一种新的地表沉陷预计模型初探

基于矿山开采的实际情况,将上覆受采动影响的岩层假设成弹性薄板,应用弹性板理论,建立了一种新的地表沉陷预计模型。结果表明,用弹性板理论建立的预计模型具有与其它模型相似的性质,并且简单、直观、易用,克服了以往预计模型关于拐点的对称性,更好地符合了实际。最后,用实例证明了该模型的应用效果。     

基于弹性薄板理论的地表下沉预计模型

地下开采破坏了地层的原始应力平衡状态,导致地表移动变形,对地表建筑物和生态环境造成了损害。地表下沉预计是研究地表移动变形的重要内容,经典的地表下沉预计数学模型十分复杂,为简化预计模型的复杂性,将椭圆弹性薄板挠度计算方法引入地表下沉预计中,建立了基于弹性薄板理论的主断面地表下沉预计模型,并应用实测数据对该模型进行了验证。研究表明:根据弹性板理论建立的预计模型的计算结果与实测结果吻合度较高,并且模型简单直观,适合应用于实际工程中。     

基于弹性地基梁理论的巷道顶板变形预测

为了精 准 预 测 井 下 矩 形 巷 道 顶 板 变 形,以 大 阳 煤 矿 ３３０６轨道顺槽为工程背景,采用 Winkler地基模型、Kerr地 基模型、梁弯曲理论和现场监测手段,对比研究了采用不同 弹性地基模型时顶板变形预测结果与实测结果的差异.研 究表明:采用 Winkler地基模型和 Kerr地基模型时,巷道顶 板最大 位 移 预 测 结 果 分 别 为 １１．６ mm 和 １５．１ mm;基 于 Kerr地基模型的预测结果与实测结果基本一致,准确度平 均提高了１８．２６％;巷道顶板最大位移随两帮围岩弹性模量 增长呈指数规律降低,随巷道高度增加呈指数规律增加,并 且巷道高度对顶板变形的影响大于两帮围岩弹性模量,两帮 围岩泊松比对巷道变形的影响可忽略不计;应用 Kerr地基 模型能够准确预测巷道顶板变形,其结果为确定合理的巷道 断面和支护设计提供了依据.     

矿区开采沉陷分层传递预计理论及其应用

通过建立分层传递预计地表沉陷的理论和模型,在现场实际中进行应用研究,认为关键层是各个岩层运移变形传递作用的基点,同时也是各个岩层变形叠加作用的主要贡献者;根据分层传递理论预计,某矿井工作面走向主断面下沉量与实际下沉量误差率基本上保持在0.58%～7.84%之间,总体上预测精度较高。     

开采沉陷倾向主断面动态预计模型与算法

针对开采沉陷动态预计精度较低及对倾向主断面动态预计研究较少的问题,为了提高预计精度和动态预计的针对性,加强动态预计成果在矿区生产和采空区土地利用中的指导作用,基于概率积分静态预计模型,采用"优化分段Knothe时间函数",对地表倾向主断面动态沉降变形的预计方法进行了研究,主要包括:(1)讨论了倾向主断面动态开采单元的划分方法;(2)基于概率积分法和有限开采倾向等影响原理,推导了各动态单元的参数计算公式;(3)结合各单元时间函数值,根据叠加原理,建立了适应于水平和缓倾斜煤层的倾向主断面动态预计模型;(4)根据所建模型讨论了动态预计时的计算流程,设计了对应的计算机编程算法,分析了需要注意的难点问题,最后,根据模型和算法编制了动态预计程序,并将其应用到预计实践中。预计实践1表明:无论从上山或下山的任何方向开始开采,预计得到的地表动态移动变形规律都与理论揭示的移动过程相符合;并且,当给定的预计时间足够长,倾向主断面动态下沉预计结果与静态预计结果相一致,进而从理论上揭示了模型和算法的科学性,实现了开采沉陷动静态预计的一体化;预计实践2表明:通过将29401工作面的动态预计结果与实测结果的对比分析...     

