文摘

在这项研究中,一种改进Knothe时间函数模型建立了通过类比推理从现象学的角度来看,基于逆“河海蠕变模型”函数,按照反对称不稳定蠕变曲线和表面动态沉降之间的关系曲线。实证方法和拟合方法确定的参数提出了改进的模型基于实地测量数据的可用性。两个模型的精度与监测数据从八个监视点的主要打击Guotun煤矿沉陷盆地的概要文件。结果表明,改进后的模型能更准确地反映地表沉陷的动态过程。改进模型的平均相对标准偏差仅为4.9%,远低于23.1%的Knothe模型。这个验证改进模型的准确性和可靠性。不同监测站获得的模型参数拟合方法类似,这表明该模型参数是定期的,可以很容易地应用。

1。介绍

煤炭开采引起的地表沉陷是一个动态的过程(1,2]。与地表沉陷相关的一系列问题,包括环境恶化,土地沙漠化,地下水位下降,和地面建筑和基础设施裂缝的形成,是一个问题在学术和工程领域(3]。准确预测和有效控制地表沉陷为了推荐合理的开挖方案和地面建筑物保护措施已经被认定为一个难题需要解决方案(4]。地表沉陷不仅与煤层的水文地质条件,但也与采矿方法和过程密切相关。与采空区的范围的增加,表面扰动的矿业相关范围的扩张,和一个稳定沉降盆地逐渐形成表面采矿后停止了一段时间。沉陷盆地的规模远远大于采空区。表面上的一个特定点会经历整个过程的初始沉降,快速沉降,沉降缓慢,最后达到一个稳定状态5,6]。因此,地表沉陷是时间的连续函数,准确的地表沉陷预测的关键是确定的时间函数模型和模型参数。

目前,Knothe时间函数模型是广泛应用于采矿工程。然而,随着更深入的研究,Knothe时间函数模型的缺点越来越明显(7,8]。因此,许多专家使用的方法参数修改、分段建模和理论分析建立更准确和适用的预测模型。胡锦涛et al。(9,10)提出了概率积分法解决Knothe时间函数模型的参数根据一般特征开采沉陷引起的地表移动和变形的临界尺寸时采空区充分挖掘出来。崔et al。11]提出Knothe时间函数模型参数符合实际情况综合考虑行车速度的工作面和采空区的关键尺寸在充分挖掘。刘和壮族12,13)添加了一个权力指数与常数KKnothe时间函数作为一个参数,提出了一种改进的Knothe模型符合实际的地表沉陷特征。李(14)提出了上覆岩层岩性参数的概念,建立了这些参数之间的关系和时间函数模型参数,从而提高Knothe时间函数模型。Taherynia et al。15)使用一个圆形网络来确定整个储层的压实效果的表面,基于Knothe和Geertsma影响功能。

这些研究成果已经应用在煤矿地表沉陷的预测。然而,模型中有许多缺陷,比如大量的参数和困难参与他们的决心。在这项研究中,逆“河海蠕变模型”功能是解决根据反对称关系不稳定蠕变曲线和表面动态沉降曲线。从现象学的角度来看,一种改进的基于逆Knothe时间函数模型“河海蠕变模型”函数建立了类比推理。此外,改进后的模型的合理性和适用性验证通过监控数据的主要表面的罢工Guotun煤矿1301工作面。

2。Knothe时间函数模型

Knothe时间函数模型,提出了1952年波兰学者Knothe [16]。目前,它被广泛用于预测的动态沉降造成的表面上的一个特定点挖掘。Knothe时间函数模型的表达式如下(17,18]: 在哪里c是一个时间的影响参数;是地表沉陷;沉降速度;是地表沉陷加速度。

