地下开采引起地表沉陷的电算化研究.pdf

第 2 2卷第 6期 、 b1 ． 2 2 No ． 6 辽宁工程技术大学学报 J o u r n a l o f L i a o n i n l z T e c h n i c a l Un i v e r s i 2 0 0 3 年 1 2月 De c ． 2 o 0 3 文章编号 1 0 0 8 ． 0 5 6 2 2 0 0 3 0 6 - 0 7 4 0 - 0 3 地下开采引起地表沉 陷的电算化研究 张春会 ，于广明 ，杨伦 ，邹雷 1 ． 辽宁工程技术大学 力学与科学工程系，辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0 ；2 ． 青岛建筑工程学院，山东 青 岛 2 6 6 0 3 3 ；3 ． 阜新 自来水公司，辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0 摘 要分析了地下开采引起地表沉陷的计算原理，描述了地下开采引起地表沉陷的预计模型，同时，以V C为开发平台， 开发了 地 表沉陷预计程序 C X YJ 2 0 0 1 。该程序与 A u t o CA D、Ma 廿 a b接 口，具有 良好的图形交互和结果显示界面。本文 以姚桥矿西九采区为例， 进行 了实际运算 ，计算结果与手算结果基本吻合，预计下沉边界与实际下沉 边界基本一致 ，证明了在非急倾斜条件下，该软件计算结 果是可靠的。 关键词地表沉陷； 地表沉陷预计模型 预计程序C X Y J 2 0 0 1 中图号T D 8 0 3 文献标识码A Co mp u t e r b a s e d c o mp u t a t i o n s t u d y o n mi n e s u b s i d e n c e ZHANG Ch u n h u i ， YU Gu a ng mi n g z ， YANG Lu n ， ZOU Le i J 1 ． D e p a r t me n t o f M e c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g S c i e n c e ， L i a o n i n g T e c h n i c a l Un i v e r s i t y , F u x i n 1 2 3 伽l 0 ， Ch i n a ； 2 ． Qi n g d a o I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r e a n d En g i n e e r i n g , Qi n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ； 3 ． 1 h l x i n Wa ter S e r v i c e C o ， 1 2 3 O 0 0 F u x i n ． Ch i n a Ab s t r a c t T h e a r t i c l e a n a l y s e s mi n e s u b s i d e n c e c o mp u t a t i o n t h e o r y an d c o mp u tati o n mo d e l o f mi n e s u b s i d e n c e i s g i v e n ．An d wi th M S VB6 ． 0 ， c o mp u tati o n p r o g r a m CXYJ 2 0 01 i s wo r k e d o u t ．T h e p r o g r a m i s c o n n e c t e d wi t h Au t o CAD an d M a 廿a b ．S O the p r o g r a m i s e a s i l y a v a i l a b l e f o r U S ．Th e r e s u l t s a r e s h o wn wi th fi g u r e s ．By the p r o g r a m， mi n e s u b s i d e n c e o f a s ectio n o f Ya o q i a o M i n e i s an aly s e d an d c o mp u t ed ． Th e r e s u l t s o f c o mp u tati o n t a l l i e s wi th the d a ta c alc u l a t e db y h an d ． Ke y wo r d s mi n e s u b s i d e n c e ； c o mp u tati o n mo d e l o f mi n e s u b s i d e n c e ； c o mp u tatio n p r o g r a m CXYJ 2 0 0 1 引 言 随着我国对 能源 需求 的增长 ，进一步解决建筑 物下、铁路下、水体下 简称三下压着的大的煤 炭 资源开采具有重要意义。