特厚煤层综放开采地表沉陷预计模型算法改进

近浅埋深特厚煤层综放开采因其一次性采出煤层厚度大,其地表移动变形特殊性较明显,该地质采矿条件下按概率积分法进行地表沉陷预计结果与实际情况有一定程度的偏差。对试验区近浅埋深特厚煤层综放开采条件下的地表移动变形特殊性进行了分析,考虑到厚硬岩层对地表沉陷的控制作用,并基于层状弹性梁板岩层沉陷控制理论和随机介质理论,建立适合近浅埋深特厚煤层综放开采沉陷预计模型。实践应用表明:该沉陷预计模型算法与实测结果吻合程度较好,适合于特厚煤层综放开采地表沉陷预计应用;较好地解决了概率积分法边界收敛迅速、盆地两侧不对称等问题,提高了地表沉陷的预计精度。     

坐标转换在矿区地表下沉预测的应用研究

文中针对概率积分法在矿区地表下沉预测中预计点坐标与实地不对应问题,引入坐标转换理论,通过煤层走向坐标方位角及主断面开切眼位置获取坐标转换参数,从而建立概率积分法计算坐标系与矿区实地坐标系的坐标转换模型,实现了预计点位与实地位置的一一对应。实例分析表明,该方法能够根据预测点三维坐标有效直观地反应出矿区地表下沉情况,便于现场决策。     

缓倾斜煤层矩形采空区地表沉陷盆地模型

分析了开采沉陷预测的典型曲线法和剖面函数法的不足之处,依据基于实测资料基础上的缓倾斜煤层矩形采空区地表沉陷盆地的特征,运用空间解析几何理论建立了普遍适用于缓倾斜煤层矩形采空区地表沉陷盆地的椭圆幂函数三维模型、沉陷盆地的走向和倾向主断面模型。应用实例表明该模型符合实际,用MATLAB可做出模型的三维图。     

房柱式开采地表沉陷力学研究

本文应用弹性力学理论,建立了房柱式开采地表沉陷观测模型,为开采损害预测评价提供了依据。     

基于采动充分性的地表动态下沉预计方法

井工开采及其对地表附属物的影响是一个动态过程,目前常用的采动影响预测多为静态结果,难以准确评价受护对象的影响程度,科学预测采动影响范围及程度对指导工程设计与受护对象防护具有重要的实际意义。在分析国内外动态预计方法的基础上,将现有动态预计方法依据其建立方法和思路分为时间函数法、速度函数法和下沉折减法3类,分析了这些方法的优势和局限性。分析了随开采充分性变化地表下沉速度的分布特征,通过对4个工作面近水平开采条件下地表移动的长时间观测与理论分析,提出了开采过程中地表最大下沉速度的计算公式,避免了因观测时间间隔差异引起测得地表下沉速度不准确的问题,分别建立了起动距、超前影响距、最大下沉速度滞后距与工作面推进速度的动态关系;提出了走向主断面包含开采充分性的地表下沉速度的分布函数和走向主断面动态下沉预计方法。采用建立的动态下沉预计方法,对神东补连塔矿地质开采条件下地表动态下沉进行了预计分析,并与主断面实测下沉数据进行了对比验证,结果表明,当工作面推进速度变化不大时,所用方法平均相对误差为2.1%,具有较好的预测精度;建立的动态下沉预计方法弥补了以往研究成果对开采初始阶段研究的不足,比建立在充分采动...     

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。     

The new method of prediction on mining subsidence and deformation

A new probability function of mining overlying strata and subsidence is put forward that has a general statistical significance based on the ideal stochastic medium displacement model. It establishes a new system of prediction on horizontal mining subsidence and deformation, which gives a new method for prediction on mining subsidence and deformation.     

