[发明专利]一种采动覆岩移动变形动态预测方法

权利要求书

1.一种采动覆岩移动变形动态预测方法，其特征在于：确定采动覆岩内部任一预计水平、任一时刻岩层下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形、垂向变形值的定量动态预测方法；具体步骤如下：

a.构建各回采单元的时间函数，如式(1)所示：

其中C为岩性参数，将工作面的计算长度l划分为n个开采单元，覆岩内部任一预计水平z的动态移动变形值看成为n个开采单元独立动态移动变形值的叠加，假设第一个开采单元开采时刻为0，按开采单元长度或单元回采时间来划分，第1个开采单元的回采时间为t₁，回采速度为v₁，则第1个单元回采长度为v₁t₁；第i个开采单元所经历的回采时间为t_i，回采速度为v_i，则其回采长度为v_it_i；如果在t时刻进行覆岩内部z水平动态移动变形预计，第1个开采单元所经历的采动时间为t，第i(i≥2)个开采单元所经历的采动时间为

b.在工作面坐标系中t时刻覆岩内部z水平走向主断面上任意点的移动与变形值，包括采动覆岩内部z水平t时刻走向主断面岩层下沉预测值和在工作面坐标系中t时刻覆岩内部z水平走向主断面上任意点的移动与变形值；

b-1.预测模型采动覆岩内部z水平t时刻走向主断面岩层下沉预测值用以下预测模型表达；

第1个和第i(i≥2)个回采单元开采引起的覆岩内部z水平走向主断面上岩层动态下沉值用(2)式表示：

式中W⁰(x_i,z)＝W(x_i,z；p₃)-W(x_i-l,z；p₄)，x_i(i＝1,2,…,m)分别为各开采单元独立坐标系的坐标，l为走向计算长度，l＝D₃-s₃-s₄，D₃为走向方向实际开采长度，s₃、s₄为走向方向左右边界拐点偏移距，p₃和p₄分别表示走向左侧和走向右侧的覆岩岩性综合评价系数；

煤层开采过程中工作面推进速度恒定v₁＝v₂＝…＝v_n＝v，第一个开采单元所经历的时间为t₁，其余开采单元经历的回采时间为Δt，那么工作面走向长度等于vt₁+(n-1)vΔt；联立(1)式和(2)式，得在工作面坐标系中t时刻覆岩内部z水平走向主断面上任意点的下沉值为：

其中，

式中，x为工作面坐标系中走向主断面的横坐标；z为工作面坐标中走向主断面的纵坐标；m为煤层开采厚度；q_z为z预计水平覆岩下沉系数，H为采深；q为地表下沉系数；n为与覆岩岩性有关的覆岩下沉系数影响因子；a为煤层倾角；γ_z为z预计水平主要影响半径；在上式计算中当待预计的时间t＝t₁+t₂+…+t_i，表示第i+1至第n个开采单元尚未开采；当t＞t₁+t₂+…+t_n，则表示工作面已经开采完毕，且已经停采t-(t₁+t₂+…+t_n)时间；

b-2.在工作面坐标系中t时刻覆岩内部z水平走向主断面上任意点的移动与变形值用式(4)～(8)表达，

走向主断面倾斜动态公式：

式中，x为工作面坐标系中走向主断面的横坐标；z为工作面坐标走向主断面的纵坐标；i表示第i个开采单元的编号；v为工作面推进速度；

走向主断面曲率动态公式：

走向主断面水平移动动态公式：

U⁰(x,z,t)＝b_z*γ_z*i⁰(x,z,t) (6)

走向主断面水平变形动态预计公式：

走向主断面垂向变形动态公式：

式中b_z为z水平移动系数；

c.在工作面坐标系中t时刻覆岩内部z水平倾向主断面上任意点的移动与变形值用式(9)表示，

式(9)中p₁、p₂分别表示相应的下山和上山方向的覆岩综合评价系数；L为倾向方向计算长度，用式(10)计算；

式(10)中D₁为工作面倾向实际开采长度；s₁、s₂分别为下山和上山方向拐点偏移距；θ₀为开采影响传播角，θ₀＝90°-ka，k为小于1的系数，取值在0.5～0.8之间；

式(9)的前三个公式等号右边半无限开采的下沉、倾斜、曲率、垂向变形的计算公式与走向相同；半无限开采的水平移动和水平变形计算公式应在相应走向公式计算所得的值加上由于煤层倾斜所引起的水平移动和水平变形的分量，其计算公式为：

式(11)中b_1z、b_2zγ_1z、γ_2z采用式(12)计算：

式(12)中H₁、b₁和γ₁分别为下山方向采深、水平移动系数和影响半径，H₂、b₂和γ₂分别为上山方向采深、水平移动系数和影响半径；

d.在工作面坐标系中t时刻覆岩内部z水平任意点的移动与变形值的确定，

联立式(3)～(12)得覆岩内部任一水平面上任一点的动态移动变形值，表达公式如下：

下沉W(x,y,z,t)：

倾斜

曲率

水平移动

水平变形

垂向变形

式(13)～(18)即为覆岩内部任一点移动变形公式。