因而 ，对三 下开采可能 引起 的地表破坏进行科学计算、分析是保证三下开 采设计质量的重要前提。 文献【 4 】 介绍了经验法和函 数法 。 我国学者在 1 9 9 2年王旭春利用 Ba s i c语言编 制了计算软件． 地表下沉预计系统， 煤科院唐山分院 和 中国矿业大学也在进行类似软件 的编制工作，并 力图将其与 G I S技术结合 J 。 1 预计原理 地下采煤 引起的地表 移动与变形计算 ，在我 国 采用 的主要方法有典型 曲线法、负指数函数法和概 率积分法三种，其中，由于概率积分法算法简单， 易于计算机 实现 ，并且计算结果可靠，使用尤为广 泛。因此，采用了概率积分法编制了计算程序，其 数学模型如下 ① 地表任意点 A ， 的下沉值 W x , y W ， G c v 其 中 c e - Z 2 d Z一 e - x 2 d 2 c ．fy。 Xr[X P 2 一 P 式中 一充分采动条件下地表最大下沉值， Wm a x mq c o s口；m 采 出煤层厚度；q一地表下沉 系数； 口 煤层倾角；C x ， 分 别为待求点在 走 向和倾 向主 断面上投影 点处 的下沉 分布系数 ；Z 收稿 日期 2 0 0 2 ． 1 1 ． 1 8 基金项目国家 自然科学基金项 目资助 5 0 2 7 4 0 4 4 “ 作者简介张春会 1 卯6 ． ，男，辽宁 沈阳人，硕士研究生。本文编校 赵娜 维普资讯 第 6 期张春会等地下开采引起地表沉陷的电算化研究 7 4 1 一 为采区拐点平移后走 向长度在地表的计算开采 宽度；r _ - 为走向方向的主要影响半经； 、 y - _ 待求 点坐标 。 ②地表任意 点 A y 沿 方 向倾斜变形值 7 y 口 y ∞ C y C O S T y s i n 7 1 y 计9 D 一T x C y s i n 一r y G C O S y C y C O S r s i n r 式中 丁 a r c t a n T y G ／ ； 7 y 一 一 待求 点 的最大 倾斜值 ，ml l 1 ] m； 广 最大倾 斜值 方 向与 O X轴的夹角 沿逆时针方向旋转 ， 度； 一分别 为待求 点沿走 向和 倾 向主断面 上投 影点 处迭加 后 的倾斜变形值 ，mn 1 ] m。 ③ 地表任 意点 A y 沿 方 向的 曲率变 形 y 口 y K x G C O S G s i n z ／ s i n 2 K x , y 9 o s i n C O S 一 ／ s i n ‘ ，y 懈 C y C O S s i n ／ W s i n z y _m j y 9 Y 9 o 一 y 一 式 中 l a r c t a n 2 H ， 衄 K x C y ’ K ’ 磊 y x ， 豳 y in 一 _ 一 分别为待求点最大、 最小曲 率变形值； 一分别为待求点沿走向及倾向在主 断面投影处迭加后的 曲率值。 ④ 地表任意点 A y 沿 方向的水平移动值 y 口 y 9 G C O S s i n y 9 D C O S s i n y U x C y s i n C O S 式中 。广 为最大水平移动方向与 O X轴的夹角； a r c t a n ／ V x G ； ，厂 分别为待求点 沿走 向和倾 向在 主 断面 投影 点处 的水平 移动 值 ， m m。对于倾斜 方 向需加 c o t 。 ⑤ 地表任意点 A y 沿 方向的水平变形值 ￡ ， 9 ￡ X ￡x C y C O S 牵 c x s i n 牵 l UJ U x ， wm1 ．s i n C O S ￡ t x 、 Q ￡ x c r ‘s i n 。 ￡ x ‘C O S 。 - I U x T y s i n C O S ￡ x ￡ x C y C O S 。 ￡ x s i n 2 e U x T x W ． 7 s i n 。 C O S ￡ s x , y m i n ￡ l x ， 十 ￡ x ， 9 o 一 ￡ x ， m 式中 --a r c t a n ” 2 w c ，，I ￡ C 一 ￡ y 。 ，￡ y 血一分别为待求点最大、最小 水平变形值； ， ，厂 分别为待求点沿走 向及倾 向在主断面投影处迭加后 的水平变形值 。 2 预计模型 C X Y J 2 0 0 1 预计程序以 V C为开发平台组织程 序 ，综合 了 Au t o C AD 图形处理 的功能。