开采沉陷动态预计的正态分布时间函数模型研究

使用常用的Knothe时间函数进行煤炭开采所引起的地表动态下沉预计时,其反映的地表下沉速度和下沉加速度与地表实际下沉规律不相符,基于此,可引入一种新的时间函数—正态分布时间函数,对该时间函数值的变化范围和变化规律进行了详细对比,给出了正态分布时间函数用于地表动态预计时参数的确定方法,并利用该时间函数对某矿区地表下沉实测数据进行了对比预测。研究表明:正态分布时间函数的下沉速度和下沉加速度与地表动态下沉规律是相吻合的;当进行不同精度的动态预计时,合理选择函数的形态参数非常重要;在某些矿区,利用正态分布时间函数进行动态预计比使用双参数Knothe时间函数进行预计更符合地表移动的变化规律,预计结果也更为可靠。     

采动地表动态下沉的时间函数模型研究

煤矿开采引起的地表变形是一个复杂的时间与空间过程。当设计开采方案与保护地面建筑物时需全面掌握地表下沉动态过程。虽然以往提出了大量的地表下沉时间函数模型,但每个模型均有其适用范围,因地制宜地建立地表下沉时间函数模型尤为重要。为了准确预测7226工作面开采地表下沉的动态过程,分析了Knothe时间函数模型的适用性。基于实测地表动态下沉特征,提出了一种新的Knothe-n时间函数,结果表明,Knothe-n时间函数能够准确预测地表动态下沉,且具有较广的应用范围。     

基于远场周期来压的地表动态下沉预计

针对以往时间函数模型在预测特厚煤层综放开采深厚比较小时地表动态下沉偏差较大的问题,论文以大同矿区芦子沟煤矿3108综放工作面为工程背景,采用现场实测与理论分析的方法将工作面矿压显现与地表变形两者结合起来研究,提出了依据远场周期来压预测地表下沉的动态过程。研究表明:特厚煤层综放采场会有规律地发生大步距周期性强矿压显现,地表点的下沉速度曲线随工作面周期性强矿压发生有规律性的波动,高位主关键层失稳使得工作面周期强矿压与地表动态下沉之间密切相关,工作面的周期强矿压会在地表变形中显现出来。据此基于远场周期来压建立了修正的分段建模的Weibull时间函数模型,该模型对于工作面各个位置地表点的动态下沉均具有较好的适应性,实例计算结果表明修正的分段Weibull时间函数模型具有较高的精度,能够更好地用于描述地表点动态沉降变形过程。     

开采沉陷动态下沉模型及其参数研究

针对Knothe时间函数在描述动态下沉过程中下沉速度的不足,采用改进的双参数Knothe时间函数建立动态下沉模型,其中的覆岩岩性决定系数c及幂指数k值采用最小二乘法求解,最大下沉值W0通过地表移动观测站实测资料确定。采用拟合决定系数R2评定精度,以淮南某矿1242（1）工作面地表移动观测站实测资料进行模型精度验证,最大下沉点MS29和ML44在各个观测时期的拟合决定系数分别为0.983 6和0.975 7,工作面推进过半时（328 d）倾向和走向观测线上各监测点观测值与预计值的拟合决定系数分别0.995 3和0.958 2,计算结果表明双参数Knothe时间函数模型动态预计1242（1）工作面开采沉陷全过程精度可靠。     

基于Weibull时间序列函数与负指数法的动态沉陷预计

为了探讨采矿过程中受时间和空间影响的地表移动变形的发生发展机理,提出了一种基于Weibull时间序列函数与负指数法的动态沉陷预计方法。该方法以研究描述地表沉陷区观测点下沉变化过程的Weibull时间序列函数为基础,认为Weibull时间序列函数在描述地表观测点沉陷的动态过程时,不仅能较好地拟合下沉-时间（w-t）曲线,而且由此推出的速度-时间（v-t）曲线和加速度-时间（a-t）曲线也能够很好地符合地表沉陷随时间变化的物理过程。基于实测资料确定的负指数法在描述地表移动盆地时具有实践应用性强、预计精度高等特点,给出了走向主断面半无限开采负指数法的下沉预计公式及参数求取方法。根据主断面动态沉陷模型的一般形式,将Weibull时间序列函数与负指数预计函数相结合,建立了充分采动条件下沉陷盆地走向主断面的动态地表下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形模型,并对某煤矿的地表动态沉陷进行了预计,结果表明,预计结果与实测结果具有很好的一致性,可为实现矿区地表动态沉陷预计提供参考。     

采动地表下沉时间序列的曲线拟合研究

基于煤层开采地表下沉的时间过程为先加速后减速的变速运动的特征,提出了一种适合采动地表下沉时间序列曲线的拟合函数,分析了该函数中的拟合参数b和c对曲线形态、下沉速度和加速度的影响规律。用1stOpt 1.5软件编制计算程序,拟合了实测的煤层开采引起的地表下沉时间序列曲线,并与其他3种类型的拟合函数进行了对比分析。研究结果表明:提出的拟合函数的数学公式简单、参数数量适中,从下沉曲线形态,下沉速度和加速度3个方面均符合煤层开采地表下沉的动态过程。该拟合函数对实测曲线的拟合精度高,拟合的相关系数为0.996 8,用该拟合函数预测的最大下沉量468.7 mm、计算出的最大下沉速度为0.325 mm/d,对应的时间594.3 d,均与实测值接近。     