山区地表移动预计修正模型及其参数求取方法

为了克服山区开采地表沉陷预计模型中的滑移影响函数以及求参模型的缺点,建立了山区开采地表移动变形预计修正模型,即新的滑移影响函数仍沿用原有参数A,P,t形式,但各参数的取值和物理意义存在差异。依据修正模型,以实测下沉值、水平移动值分别与模型预计值之差平方和最小为原则构建适应度函数,基于遗传算法原理进一步提出了山区地表沉陷预计模型求参新方法。最后将提出的山区沉陷预计修正模型和求参方法用于山西某矿工作面开采地表移动,取得了良好的工程实践效果。     

基于改进三角剖分的复杂形状工作面开采沉陷预计方法

为弥补复杂形状工作面变形预计的不足，提高开采沉陷变形预计的准确性，构建了一种基于改进三角剖分的复杂形状工作面开采沉陷预计方法。该方法引入了改进的三角剖分算法，优化了坐标系统转换、拐点偏移改正等方法，基于概率积分法原理建立了复杂形状工作面的开采沉陷预计模型。该模型首先利用改进的三角剖分算法将工作面剖分为多个三角形；然后用变步长Simpson二重积分方法在三角形单元内进行下沉预计，将各单元的预计结果求和，即可得到整个工作面开采对地表下沉的影响情况；最后根据概率积分法原理可分别得到其他移动变形预计值。采用MATLAB软件开发了所构建模型的沉陷预计程序。模拟试验结果表明：该模型预计值插入点全部分布于常规概率积分法预计下沉曲线上，表明该模型能够对形状较为复杂的不规则工作面进行开采沉陷变形预计。淮南顾桥矿1414（1）工作面实例分析表明：该模型预计的下沉曲线与实测下沉曲线的拟合度较好，预计下沉值的绝对误差为0.2~359.2 mm，相对误差为25.02%，中误差为 101.9 mm，能较好地满足工程应用需求。开采沉陷|三角剖分算法|概率积分法|Simpson二重积分|复杂形状工作面     

覆岩移动静态预计模型的构建及实测研究

为了研究覆岩内部的移动变形规律,以随机介质碎块体移动概率分布为基础,通过理论推导,得出了单元开采覆岩内部静态下沉预计模型和水平移动函数模型,以此为源型,研究得出了覆岩内部三维空间任意点沿任意方向的移动和变形公式。通过理论研究和实测资料分析,得出了覆岩沉降系数与地表下沉系数的关系为q岩=1-(H-zH)n(1-q)。采用预计模型对范各庄矿覆岩移动进行了预测,结果表明,预计值与实测值最大偏差162mm,相对误差仅为4.7%,预计值与实测值吻合较好,覆岩静态预计模型能够付诸工程实践。     

基于覆岩层状结构特征的开采沉陷分层传递预计方法

煤系覆岩层状结构作为煤炭赋存的显著而重要的地质特点,不仅影响着开采沉陷的发展过程,也决定着沉陷后地表最终形态。以陕北榆神矿区2-2主采煤层区域地质赋存条件和小保当井田典型钻孔资料为主要依据,以砂岩层数、砂岩平均厚度、砂泥比等3个覆岩层状结构关键特征为变量,构建了18组覆岩层状结构数值模型。通过数值模拟实验,揭示了它们对下沉系数的影响规律,建立了相应的量化关系。从变形传递叠加的角度,提出了基于覆岩层状结构特征的开采沉陷分层传递预计方法的原理和前提条件,构建了开采沉陷分层传递走向主断面下沉、水平移动与变形预计模型。工程实例验证了该方法较概率积分法具有更高的整体预计精度,可为中国西部煤矿区开采沉陷的防治提供更好的技术支持。     

倾斜煤层矿山开采沉陷分析

运用实测数据分析、模型试验和数学模拟方法，研究某倾斜煤层矿山开采过程中的沉陷和岩层移动。根据模型理论建立了相似模型，用2D-σ程序进行数值模拟。结果表明，沉陷和水平移动曲线不连续也不平滑，由于地质条件的影响，其变化是不对称的。得出沉陷参数、水平移动参数、顶部下沉量和其他用于预测地面移动的参数。这些参数值与当地采矿条件一致，有助于开采作业。实践证明，研究结果对预测地面移动和下沉有益。     