其开发模 型如 图 l 。 数据管理模块 V C管理平 台 数据读入、计 算、数据输出 Au t o C A D等值线图形管理 图 1 C XY J 2 0 0 1 的程序开发模型 F i g ． 1 t h e e x p l o r i ng p r o g r a m mo d e l o f CXYJ 2 0 01 3 实例计算 应 用 以 上 模 型 我 们 编 制 了 预 计 程 序 C X Y J 2 0 0 1 ，并以姚桥矿西九采区为例，进行了实 际运算，具体计算过程如下 原始数据及资料 煤层个数 l 层， 地面平均标高 3 5 m， 采面个数 为 1 个，采厚3 ．8 3 m，下沉系数 0 ．8 0 ， 重复采动影 响系数 l ， 水平移动系数 0 ． 3 5 ， 影响传播系数 0 ．5 0 ， 主要影响角正切 1 ． 8 0 。 各角点的 ， 】 ／ ， ， z座标 见表 l ，单位为米。 表 1角点数据 I Ia b ． 1 t he a n g l e p o i n t da t a 序号X y z K l 6 2 1 7 8 9 0 2 O 4 ． 7 7 5 0． 1 2 2 6 2 l 9 6 9 0 4 3 0 ． 7 5 0 0． 1 2 3 6 2 l 3 4 9 0 6 0 4 ． 7 2 5 O． 1 2 4 6 20 3 4 9 07 4 4 - 7 0 o O． 1 2 5 6 l 7 9 5 9 09 6 0 6 4 0 0 ． 1 2 6 6 1 1 4 0 9 04 4 0 6 4 0 0 ． 1 2 7 6 1 5 7 6 8 9 8 3 6 7 7 0 0． 1 2 8 6 1 8 3 0 8 99 3 6 7 5 0 0． 1 2 零散点集合集合数据见表 2 。 预计 结果见表 3 。 与手算结果的误差在 0 ．5 ％以内， 电算数据与手 算结果吻合 。 预计图形如图 2 ～图 7 。 限于篇幅，其他 A u t o C A D等值线图略。 维普资讯 7 4 2 辽宁工程技术大学学报 第 2 2 卷 图 2下沉立体图 F i g．2 s u b s i d e n c e 3 D fig u r e 图4 水平移动立体图 Fi g ．4 l e v e l d i s pl a c e me n t 3 D fig u r e t 图 6 曲率立体 图 Fi g ． 6 c u r v a t u r e 3 D fig u r e 表 2零散点集合数据 T a b ． 2 t h e g a t h e r d a t a o f t h e d i s p e r s e p o i n t 表 3 预计结果 T a b ． 3 t h e p r e d i c t e d r e s u l t 4 结论 C X Y J 2 0 0 1软件具有 良好的人机交互界面，计 蜜 彝 、 m 图 3水平变形立体 图 F i g ． 3 l e v e l dis t o r t i o n 3 D fi g u r e 图 5倾斜立体 图 F i g ． 5 s l o p e 3 D fi g u r e 图 7 A u t o C AD下沉等值线图 F i g ．7 Au t o CAD s u b s i d e n c e i s o l i n e fig u r e 等值线值 由外到内为 1 02 0 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 02 0 0 0 mm 算速度快 ，结果准确 ，显示 良好 。对于非急倾斜煤 层，可以使用该程序进行设计分析和开采沉陷灾害 预测、评估 。通过对姚桥矿西九采区的实例计算 ， 证 明程序的计算结果是可靠的，其计算结果可 以作 为地下开采设计和 开采沉陷损害鉴定 的科学依据。 参考文献 【 l 】何 国清， 杨 伦， 等． 矿 山开 采沉 陷学【 M】 ． 北京中 国矿业 大学出版 社． 1 9 9 1 ． 【 2 】王建华． 微机绘 图与程序设计【 M】 ．北京机械工业 出版社， l 9 9 6 ． 【 3 】于广明． 地层沉 陷非线性原理、监测与控制Ⅱ ．长春吉林大学出版 社．2 0 0 0 ． 【 4 】马伟 民， 王金 庄 译 ． 采动 损 害及其 防 护【 M】 ． 北京 煤炭 工 业 出版 社． 1 9 8 2 ． 【 5 】勒建明， 吴侃， 王卷乐． 基于 G I S的矿山开采沉陷环境影响评价初探 『 J 1 ．矿 山测量，2 0 0 1 ， 6 2 2 0 3 - 2 0 6 ． 1● J●●q ●●1 ● 、●J●● _誊 i＆ ■■■■_ 维普资讯