计算法留设建筑物保护煤柱方法、装置、设备、存储介质与流程

1.本发明涉及煤矿安全技术领域，尤其涉及一种计算法留设建筑物保护煤柱方法、装置、设备、存储介质。


背景技术：

2.煤炭开采不可避免的造成覆岩破坏和地表沉陷变形移动，从而对地表建筑物产生破坏影响，因此需要留设保护煤柱。常用的煤柱留设方法的基本原理是根据岩土层移动角值来留设保护煤柱，移动角是指基岩界面受开采影响的临界变形点和采空区边界连线与水平线在煤柱一侧的夹角，采用移动角留设保护煤柱具有简便易操作的优点，但由于建筑物的多样性和煤矿地质条件的复杂性，按照移动角留设保护煤柱有以下局限性。
3.不同建筑物保护等级要求不同，岩层移动角是按ⅰ级变形求取所得，且倾斜变形、水平变形及曲率变形对不同类型的建筑物影响程度不同，不适合所有建筑物保护级别的要求。移动角多是开采单一煤层时求得的,对于煤层群开采留设建筑物保护煤柱，按照移动角留设煤柱，未考虑煤层群开采的迭加影响。而对深部薄煤层开采留设地面建筑物保护煤柱，按照移动角留设，煤柱范围远大于实际需要，降低了煤炭资源的采出率，造成资源不必要的浪费。


技术实现要素：

4.本发明提供一种计算法留设建筑物保护煤柱方法、装置、设备、存储介质，旨在避免移动角留设煤柱带来的不足，有针对性的留设保护煤柱，达到保护地面建筑物的目的。
5.为此，本发明的第一个目的在于提出一种计算法留设建筑物保护煤柱方法，包括：
6.基于受护地面保护建筑物的类型，及其对应的地表变形影响指标，确定受护地面建筑物的极限临界变形值；
7.根据受护地面保护建筑物下方开采煤层地质采矿条件，确定开采煤层的开采沉陷预计参数；
8.基于开采沉陷预计参数进行地表沉陷移动变形预计，计算开采煤层主断面上不同位置的形变值，及其对应的影响范围；
9.根据开采煤层主断面上不同位置的形变值及其对应的影响范围，求取保护建筑物的允许变形值对应的影响范围，划定留设的保护煤柱范围。
10.其中，地表变形影响指标至少包括下沉、水平移动、水平变形、倾斜、曲率；
11.其中，水平变形作为对大跨度建筑物的地表变形影响指标；倾斜变形作为对高耸建筑物的地表变形影响指标，曲率变形作为对线性构筑物的地表变形影响指标。
12.其中，在确定受护地面建筑物的极限临界变形值的步骤中，
13.按照受护地面保护建筑物的类型，分析受护地面保护建筑物的地表变形影响指标形式，结合受护地面保护建筑物保护级别、保护年限以及建筑物的结构形式和强度特征，确定受护建筑物的极限临界变形值。
14.其中，在确定受护地面建筑物的极限临界变形值的步骤之后，还包括确定受护地面保护建筑物的保护范围的步骤：
15.根据受护地面建筑物的范围，在受护地面建筑物周边划定受护地面建筑物的保护范围，并且按照建筑物的重要程度和保护等级，在保护范围外设置一定宽度的围护带宽度值，以确保受护地面建筑物的安全。
16.其中，在确定开采煤层的开采沉陷预计参数的步骤中，包括：
17.根据受护地面保护建筑物下方开采煤层地质采矿条件，确定开采煤层的倾角α、采深h和煤层采厚h；
18.选择开采煤层的实测地表移动参数，或者采用类比法选择与本煤层地质条件相近的地表移动参数，确定岩移参数，包括下沉系数η、水平移动系数b、主要影响角正切tgβ、开采影响传播角θ0及拐点移动距s。
19.其中，在计算开采煤层主断面上不同位置的形变值，及其对应的影响范围的步骤中，按照确定的岩移参数和地质采矿条件，采用概率积分法进行地表沉陷移动变形预计，计算充分采动时走向、倾向主断面的移动变形值，根据计算结果绘制走向、倾向各变形指标值的剖面曲线，求得主断面上不同位置的水平变形值、倾斜变形值和曲率变形值，以及各变形值对应的影响范围。
20.其中，在根据开采煤层主断面上不同位置的形变值及其对应的影响范围，求取保护建筑物的允许变形值对应的影响范围，划定留设的保护煤柱范围的步骤中，
21.采用插值法求取受护地面保护建筑物的允许变形值的范围，根据主断面上不同位置的水平变形值、倾斜变形值和曲率变形值以及各变形值对应的影响范围，计算不同变形指标允许变形值的影响半径，计算保护煤柱的压煤量，作为保护建筑物的允许变形值对应的影响范围。
