2阶段的最大下沉725 mm是很小的数值.故第1阶段的移动变形可以忽略不计.

(2) 第2阶段残余移动下沉量,最大的下沉为725 mm,如图4所示.

图9　残余下沉Wc时间过程

(3) 第2阶段残余移动水平移动,最大变形值±355 mm,如图5所示.

(4) 第2阶段残余移动倾斜方向的变形值,最大的倾斜方向上变形值为±8.8 mm,如图6所示.

(5) 第2阶段残余移动曲率变形为-0.4～0.21 mm,如图7所示.

(6) 第2阶段残余水平变形-4.2～2.1 mm/mm,如图8所示.

(7) 残余下沉随时间的变化过程,如图9所示.

(8) 地表残余变形的最大值与预测数值的比较见表1.

通过对残余变形实测值与预测值对比发现,其误差范围在工程要求的范围内.最后,将该模块加入朱广轶“静态+动态”分析的软件系统,使ZMS开采沉陷预测软件升级为ZMS8.0.实践证明,ZMS8.0软件能够准确地预测老采空区活化后的地表残余移动变形.

表1　残余变形观测值与预测值比较

4结论

(1) 基于朱广轶地表残余移动变形第1、2阶段影响函数,利用VB对已构造的影响函数进行编程,应用各矿区已有岩移参数,可以输出全部残余移动变形可视化曲线,可推广性很强.

(2) 预测结果表明,各影响函数及其软件可以很好地预测地表残余移动变形.这对完善现行规程、研究地表残余移动变形、开发开采沉陷区具有重要的理论意义和实用价值,已在国内十余个大型矿区、高校推广.

(3) 预测表明,第1阶段的残余移动变形数值很小,可以忽略.

参考文献:

[1] 中华人民共和国行业标准编写组. 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S]. 北京:煤炭工业出版社, 2000:10-17.

(The Professional Standards Compilation Group of People’s Republic of China. Building,water, railway,regulations of compressed coal mining and leaving coal pillar of main well lane[S]. Beijing:China Coal Industry Publishing House, 2000:10-17.)

[2] GRAY R E, PRUERN R W. 长壁开采岩层控制及下沉防治技术现状[C]∥刘泽春,王悦汉,译. 美国采矿工程师学会第一届国际会议论文集. 太原:山西科学教育出版社, 1986:233-250.

(GRAY R E, PRUERN R W. State-of-the-art of ground control in longwall mining and mining subsidence[C]∥LIU Z C,WANG Y H, Trans. Proceedings of the 1st International Conference of American Society for Mining Engineer. Taiyuan:Shanxi Science Education Press, 1986:233-250.)

[3] 朱广轶,解陈,窦明,等. 老采区及地表残余变形对建筑物的影响[J]. 沈阳大学学报(自然科学版), 2012,24(3):70-74.

(ZHU G Y,XIE C,DOU M,et al. Effect of old mined-out areas and surface residual deformation on building[J]. Journal of Shenyang University(Natural Science), 2012,24(3):70-74.)

[4] 朱广轶,徐征慧,解陈,等. 老采空区地表残余移动变形影响函数研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2014(10):1962-1970.

(ZHU G Y, XU Z H, XIE C,et al. Study of influence function of surface residual movement and deformation for old goaf[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014(10):1962-1970.)

[5] GUO Y, ZHU G Y, JIANG X L,et al. Study of dynamic coordinates time function in mine subsidence[J]. Advanced Materials Research, 2012(594/597):56-60.

[6] 朱广轶,沈红霞,王立国. 地表动态移动变形预测函数研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2011,30(9):1889-1895.

(ZHU G Y,SHEN H X,WANG L G. Study on dynamic prediction function of surface movement and deformation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011,30(9):1889-1895.)

【责任编辑: 祝颖】

Software Development for Prediction on Surface Residual Deformation

ZhuGuangyia,b,LyuShihuaa,ZhaoBaidonga,b,XuZhenghuia,MaYalia

(a. School of Architecture and Engineering, b. Key Laboratory of Geoenvironmental Engineering of Liaoning Province, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:To solve the problem of foundation stability evaluation of new buildings on old goaf and to fill the gaps of procedures, the software of ZMS8.0 was developed by using Visual Basic, based on ground residual movement and deformation prediction function of old goaf constructed by stochastic medium theory. Studies shows that, the movement of surface residual deformation law can be well described by ZMS 8.0, the software has a friendly interface, and the computing and graphics output are convenient.

Key words:mining subsidence; residual deformation; prediction; software

中图分类号:TD 325, TP 393

文献标志码:A

文章编号:2095-5456(2016)02-0147-05

作者简介:朱广轶(1962-),男,辽宁喀左人,沈阳大学教授,博士生副导师; 赵柏冬(1962-),男,辽宁沈阳人,沈阳大学教授.

基金项目:辽宁省自然科学基金资助项目(201102154); 辽宁省科技厅计划项目(2013229012); 辽宁省教育厅科研项目(L2010379).

收稿日期:2015-11-13