基于公层传递原理的开采沉陷时空预测模型构建

论文摘要

煤炭资源的大规模开采，会引起或诱发煤矿区地面沉陷、塌陷和山地开裂等地质灾害，不仅严重危害了当地的自然环境，也给当地人民群众及矿区生产造成巨大的经济损失，对开采沉陷的预测，不仅有助于采取适当的措施加以控制，同时对于后期矿区环境的恢复与整治也非常需要。目前地表移动预计的方法较多，但由于对开采沉陷机理及地表变形破坏的认识、参数取值等众多因素的影响，预计结果与实际仍有较大误差。本文通过分析受采动影响的上覆岩层的变形特征及主要控制因素，基于分层传递原理，运用关键层理论及概率积分方法，尝试建立了一种空间上的地表下沉移动变形模型，并在此基础上推导出了倾斜、曲率、水平移动和水平变形公式。之后结合Knothe时间函数，通过叠加原理，推导出了开采引起地表移动变形的时空预计模型。并给出了该预计模型中参数的确定方法。对于有限开采条件下，在计算砌体梁断块长度时，通过引入初次来压步距与工作面长度的关系，增加了模型参数的合理性和准确性。结合陕西省大佛寺煤矿区进行实例验证，在计算过程中运用matlab软件对形成的模型求解，得到的理论预测结果与实测资料吻合的较好。与常规概率积分法的预计结果进行对比，结果表明：利用本模型预计下沉值最大相对误差为32.54％，相对误差平均为10.36％。采用概率积分法的预计下沉值最大相对误差为99.90％，相对误差平均为41.14％。说明构建的模型是可行的，且效果要好于常规概率积分法预计结果。然后利用时空模型对大佛寺煤矿40301首采工作面推进490m、581m、672m、700m及停采后0.5a、1a、2a的下沉进行了预计分析，证明了构建的时空模型的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究动态及发展趋势
• 1.2.1 开采沉陷预计方法研究现状
• 1.2.2 开采沉陷动态过程预计方法研究现状
• 1.3 研究内容及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 沉陷预计主要理论分析
• 2.1 开采沉陷分层传递原理
• 2.2 概率积分法
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 概率积分法的基本原理
• 2.2.3 概率积分法优缺点分析
• 2.3 覆岩移动破坏的关键层理论
• 2.3.1 关键层理论的提出及基本特征
• 2.3.2 关键层断裂下沉模式
• 2.3.3 关键层破断后位移特征研究
• 2.3.4 关键层的极限跨距分析
• 2.3.5 岩层下部自由空间计算
• 2.3.6 关键层的判定
• 2.3.7 关键层理论优缺点分析
• 3 开采沉陷特征研究
• 3.1 开采沉陷基本特征
• 3.1.1 沉陷实例分析
• 3.1.2 岩层移动破坏分带特征
• 3.1.3 开采引起地表移动变形的破坏类型
• 3.1.4 开采沉陷盆地及其移动变形特征参数
• 3.2 开采沉陷的主要影响因素分析
• 3.2.1 地质因素
• 3.2.2 采矿因素
• 4 开采沉陷的空间模型及时间函数
• 4.1 开采沉陷的空间模型
• 4.1.1 基本假设与设计流程
• 4.1.2 开采沉陷上覆岩层特征分析
• 4.1.3 理论模型建立
• 4.1.4 主断面上的移动变形
• 4.2 开采沉陷的时间函数
• 4.2.1 Knothe 时间函数
• 4.2.2 改进的Knothe 时间函数
• 5 开采沉陷时空模型及参数取值
• 5.1 开采沉陷时空模型
• 5.2 预计参数确定
• 5.2.1 与岩性相关的时间系数C 的确定
• 5.2.2 砌体梁块体断裂长度
• 5.2.3 砌体梁的最大下沉量
• 5.2.4 主要影响角的正切值tanβ
• 5.2.5 其他参数
• 6 实例验证
• 6.1 开采方式及条件
• 6.1.1 矿井及工作面地质概况
• 6.1.2 工作面开采技术条件
• 6.1.3 煤层赋存条件
• 6.2 采区煤层覆岩岩性分析
• 6.3 地表实测分析
• 6.3.1 实测数据
• 6.3.2 实测数据分析
• 6.4 地表移动变形预计
• 6.4.1 参数确定
• 6.4.2 静态地表移动预计分析
• 6.4.3 与常规概率积分法对比分析
• 6.4.4 动态地表移动盆地预计分析
• 7 结论
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献