岩层与地表移动的矢量预计法

矢量预计法是基于倾角变化的开采沉陷模型及其岩层移动参数分析方法 ,把煤层倾角作为预计模型的变量 ,视水平煤层和竖直煤层开采的对称下沉盆地为模型的边界条件 ,依据随机介质理论 ,构建了闭区间 [0° ,90°]上的岩层与地表移动预计方法 .引入的岩层移动参数独立于开采煤层的几何要素 ,是对顶、底板岩层岩性的综合反映 ,因此矢量法参数对于不同级别倾角煤层具有继承性 ,本方法不仅为解决大倾角煤层开采沉陷问题提供了预计依据 ,而且也是构建岩层与地表移动的统一化模型的有益尝试     

急倾斜矿层开采地表移动变形预计

常用预计方法不适用于急倾斜矿层开采地表下沉预计,预测结果与实测数据相差较大,难以符合实际生产要求。在急倾斜矿层开采地表移动变形预计中一般采用皮尔森Ⅲ型函数,由于该模型所需的计算参数较多且求取方法较为复杂,在实际工作中并未得到广泛应用。采用改进的皮尔森Ⅲ型函数进行急倾斜矿层地表移动变形预计,改进后的皮尔森Ⅲ型函数与经典皮尔森Ⅲ型函数具有相同的性质,参数物理意义明确且方便求解应用。根据某金矿地表移动观测资料,采用改进的皮尔森Ⅲ型函数为预计模型,应用MATLAB软件进行了模拟计算,预计了急倾斜金矿层开采引起的地表下沉、倾斜和曲率,分析了地表移动变形预计的特点,为金矿建(构)筑物下安全开采提供了依据,为实现急倾斜矿层开采地表移动变形精确预计奠定了基础。     

基于Matlab的山区急倾斜煤层开采沉陷预计系统

为研究山区条件下急倾斜煤层开采对地表移动变形的影响,基于Matlab编程语言,将皮尔森Ⅲ型公式法与山区地表移动预计模型进行叠加,开发出了具有多项功能的开采沉陷预计系统,并对其适用性进行了验证。该系统的主要特点为,利用地表高程点对山区地表进行曲面二元多项式拟合,基于地表曲面函数有效解决了任意点倾斜方向角、倾角、地表特性系数、影响半径等重要参数的获取问题,减少了前期数据准备的工作量。将甘肃某矿区急倾斜煤层开采相关参数代入预计系统进行计算及绘图,并与实际观测值进行了对比分析。结果表明:在下沉值和走向移动值预计中,约有86.8%的点位所处区域的地表变形符合实测值的凹形发展趋势,可有效反映矿区变形特征;而在倾向移动值预计中不符合实测值的发展趋势,是因为系统的预计误差受到地表曲面拟合精度及矿区实际条件制约,应采用更精确的矿区参数进一步验证。该系统对于山区急倾斜煤层开采所引起的地表移动变形预计具有一定的参考价值。     

急倾斜煤层地表移动的预计方法——体积影响函数法

本文提出了急倾斜煤层开采时,地表为连续变形的下沉与水平移动的基本公式及其预计方法;提出了采用实际开采边界独立计算下沉与水平移动的量板方法;以煤层倾角46.5°、74°、88°的实例加以验证;以实例说明参数的取值方法。     

急倾斜煤层开采地表下沉预计修正模型

为了研究概率积分法对于急倾斜煤层开采沉陷预计的适宜性问题,采用了相似材料模型模拟的研究方法,通过Matlab非线性最小二乘拟合法,发现拟合求取的部分地表移动参数不符其原来的物理意义。鉴于此,提出了基于概率积分法的地表下沉预计修正模型,分析了该模型的修正效果,求出了其修正参数。研究结果表明：当煤层倾角50～70°时,该模型下沉拟合精度达到2%以下,并得到了其修正参数与煤层倾角之间的表达式;当煤层倾角大于70°时,该模型不适用。     

