煤层开采地表移动过程的FLAC3D模拟研究

为减少现场布置大量测点来观测煤层开采地表移动全过程,采用FLAC3D软件模拟分析了煤层地下开采引起的地表移动过程,认为采用沿煤层走向方向每开挖2 m长度计算50步的方式可实现煤层的走向长壁开采,并对某一煤层进行了模拟开采,在模型的上表面经过开采中心点沿走向和倾向剖面线上共布置了36个下沉量和位移速度测点;得出主断面最大下沉量为94 mm,各监测点下沉量及位移速度与计算步数之间的关系曲线符合改进的地表移动Knothe时间函数曲线。     

基于Knothe模型的山区开采地表动态下沉预计方法

随着地下煤层的开采,其上覆岩层在重力作用下将产生变形、移动和破坏,岩层内部所产生的移动变形也逐渐传递至地表,引起地表的移动变形。山西大部分可采煤层均位于山区,因此对山区开采沉陷的动态预计研究是必要的,以Knothe时间函数为基础,结合山区滑移影响函数,建立了基于Knothe时间函数的山区开采沉陷的动态预计公式,可预计地表某一点在某一时刻的动态下沉值,并采用山西某矿区的实测地表移动观测资料进行验证。结果表明:预计与实测下沉曲线具有较好的一致性。     

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。     

联合DInSAR的3种下沉时序模型关键点缺失问题研究

针对难以全面研究沉陷区下沉变形的动态过程和单一监测手段可能会错失地表沉降阶段某些关键点的问题,以局部地表单点为切入点,联合InSAR与水准数据分别建立幂指数Knothe时间模型、Logistic模型和Weibull模型,进而研究矿区地表动态沉降规律。通过模拟数据分析了沉陷区地表观测点下沉变形特征以及影响上述3种时间函数曲线拟合的各因素;并以淮北袁二煤矿某采区为试验区,采用合成孔径雷达差分干涉测量(DInSAR)技术获得各水准点InSAR时序形变值;最终联合InSAR和水准监测数据,对比分析基于多源或单一监测方式2种情况下3种模型拟合曲线的不同。试验结果表明：(1)各时间序列模型地表下沉待估参数的大小对曲线拟合形态有较大影响,保证一定的监测周期,可反演出合适的下沉参数,才能更准确地拟合沉陷区观测点下沉时间序列,均方根误差最大可提高95.56%。(2)幂指数Knothe时间模型、Logistic模型和Weibull模型随时间序列变化的过程与地表沉陷区观测点物理下沉时序过程相符,均能较好地由地表单点下沉时间序列拟合出沉降曲线;3种模型虽下沉曲线拟合效果差异不大,但下沉速度曲线的拟合有明显差异...     

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。     

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。     

基于多函数交叉的地表动态沉陷预测模型及应用

为了研究工作面开采对地表沉陷的动态影响，以乌海某矿为研究的工程背景，通过使用Knothe时间函数与概率积分法交叉并结合Usher函数构建了地表动态沉陷预测函数模型，运用现场实测数据对预测模型的参数进行求取，最终得到走向、倾向动态沉陷预测公式；使用FLAC^3D模拟由工作面开采引起的地表动态沉陷过程。结果表明：工作面开采初期地表表现为隆起，中期由隆起转为沉陷，且当工作面推进至600 m时工作面达到充分开采，下沉曲线表现为“U型”；通过数值模拟与实测数据所绘制出的动态下沉曲线与走向、倾向动态沉陷预测公式绘制出的下沉曲线相似度较高，验证了动态沉陷预测公式的准确性与实用性。     

倾角50°左右煤层开采沉陷预计模型选择研究

为能够更准确地预计倾角50°左右煤层开采引起的地表沉陷,通过相似材料实验获取大量的实验数据,实验数据处理后得到地表静态下沉和水平移动曲线。分别基于概率积分法和皮尔森Ⅲ型函数法预计模型拟合地表静态下沉和水平移动曲线,分析拟合的参数、误差相关性以及中误差的情况,对比得出皮尔森Ⅲ型函数法更适合于倾角50°左右煤层开采沉陷预计。     

开采沉陷动态预测模型

为了准确预测地下开采引起的地表沉陷,针对Knothe时间函数模型的不足,借鉴岩石流变力学中非定常流变模型的建模思路,假定Knothe时间函数中的时间影响系数不是固定不变的常量,而是与时间有关的变量,从而对Knothe时间函数模型进行了改进。在此基础上,提出了一种新的地表下沉盆地模型,并将该模型与改进的Knothe时间函数模型相结合,建立了一种新的开采沉陷动态预测模型。利用实测资料对模型的合理性进行了验证,结果表明：该模型能够描述开采沉陷随时间的动态发育过程,且预测曲线和实测数据吻合良好,说明模型具有一定的适用性。     

