论文摘要
煤炭开采造成地表移动与变形具有一定的规律,且这一规律性在平原地区的研究已较为成熟,而在丘陵及山区,煤炭开采造成的地表破坏规律与平原地区具有明显的不同,若能对开采后山区地表移动与变形的破坏规律进行较为有效的预计,是完全可以减少地面建构筑物破坏,同时对合理开发地下煤炭资源是有实际意义的。就西气东输管线而言,长度已达5万km以上,仅一、二、三线工程干线总里程近1.5万km,且已建成的一线管线工程有近1千km途经陕西神府、山西的河东,霍西,沁水、河南焦作、山东兖州、江苏徐州及两淮等煤炭基地,其地下埋藏有丰富,甚至是优质的煤炭资源,为此研究地下煤炭资源开采后地表变形对输气管线的影响,保证输气管线正常运行和煤炭资源有效开发,具有较大的实用价值。本文在系统分析煤炭开采引起的岩层移动与变形在平原所表现的一般特征及山区所表现的特殊特征条件下,就地表移动与变形预计方法进行了概述,指出了山区地形条件下,地下开采引起的地表移动与变形是复杂的,且地表移动与变形规律至今仍是人们研究的难题之一。对此,论文利用BP神经网络非线性特征的特点,针对东山煤业所处的山区地形条件,就其某一工作面的实测观测站资料,在融入地形及其他因素(包括预计点的位置、预计点所在坡度及坡向、开采条件与地质因素等)后,构建了各因素量化指标及山区开采沉陷3层结构的BP神经网络预计模型,并通过对地表移动与变形的预计结果与实际观测数据的对比,表明所构建的BP神经网络模型与实际地表变形是基本相一致的,这表明利用BP神经网络进行山区地下开采沉陷预计是可行的。其次,本文利用GIS中几何与属性数据相关联的特性,以DTM为基础,借助于ANSYS大型数值分析软件,构建了山区地表移动与变形预计的FLAC3D模型,实现了快速建立山区开采沉陷预计的FLAC3D模型。据此结合西山煤电马兰矿的某工作面实际开采进行了两个主断面地表移动与变形的数值模拟预计,获得了该工作面两个主断面的移动与变形分布云图及等值线图,并通过与该工作面地表移动观测站实测移动与变形资料的对比,给出该数值模拟的预计与实测地表变形时基本一致的结论,表明FLAC3D数值模拟方法可以应用于山区地表移动与变形的预计,同时两种方法各有优缺点,BP神经网络及数值模拟都具有时间短、工作量小、效益高的优点,但BP神经网络仍是一种表象预计,需要大样本,同时不能直观反映岩体内部各岩层的移动变形情况,而FLAC3D不仅直观反映地表移动与变形,还可以反映岩体内部的移动与变形,更具有实用性。但两种方法都可以用于山区地表移动变形的预计。此外,论文以西气东输管线山西某段实际资料为研究背景,针对已发生地下采煤造成输气管线变形的情况,系统地整理了输气管线与地表变形的实际观测资料,并结合实际地形和地表下沉及水平变形量,总结出管线变形与地表移动变形之间的关系是：管线的拉伸、压缩整体指向坡体的下方,而管线压缩范围大于其拉伸范围；管线变形量是小于地表变形的。对此,本文利用数值模拟FLAC3D,结合西气东输管线下方实际煤炭赋存条件,构建了管线与工作面三种不同的空间布局关系,并分别进行了数值建模及模拟,结果是：①在以管线中心点为监控剖面的模拟中,给出了距该剖面上不同开采位置处管线的应力分布,表明管线受开采影响时,其应力分布呈现出由小变大再变小的规律性；同时给出管线的压缩与剪切应力是按顺时针方向变化,并且以剪应力为主；②在对管线整体受地下开采的模拟中,以开采推进距管线不同距离时,对管线的下沉、水平位移动态趋势进行了分析,表明了三种空间关系下,管线在垂直位移、水平位移方面呈现出不同的表象,总体呈现出全管线在平行管线方向上,水平位移基本呈对称分布,而垂直管线方向水平位移呈不对称分布,并以指向下坡方向为主的规律；垂直位移分布随开采的进行,位移逐渐增大,然后达最大,再减小的趋势,基本以开采中心为对称分布的特点；③论文综合分析后,选取了斜交空间关系最有利于管线安全运行的结论,为今后管线下方进行煤炭资源的开采,同时又保证管线的正常运行提供了依据。