千米深部急倾斜煤层开采地表移动变形规律研究

为了揭示岩层与地表移动的内在机理和规律,丰富和发展开采沉陷理论。在分析赵各庄煤层开采特点的基础上,提出用皮尔森Ⅲ型函数模型,采用最小二乘法原理,利用Simpson数值积分对Matlab绘图和数据分析功能二次开发,选用实例用该模型进行拟合和理论预测以及模型检验,得出了相应的岩移参数,紧接着分析了地表移动变形的特点以及开采损害的特殊性。这对研究矿区地表移动变形规律的具有重要指导意义和应用价值。     

特厚急倾斜煤层水平分层开采地表移动预计方法

特厚急倾斜煤层水平分层开采具有重复开采、沉陷影响累积的特点,其岩层移动模式和地表移动形态需要建立新的预测模型来描述。在实测分析和相似模型试验的基础上,根据急倾斜煤层开采覆岩与地表的移动的变形机理和传播方向变化特征,建立了基于开采影响传播角变化的特厚煤层水平分层开采地表移动的预计模型,提出了分层充分与非充分开采条件下沉系数与煤厚、采深、煤层倾角的波兹曼拟合关系式,提出了预计参数的确定方法。通过实例验证分析表明,预测模型能较好地反映实际规律,预计参数物理意义明确,易于确定。     

倾斜煤层开采地表移动变形等价计算方法研究

目前关于倾斜煤层开采引起的地表移动变形计算一般是将倾斜煤层开采等价为2个水平煤层的半无限叠加或者将倾斜煤层进行水平划分的方法,计算过程存在简化。为了克服倾斜煤层开采由于计算简化带来的误差,根据计算地表点与倾斜煤层的相对位置关系,利用开采影响传播角进行等价水平煤层转换,将倾斜煤层的移动变形计算转化为水平煤层计算,提出倾斜煤层开采地表移动变形等价计算方法,并将等价计算结果与半无限叠加开采、水平划分计算结果进行对比,分析了半无限叠加和水平划分简化计算误差产生的原因。研究结果表明:①等价计算结果与半无限开采叠加下沉量计算结果基本相同,半无限开采叠加计算存在变形计算误差表现为上、下山边界两侧拉伸与压缩变形值相同,未能充分体现变形与开采深度的密切关系;②由于煤层倾角和开采影响传播角的影响,水平划分方法下沉量、水平变形计算误差较大,煤层倾角越大误差越大,这一误差不会因水平煤层划分个数的增加而消除;③采用等价计算方法能够消除概率积分法对倾斜煤层开采地表移动变形计算的简化误差,实现计算结果与理论的完美契合。研究结果丰富了开采沉陷预计体系,对提高倾斜煤层开采地表移动变形计算精度具有一定意义。     

不同煤层倾角开采地表下沉规律的模型试验研究

设计了基于煤层倾角变化的相似材料模型试验,以工业近景摄影测量系统为观测手段,对所获得的数据进行处理,得出不同倾角模型地表的下沉曲线。分析了随着煤层倾角的变化地表下沉曲线形态的差异性,并基于概率积分法对预计模型进行修改,通过MATLAB软件进行函数拟合,得出缓倾斜煤层与急倾斜煤层开采地表预计都适合的预计函数数学模型。     

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。     

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。     

基于岩层移动理论的急倾斜煤层采后地表移动变形规律研究

为了探究急倾斜煤层开采对地表沉陷的影响,以及进一步保护地表构(建)筑物,采用理论分析和数值模拟计算方法对急倾斜煤层开采后地表沉陷规律进行了系统研究。利用新修正后的概率积分法进行开采区域二重积分,得到了急倾斜煤层采空区上方地表沉陷的理论计算公式,对急倾斜煤层倾角及埋深对地表沉陷影响进行了分析,同时通过FLAC软件对急倾斜煤层上覆岩层的运移规律进行了数值模拟分析。结果表明:(1)对于急倾斜煤层,当倾角相对较小时,地表最大沉降量较大,且地表下沉曲线呈现非对称特性,随着煤层倾角增大,地表最大下沉量逐渐减小,下沉曲线由非对称性逐渐向对称性转化,当倾角为90°时,下沉曲线完全对称。(2)当急倾斜煤层采深较小时,地表最大沉降值较大,但影响范围较小。随着煤层采深增大,地表沉降值逐渐减小,但影响范围增大。     