22.本发明的第二个目的在于提出一种计算法留设建筑物保护煤柱装置，包括：
23.极限临界变形值计算模块，用于基于受护地面保护建筑物的类型，及其对应的地表变形影响指标，确定受护地面建筑物的极限临界变形值；
24.开采沉陷预计参数计算模块，用于根据受护地面保护建筑物下方开采煤层地质采矿条件，确定开采煤层的开采沉陷预计参数；
25.形变值计算模块，用于基于开采沉陷预计参数进行地表沉陷移动变形预计，计算开采煤层主断面上不同位置的形变值，及其对应的影响范围；
26.煤柱范围划定模块，用于根据开采煤层主断面上不同位置的形变值及其对应的影响范围，求取保护建筑物的允许变形值对应的影响范围，划定留设的保护煤柱范围。
27.本发明的第三个目的在于提出一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行前述技术方案的方法中的各步骤。
28.本发明的第四个目的在于提出存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，计算机指令用于使计算机执行根据前述技术方案的方法中的各步骤。
29.区别于现有技术，本发明提供的计算法留设建筑物保护煤柱方法，采用地表变形值与建筑物抗变形能力相结合的方法，来留设保护煤柱，通过计算确定受护地面建筑物的极限临界变形值及采煤层的开采沉陷预计参数，进行地表沉陷移动变形预计，计算开采煤
层主断面上不同位置的形变值，及其对应的影响范围，并求取保护建筑物的允许变形值对应的影响范围，划定留设的保护煤柱范围。通过本发明，能够避免移动角留设煤柱带来的不足，有针对性的留设保护煤柱，达到保护地面建筑物的目的。
附图说明
30.本发明的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
31.图1是本发明提供的一种计算法留设建筑物保护煤柱方法的流程示意图。
32.图2是本发明提供的一种基计算法留设建筑物保护煤柱方法中保护煤柱范围平面示意图。
33.图3是本发明提供的一种计算法留设建筑物保护煤柱装置的结构示意图。
34.图4是本发明提供的一种非临时性计算机可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.如图1所示，为本发明实施例所提供的一种计算法留设建筑物保护煤柱方法，包括：
37.s110：基于受护地面保护建筑物的类型，及其对应的地表变形影响指标，确定受护地面建筑物的极限临界变形值。
38.开采沉陷地表移动变形指标有下沉、水平移动、水平变形、倾斜、曲率等，在各项指标中，水平变形对一般跨度较大建筑物影响比较大，烟囱、线塔等高耸建筑物对倾斜变形值的影响比较敏感，曲率变形对公路、铁路等线性构筑物影响较大。
39.按照受护地面保护建筑物的类型，分析受保护建筑物的主要地表变形影响指标形式，考虑受护建筑物保护级别、保护年限以及建筑物的结构形式和强度特征，确定受护建筑物的极限临界变形值ε
允
、t
允
、k
允
。ε
允
、t
允
、k
允
分别对应受护地面保护建筑物类型为水平变形、倾斜变形及曲率变形时的极限临界变形值。
40.在确定受护地面建筑物的极限临界变形值之后，还包括确定受护地面保护建筑物的保护范围的步骤：
41.根据受护地面建筑物的范围，在受护地面建筑物周边划定受护地面建筑物的保护范围，并且按照建筑物的重要程度和保护等级，在保护范围外设置一定宽度的围护带宽度值，以确保受护地面建筑物的安全。
42.s120：根据受护地面保护建筑物下方开采煤层地质采矿条件，确定开采煤层的开采沉陷预计参数。
43.在本发明中，根据受护地面保护建筑物下方开采煤层地质采矿条件，确定开采煤层的倾角α、采深h和煤层采厚h；选择开采煤层的实测地表移动参数，或者采用类比法选择与本煤层地质条件相近的地表移动参数，确定岩移参数，包括下沉系数η、水平移动系数b、主要影响角正切tgβ、开采影响传播角θ0及拐点移动距s。
44.s130：基于开采沉陷预计参数进行地表沉陷移动变形预计，计算开采煤层主断面上不同位置的形变值，及其对应的影响范围。