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。     

煤矿开采后管状皮带基座沉陷规律分析

为研究蛤蟆沟煤业有限公司30101工作面开采后的沉陷规律,维护管状皮带基座,通过设立观测站对管状皮带基座沉陷情况进行计算分析,结果表明:在工作面推进过程中,地表出现轻微的向上抬升和下沉的交替现象。随着工作面继续向前推进,各点的下沉值和下沉速度将持续增加一段时间,直到工作面离开观测点时,地表移动速度达到峰值。当工作面推进远离观测点时,地表移动开始趋于稳定,直到不再发生沉降现象。通过多次观测,获得了大量有益的开采沉陷数据,并进行规律分析,为管状皮带基座的维护提供数据支持,也为该矿及类似矿区的开采及地面维护提供借鉴和指导。     

急倾斜多煤层开采地表移动规律与岩层破坏特征

急倾斜多煤层开采覆岩破坏和地表移动规律不同于缓倾斜煤层开采。采用相似材料模型实验对赵各庄矿急倾斜多煤层开采进行了模拟研究。通过对7次观测数据分析,得出了不同开采阶段地表移动变形规律及岩层破坏特征。实验结果表明：地表下沉盆地具有分区沉降突变性和沉陷分布格局控制性特点,岩层的空间破坏范围随着煤层开采层数的增加和开采深度的加大而扩大,其破坏特征主要表现为累积性和突变性。     

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。     

工作面推进速度对地表移动变形的影响研究

为了探究工作面推进速度对地表移动变形的影响,利用开采沉陷概率积分预计模型,并结合克诺特(Knothe)时间影响函数,对同一地质采矿条件下不同推进速度(2m/d和5m/d)时的地表移动变形情况进行分析研究,研究结果表明,推进速度与地表移动曲线的动态峰值成反比,即提高推进速度能够降低开采对地表的破坏,但无法降低开采对工作面切眼与终采线上方地表的破坏,研究结果对矿区开采沉陷防治具有重要的指导意义。     

煤矿开采岩层移动的相似模拟实验及数值分析

采用相似模型和数值分析,对倾斜煤层的开采沉陷及地表移动进行了探讨。根据相似原理进行了相似模拟实验研究;采用2D-σ有限元计算程序对岩层移动及开采沉陷进行了数值分析。得到了倾斜煤层在倾向方向上移动盆地对地表的影响范围、最大下沉点位置,地表下沉曲线,以及该煤矿的下沉系数、水平移动系数、最大下沉量,所得结果对矿井的延深设计及灾害预测具有实际的指导意义。     

云顶煤业复杂煤层地表移动变形规律研究

在12040工作面地表布设观测点,使用RTK测量地表观测点坐标变化,研究工作面推进过程中地表移动变形规律。建立数值模拟模型,模拟工作面推进过程中地表下沉,得出随推进距离的增加,地表沉陷逐渐呈现近似对称分布形式。综合现场观测情况及数值模拟结论,结果基本吻合。     

沉陷盆地倾向主断面下沉曲线拟合研究

倾向主断面的沉陷预计,是开采沉陷学研究的重要内容和难点.针对目前倾向主断面开采沉陷预计的剖面函数具有表达式过于复杂,坐标原点、参数在实际使用时较难确定等缺点,研究了倾向主断面地表下沉曲线的特征,用数学分析的方法提出了一种倾向主断面下沉曲线的拟合公式.这种拟合公式考虑了煤层倾向的对下沉曲线的影响,表达式简单,在实际工作中容易确定相关参数.某矿山的实测资料验证说明,提出的拟合函数与实测资料吻合程度较高.     

基于影响函数法的厚硬关键层条件下覆岩移动预测模型

针对某矿8104工作面上覆岩层移动变形预测进行研究,将基于影响函数法的开采地表沉陷预计方法推广应用于地表至开采煤层之间的覆岩的移动变形与预计分析,建立厚硬关键层条件下覆岩移动预测模型,预测出的岩层下沉的数据绘制完整的上覆主要岩层在煤层回采过程中沿走向、倾向方向上的下沉曲线,以及对应的沉陷分布等高线、应变分布等高线,直观地反映出关键层对覆岩沉陷的影响程度及范围。     

地表沉陷动态时间函数模型的研究

地下资源开采引起地表位移的问题比较复杂,采用2种方法构建了动态预计函数模型,并用山西省阳泉市上社煤矿82041西工作面的实测数据进行了验证,得出结论:Knothe模型有其局限性,第2种动态函数模型能够反映地表2种移动3种变形动态特征,可以更加准确地预计出动态下沉、动态水平移动及动态变形值,同时能够理想地表达出地表下沉速度和地表下沉加速度的变化规律,对指导生产实践具有重要的现实意义。