大采深条带开采地表移动和变形的预计

条带开采是进行建筑物下采煤时限制地表变形的措施之一,深部开采地表移动和变形规律与一般地质采矿条件下的地表移动规律相比发生了较大改变.以极不充分务带开采地表沉陷理论为基础,以林南仓矿实测资料为依据,对开采区域-650水平深部条带开采进行了预计,预计下沉的最大偏差为68mm,预计下沉中误差为39mm,远远小于经验公式预计下沉的最大偏差319mm和预计下沉中误差217mm.表明基于极不充分开采的地表沉陷预计理论改善了预计精度,对于研究深部条带开采地表移动和变形的规律,解放建筑物下压煤,实现煤炭资源的可持续发展具有重要意义.     

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。     

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。     

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。     

大倾角煤层开采地表沉陷规律研究

为研究大倾角煤层开采的地表沉陷及岩层运移特征、保护地表建构筑物，采用数值模拟计算、基于Konthe时间函数的动态预计和基于概率积分法的地表沉陷软件计算等方法进行了系统研究。数值计算结果表明，大倾角煤层开采时受非均布载荷作用，垮落岩层绕下铰接点回转，造成上山边界处地表下沉较大而下山边界处地表下沉较小。动态预计和地表下沉软件预测结果表明，开采影响范围内的西土山中心小学和高层建筑的地表变形均处于Ⅰ级以内，影响轻微。基于概率积分法的地表沉陷预计得出，工作面浅部地表下沉明显大于深部，而小学和高层建筑均处于深部边界对应的地表位置，这与数值计算结果相吻合，将大大减小工作面开采对地表建筑物的影响。     

急倾斜煤层开采最大下沉值对数预计法

根据急倾斜煤层开采地表沉陷基本特点和概率积分法原理,将急倾斜煤层开采简化为直立煤层的单元开采,基于欧拉常数,提出了急倾斜煤层开采(煤层倾角75°)的最大下沉值的对数预计法。利用孔集矿的实测资料对计算方法进行了验证。研究表明,该方法公式中所用参数稳定,可为急倾斜煤层开采造成的地表沉陷预报预警工作提供理论支持,具有较强的实用性。     

修正的Knothe沉陷模型及FLAC~(3D)模拟开采验证

针对原Knothe地表沉陷的时间函数模型与地表观测点下沉速度曲线不吻合的缺陷,采用数学分析的方法,修正了Knothe模型。修正的模型不但能较好地拟合地表沉陷观测点下沉的位移序列,而且从观测点下沉速度、加速度的变化方面也符合地下煤层长壁工作面开采过程中上覆岩层移动的物理过程,能较好地描述地表观测点下沉的3个阶段即逐渐开始阶段、快速发展阶段和缓慢衰减终止阶段的非线性特征。验证这一模型需要大量的观测数据,为克服进行大量的沉陷观测所需的人力和物力上的困难,采用FLAC~(3D)软件模拟的煤层地下开采过程,并在模型的上表面经过开采中心点的走向和倾向剖面线上共布置了36个地表下沉和下沉速度的监测点,监测了模拟开采过程中地表的移动过程;模拟完成后,各监测点的下沉及下沉速度与计算步数之间的关系曲线与修正的Knothe模型曲线的形态特征相符,说明模拟开采过程可行,进一步验证了修正的Knothe地表沉陷的时间函数模型可拟合地表观测点下沉的动态过程曲线。     

预计参数对开采沉陷的影响研究

随着煤炭资源的开采,开采沉陷所引发的环境破坏问题日益严峻。如何建立准确的开采沉陷预计模型至关重要。基于MATLAB平台开发了开采沉陷动态预计系统,结合工程实例分析了下沉系数、主要影响半径、开采速度这3个预计参数对预计结果的影响。研究表明:下沉系数增大,地表下沉盆地陡峭,水平移动距离与曲率也随着增大;主要影响半径增大,地表下沉范围增大,下沉曲线的拐点不变,而主要影响半径减少会使开切眼与终采处地表倾斜值和曲率值在小范围内急速增大,对地表扰动影响较大;加快开采速度,利于减少地表的移动变形量,从而减少采动对地表的影响。