45.按照确定的岩移参数和地质采矿条件，采用概率积分法进行地表沉陷移动变形预计，计算充分采动时走向、倾向主断面的移动变形值，根据计算结果绘制走向、倾向各变形指标值的剖面曲线，求得主断面上不同点的水平变形值ε(x)、倾斜变形值t(x)和曲率变形值k(x)，以及各变形值对应的影响范围ri。
46.s140：根据开采煤层主断面上不同位置的形变值及其对应的影响范围，求取保护建筑物的允许变形值对应的影响范围，划定留设的保护煤柱范围。
47.采用插值法求取保护建筑物的允许变形值的范围。取允许变形值ε
允
、t
允
、k
允
两侧的变形值及相应影响距离ri，然后按如下公式计算不同变形指标允许变形值的影响半径。
[0048][0049][0050][0051]
式中，r
ε
、r
t
、rk分别为水平、倾斜、曲率变形达到极限临界变形值时的影响距离，r
εi
、r
ti
、r
ki
分别为εi、ti、ki的影响距离。
[0052]
上面公式中，ε1、ε2为根据主断面上不同点的水平变形值ε(x)确定的，处于水平极限临界变形值两侧的两个水平变形值；同理，t1、t2为根据主断面上不同点的倾斜变形值t(x)确定的，处于极限临界变形值两侧的两个倾斜变形值；t1、t2为根据主断面上不同点的倾斜变形值t(x)确定的，处于倾斜极限临界变形值两侧的两个倾斜变形值；k1、k2为根据主断面上不同点的曲率变形值k(x)确定的，处于曲率极限临界变形值两侧的两个曲率变形值。而具体采用的变形类型根据实际的受护地面保护建筑物确定。
[0053]
在受护地面保护建筑物围护带外侧向外延伸主要影响变形指标的允许变形值的采动影响距离，从而划定留设的保护煤柱范围。即在受护地面保护建筑物的围护带外侧再向外扩展上述确定的r
ε
、r
t
或rk，得到保护煤柱范围。
[0054]
根据划定的保护煤柱，按照如下公式，计算保护煤柱的压煤量，
[0055]
t＝ρsh
[0056]
公式中：t为煤量，ρ为煤层密度，s为压煤面积，h为煤层采厚。
[0057]
上式中，h为开采沉陷预计参数中的煤层采厚，前文已经确定，只需确定压煤面积s，即可确定压煤量。压煤面积s对应的半径则是通过受护地面保护建筑物的围护带和扩展的范围确定，通过计算，可得到保护煤柱的压煤量。
[0058]
在本发明的一个实施例中，试验煤矿主采石炭纪6
#
和9
#
煤层，6
#
煤层厚度为14.5m，埋深454m，9
#
号煤层厚度为2.5m，埋深467m，该区域地质构造简单，煤层为近水平煤层，松散层厚度约45m。在矿区范围内有220m
×
130m的长方形800kv的高压变电站，为了保护变电站的安全运行，需要留设变电站保护煤柱。
[0059]
特高压变电站设备属于敏感设备，保护等级设为ⅰ级保护。考虑建筑设施及主要设备对地表水平变形比较敏感，所以主要以水平变形指标值的影响距离为主，因此地表移动
变形允许值ε
允
＝2.0mm/m，在此基础上结合考虑倾斜变形值和曲率变形值的影响范围。
[0060]
变电站的区域范围为220m
×
130m的长方形场地，因保护对象对变形比较敏感且属于重要设备，因此，在变电站四周增加20m的围护带宽度，即留设煤柱保护的范围为240
×
150m的长方形场地。
[0061]
因煤矿未设立地面观测站，没有该矿区直接的岩层移动角及地表移动参数，根据矿区地质采矿条件采用类比法选取临近矿区相似条件下的岩移参数，岩层移动角为70
°
，6
#
煤层下沉系数η为0.72，9
#
煤层受上层煤采动影响，下沉系数η为0.86，水平移动系数b为0.3，主要影响角正切tgβ为2.0，开采影响传播角θ为88.6
°
，拐点偏移距s为0，采矿地质条件及地表移动参数如表1所示。
[0062][0063]
表1 地表移动参数
[0064]
按照地表移动参数和倾角、采深、采厚等地质采矿条件对充分采动时的工作面进行沉陷计算，并求取走向剖面，得到剖面各变形指标值及影响范围如表2所示。
[0065][0066]
表2 地表沉陷指标值与影响距离
[0067]
多煤层开采时，ε
允
两侧ε1和ε2的影响距离分别为233m和248m，利用公式(1)可得ε