开采沉陷移动变形数据处理与预计一体化系统

针对矿山开采沉陷地表移动变形数据处理量大、预计参数求取不稳定等不足,在借鉴和总结不同计算机语言开发系统优缺点的基础上,利用C#编程语言,结合Word和CAD开发出开采沉陷移动变形数据处理与预计一体化系统。该系统集成了数据管理、移动变形计算、输出报表以及契合CAD的移动变形曲线绘制功能,并构建了基于人工鱼群算法(Artificial Fish School Algorithm,AFSA)的Logistic单点沉陷预测模型。将该系统应用于顾桥矿1414(1)工作面,试验结果表明：①系统兼容性强、操作简便,提高了开采沉陷地表移动变形数据处理的准确性和效率,可将下沉、斜率、曲率、水平移动、水平变形曲线和相应的煤层按一定的比例在CAD软件上成图,便于从图中求取地表移动盆地各角量、距离参数以及任意点的对应值,克服了传统方法只能查看、无法定量分析的不足;②结合实测下沉数据,将基于AFSA的Logistic单点预测沉陷模型进行了应用,选取的2点绝对误差最大值分别为143.6 mm、132 mm,拟合中误差分别为65.6 mm、55.8 mm,求取参数的拟合效果符合工程应用要求。     

采动地表移动变形与建筑物损坏程度评价的再认识

实测数据分析的目的是认识地表移动规律和确定预计参数,而沉陷预计的目的是评价采动损坏程度。无论实测数据分析还是形变预计,地表倾斜、曲率和水平变形等主要指标都是基于下沉和水平位移2个移动分量;不均匀下沉在引起地表倾斜和曲率变形的同时,也会导致采动建筑物水平变形和破坏。通过分析起伏地形和不均匀沉陷在实时位形上对地表变形的作用关系,建立了地表水平和起伏条件下采动地表倾斜变形引起的地表水平变形表达式;以采动地表正曲率变形为例,分析确定了建筑结构长度、高度、最大挠度、挠度比与地表曲率的关系,定性给出了建筑结构顶部伸长量、拉伸变形及其影响规律;进一步分析了建筑结构与地基相互作用的反力分布以及拉伸和剪切作用下建筑物损伤破坏特征。在继承我国现行规范中采动建筑物损坏评价优点的基础上,针对硬性分级存在的不足以及I,IV级损坏再划分的模糊性,借鉴英国沉陷工程师手册中考虑建筑物结构长度影响的思想,建立了综合考虑水平变形、建筑物结构长度和挠度比的采动损坏分等定级指标体系;实验结果分析表明,同等采动地表变形条件下建筑结构越长其损坏越严重,证明该指标体系的损坏程度评价结果比现行规范中单纯考虑地表变形的方法更科学、客观,同时消除了原来I,IV级损坏再划分的模糊性和不确定性。     

上向水平分层充填法采矿地表变形研究

开采地下矿产会造成地表开裂、变形,破坏建筑物,对人们的生产、生活造成严重的影响,矿区地表变形问题一直是影响矿山安全生产的一个重要方面。应用FLAC^3D数值分析软件,建立三维地质模型,模拟计算司家营铁矿分步开采回填后相应地表变形情况,并与经验公式计算的地表沉降值进行对比分析。提出了司家营矿区地表变形的一般规律及变形机制,对地表变形的地质灾害做出分析评价。研究结果表明,上向水平分层填充法采矿能有效的控制地表变形问题,填充体对减小变形具有重要的作用。对比分析表明数值模拟结果比经验公式结果偏小,但在合理许可范围内,表明FLAC^3D是预测地表变形的一种有效手段,对其他相似采矿引起的地表变形研究和预测具有重要的参考价值。