根据方程(1),Knothe时间函数曲线,如图1。

根据方程(1)和图1可以看出,地表沉陷逐渐增加,逐步减少,在沉降过程中总是小于0,这显然是不符合实际的地表沉陷特征。

大量的现场监测数据表明,地表沉陷的过程通常可以分为初始沉降,快速沉降,沉降缓慢稳定的状态。地表下沉曲线近似于一个“S”型曲线,而地表下沉速度曲线近似于正态分布曲线(19,20.]。然而, , ,和由Knothe模型是单调函数,所以该模型不适合描述地表沉陷的动态过程。

3所示。改善Knothe模型

根据岩石蠕变理论,摇滚将进行不稳定蠕变在高压力的情况下如蓝色曲线如图所示2曲线(不包括期间产生的瞬时应变应力加载)。可以看出不稳定蠕变曲线的形状类似于一个反“S”曲线,这是地表沉陷的倒数曲线。针对这一点, 为对称轴,提出逆不稳定蠕变曲线的图像可以得到如图所示的红色“S”曲线在图2,这可以用来描述动态地表沉陷。根据基本的数学,红色曲线,蓝色曲线所代表的功能是互相的逆函数。因此,只要不稳定蠕变函数及其逆函数计算,确定的时间函数描述动态建立地表沉陷。

建立不稳定蠕变函数的研究中一直是一个困难的岩石蠕变力学。因为古典开蠕变模型的参数,伯格斯蠕变模型,和Nishihara蠕变模型不改变随着时间的推移,很难使用这些模型来描述时发生的不稳定蠕变的应力超过岩石的长期强度(21]。为了有效地解决这个问题,专家们提出了使用非线性元素作为替代线性元素出现在古典模型建立非线性蠕变模型,该模型可以描述不稳定岩石蠕变。这导致了“河海蠕变模型”的建立22]。在这个模型中,理想粘性体被一个非线性粘性体和一个塑料的身体平行。“河海蠕变模型”可以用来描述不稳定岩石蠕变。“河海蠕变力学模型如图3。

根据非线性蠕变理论,微分本构关系的“河海蠕变模型”可以获得如下: 在哪里是压力;长期强度;的粘度系数“河海蠕变模型”;n是模型秩序;是应变;和t是时间。

在方程(2)被认为是独立的变量x和作为因变量y。功能之间的关系x和y可以得到如下:

方程的逆函数(3)可以解决获得独立和相关的变量之间的新关系。在这个时候,独立变量和相关的变量 。因此,方程的逆函数(3)可以表示如下:

从现象学的角度,我们可以使用类比推理等同起来来 , 来C,来 ,和来 。这允许的建议改进Knothe模型表达式如下: 在哪里C是一个影响参数的改进模型。

求解方程(5),并考虑初始条件 ,方程(5)可以简化如下:

动态表面沉降速度和加速度可以来源于方程(6)如下:

当n= 1,方程(6)∼(7)可以简化为方程(1),这表明Knothe模型的一个特例改进模型建立研究。

地表沉降曲线、下沉速度曲线和沉降改进模型的加速度曲线如图所示4。可以看出,地表下沉曲线近似s型,和地表下沉速度曲线近似于正态分布曲线。地表沉陷特征所反映符合现实世界的过程,因此可以用来描述地表沉陷的动态过程。

4所示。确定模型参数

根据方程(6),只有改进模型中的两个参数:C和n。因此,与Knothe模型相比,改进的模型不仅更准确,也可以很容易地应用于领域由于减少了必需的参数的数量。此外,其实际可操作性是优于其他复杂的改进模型。

4.1。实证的方法

通过分析大量的地表沉陷监测数据,我们可以得到以下经验公式(23]:

将方程(9)方程(7),我们得到n= 3.26。

根据实证分析和研究,当采空区的长度达到充分挖掘价值,将大约0.98(24]。根据方程(6),参数C可以计算如下: 在哪里 是关键的采空区尺寸(25),是开采速度,是缝深度,是完整的下沉角。

方程(9)简化和参数C得到如下:

4.2。拟合方法

节中提到的经验方法4所示。1有以下限制:(1)在确定的参数C和n,有必要确定地表沉陷的时候达到最大速度随着采空区尺寸至关重要 。然而,这两个参数是不容易确定准确实际的煤层开采。(2)由于不同的采矿方法的应用和不同的地质条件,并不是所有的地表点下沉值一半的最终沉降值时,沉降速度达到最大值。此外,无论是最大地表沉陷等于0.98当煤层开采的规模达到充分挖掘的临界值。

因此,C和n由应用实证方法与一个特定的错误,是独立的测量造成的误差。当有大量的地表沉陷监测数据,拟合方法(26)可用于确定改进Knothe时间函数模型参数根据现场监测数据。这种方法可以确保最小化之间的误差拟合值和监测值。此外,它很容易使用,因而被研究人员广泛青睐。

5。模型验证

监测数据和结果的预测模型进行了比较和分析,以验证改进模型的合理性。地表沉降监测数据Guotun煤矿1301工作面,山东,中国,被用于调查。1301工作面位于西南巨野矿区。煤层厚度变化从1到3.6米,和12°倾角。工作面采矿开始第十天的2010年11月和2012年12月中旬结束。执行第一次观察到10月18日,2010年,最大探测地表沉陷是16毫米。

罢工观测线的长度的1301工作面是4200米。它包含126个监视点,Z1-Z126编号。倾斜观测线的长度是2300米,它包含60监视点,H1-H60编号。两个相邻监视点之间的距离为30米。为了满足本研究的要求,一些监控的布局点被选中,如图5。由于延长观察时间和大量的监测数据,监测数据点Z29 Z37, Z41, Z44, Z45, Z47, Z50, Z53随机选择分析的准确性Knothe时间函数模型和改进的Knothe时间函数模型的地表沉陷预测。

表1显示了8个监视点的实测沉降值在不同的日期。从表中可以看出,最后稳定沉降值Z29和Z37小于另一个监视点。然而,沉降趋势的监视点显示了一个明确的“S”形,允许这种现象所描述的改进模型。

结合监测数据,Knothe模型和改进模型被用来预测地表沉陷。使用两个模型的结果可以从八个监视与测量数据点,如图6。

改进的模型和Knothe模型的参数确定根据拟合方法如表所示2。它可以从一个比较的结果如图5有很大的区别的拟合值Knothe时间函数模型和监控数据。此外,该模型曲线斜率逐渐对时间流动,不反映了“S”型曲线的表面沉降对时间点。改进的模型曲线是高度一致的监控数据,准确地反映动态特性的表面沉降对时间点。此外,模型参数C和n拟合得到的监测的监测数据点Z41, Z44, Z45, Z47, Z50,与Z53相似,显示小的差别。这表明该模型是相对稳定的,模型参数是定期的,容易应用。

6。讨论

如方程所示(11),标准偏差米和相对标准偏差f可以用来验证改进模型的准确性。计算结果如表所示3。从表3,我们可以看到改进模型的平均相对标准偏差仅为4.9%,远低于23.1%的Knothe模型。虽然改善Knothe时间函数模型的准确性高于Knothe模型,改进后的模型只适用于描述充分挖掘后的地表沉陷规律,不能准确地反映地表塌陷的特点的过程中挖掘不足。 在哪里和分别监测价值和理论价值;N监视点的总数。

7所示。结论

(1)理论分析表明,Knothe模型不适合描述表面动态沉降的过程。一种改进的基于逆Knothe时间函数模型建立“河海蠕变模型”功能从现象学的角度使用类比推理根据的反对称关系不稳定蠕变曲线和表面动态沉降曲线。(2)改进后的模型可以描述实际过程的地表沉陷和只包含两个模型参数,便于实际工程应用。(3)误差分析的结果表明,改进后的模型的平均相对标准偏差仅为4.9%,远低于23.1%的Knothe模型,从而验证改进Knothe模型的准确性和可靠性优于Knothe模型。

数据可用性

监测数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(51874005)。