允
的影响距离r
ε
为247m。同理，ⅰ级倾斜变形和曲率变形值的影响距离r
t
、rk经计算分别为207m和142m，因此，以水平变形允许指标值247m的影响距离留设保护煤柱较为安全。
[0068]
根据计算结果，在在保护范围场地外延伸247m即为留设煤柱的范围尺寸，保护每注范围平面如图2所示。
[0069]
利用公式计算该变电站保护煤柱压煤量为10.6mt。
[0070]
如图3所示，本发明还提供了一种计算法留设建筑物保护煤柱装置，包括：
[0071]
极限临界变形值计算模块310，用于基于受护地面保护建筑物的类型，及其对应的地表变形影响指标，确定受护地面建筑物的极限临界变形值；
[0072]
开采沉陷预计参数计算模块320，用于根据受护地面保护建筑物下方开采煤层地质采矿条件，确定开采煤层的开采沉陷预计参数；
[0073]
形变值计算模块330，用于基于开采沉陷预计参数进行地表沉陷移动变形预计，计算开采煤层主断面上不同位置的形变值，及其对应的影响范围；
[0074]
煤柱范围划定模块340，用于根据开采煤层主断面上不同位置的形变值及其对应的影响范围，求取保护建筑物的允许变形值对应的影响范围，划定留设的保护煤柱范围。
[0075]
为了实现实施例，本发明还提出一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行前述技术方案的计算法留设建筑物保护煤柱方法中的各步骤。
[0076]
如图4所示，非临时性计算机可读存储介质包括指令的存储器810，接口830，指令可由根据计算法留设建筑物保护煤柱处理器820执行以完成方法。可选地，存储介质可以是非临时性计算机可读存储介质，例如，非临时性计算机可读存储介质可以是rom、随机存取存储器(ram)、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。
[0077]
为了实现实施例，本发明还提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例的计算法留设建筑物保护煤柱。
[0078]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对所述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0079]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0080]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0081]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器
(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0082]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在所述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0083]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现所述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0084]
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。所述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0085]
所述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，所述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对所述实施例进行变化、修改、替换和变型。