修正的Knothe沉陷预计模型及其参数研究

针对Knothe时间函数在动态预计过程中点位下沉速度的不足,提出了1种新的动态下沉模型——三参数Knothe时间函数,模型中增加了初始沉降速度参数b1、时间幂指参数b2和曲线形态参数b3,参数求解采用粒子群优化(PSO)算法。经实测数据验证,基于改进的三参数Knothe时间函数动态预计模型能够真实的反映地表下沉的动态过程,走向线在各个观测时期,实测值与预计值最大误差为5.02 cm,最小误差为0.1 mm,平均误差为1.19 cm,精度非常可靠并且满足开采工作需要。     

基于沉陷对称特征的近水平煤层开采InSAR三维位移反演模型

利用合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术进行煤矿开采沉陷监测时,所获得的雷达视线方向(LOS)位移是地表点垂直向、南北向、东西向三维位移的矢量叠加。将LOS向位移分解为地表下沉及沿工作面走向和倾向水平位移,是研究开采沉陷规律和获取地表移动参数的基础。目前,基于 InSAR LOS位移反演开采沉陷三维位移的主要方法有:利用不同轨道卫星的三幅SAR影像建立LOS位移方程组来求解三维位移分量;根据开采沉陷预计模型将地表水平位移视为下沉的关联函数,由单幅SAR影像来解算下沉及水平位移;或者直接忽略水平位移的影响,将 LOS向位移投影为下沉分量。本文在分析上述方法局限性的基础上,根据近水平煤层开采地表下沉和水平位移关于移动盆地主断面对称的基本特征,建立地表移动盆地对称点上多期InSAR LOS向叠加位移的几何方程组,并对该方程组进行叠加和差分处理,导出LOS向位移反演开采沉陷三维位移的函数模型。在工作面推进过程中,由于地表移动具有滞后性,使得动态沉陷盆地中心偏向开切眼一侧,本文依据移动盆地中央地表下沉达到最大且水平位移趋近为零的特征,基于相邻像元LOS向位移进行叠加和差分,自动搜索出地表移动盆地的动态中心位置,从而实现工作面推进过程中地表动态三维位移的分解。基于Matlab平台对上述三维位移反演模型进行了算法实现,并利用多期InSAR 实测数据进行了模型验证,其下沉和水平位移反演结果与实测资料较为一致,明显优于忽略水平位移而直接分解地表下沉的方法。上述模型能够用于近水平煤层开采地表移动稳定后和动态移动过程中InSAR监测的三维位移分解,具有较好的普适性。     

厚黄土层下采动地表沉陷规律研究

为研究辛置煤矿厚黄土层下采动地表沉陷规律,采用现场实测、理论分析和UDEC~(2D)离散元数值模拟相结合的方法,分析了地表沉陷的基本特征,构建了基于坐标变换的倾向地表下沉和水平移动拟合函数模型,确定了地表沉陷的角量参数和预计参数,论证了数值模拟力学参数的可靠性,并进一步讨论了地质采矿条件对地表下沉率和最大下沉角的影响。研究表明:①该矿前期条带开采地表下沉量很小,间隔煤柱回收后地表沉陷量显著增大,实测地表最大下沉量为1 537 mm,最大下沉角为79°,下沉系数为0.74;②采动程度与地表下沉率服从Boltzmann函数关系,与最大下沉角服从负指数函数关系;③黄基比与地表下沉率和最大下沉角的关系可用双指数函数进行表达。     

基于Bertalanffy时间函数的地表动态沉陷预测模型

常规地表沉陷预计是对工作面回采结束、地表沉陷稳定后最终的静态移动变形预计;当涉及建(构)筑物下保护性开采与地面建(构)筑物加固及动态纠偏治理时,需要掌握该地质采矿条件下的地表动态移动变形规律,同时能够解决区域性变采高条件下的地表动态沉陷预计问题。首先对常见Knothe,Logistic,Weibull、分段Knothe、幂函数-Knothe与双曲线等时间函数的曲线形态、各时间段的地表动态下沉、下沉速度与下沉加速度进行了优缺点和适用性分析;其次基于东坡煤矿地表移动变形实测数据,针对特厚煤层综放开采条件下地表移动变形的特殊性,引入Bertalanffy时间函数,并基于此函数改进Bertalanffy三参时间函数;分析了各参数对改进Bertalanffy三参时间函数的影响规律,研究了各参数的物理意义以及与地质采矿条件的内在联系规律;最后将该函数用于平朔井工一矿特厚煤层综放开采条件下的地表动态下沉预计,并进行了拟合优度分析和现场应用效果检验。结果表明:基于改进Bertalanffy三参时间函数的各参数物理意义与地质采矿条件具有内在联系;该地表动态沉陷预计模型可塑性强、有着较好地预测精度和应用广度,能够较好地应用于煤矿地表动态变形的预计工作中;提出基于改进Bertalanffy三参时间函数结合影响函数法,该方法可有效地解决特厚煤层区域性限厚开采,如特厚煤层只采不放、煤层厚度赋存不稳定等区域性变采高条件下的地表动态沉陷预计问题。