深部开采地表沉陷规律及预测方法研究——以徐州矿区为例

摘要

随着煤炭资源开采向深部延伸,深部开采沉陷规律及预测方法成为开采沉陷研究者关注的热点,对此进行研究,具有重要的理论和实际意义。本文在现场实测、相似模拟和数值模拟分析的基础上,结合力学理论,明确了深部开采覆岩和地表移动机理与规律,构建了深部开采地表沉陷预测方法,为深部开采地表沉陷预测及建(构)筑物损害评价提供了技术方法,主要工作及成果如下:
　　(1)建立了基于遗传算法的概率积分法参数反演方法,解决了大采深长周期任意形状多工作面开采地表移动观测站概率积分法参数反演问题。与直接搜索算法相比,该法适用于任意形状、多工作面概率积分法参数反演,且计算精度、效率更高。
　　(2)在分析研究现场实测资料基础上,明确了深部开采覆岩和地表移动机理与规律:随着采深的增大,地表下沉具有缓慢、周期长、活跃期不明显、主要影响角正切增大、开采影响传播系数先增大后减小等特点。基于徐州矿区实测资料,建立了地表移动参数、概率积分法参数与地质采矿条件的关系式,为深部开采地表移动参数选择提供了依据。
　　(3)针对数值模拟计算分析中岩体力学参数难选问题,构建了基于BP神经网络的智能力学参数反演方法,该方法采用正交设计确定合理的BP神经网络训练样本,建立了基于BP神经网络的地表下沉与覆岩力学参数之间的数学模型。解决了数值模拟计算中,覆岩力学参数选取难的问题,为获得可靠的数值模拟结果提供了依据。实例证明了该方法的合理性和可靠性。
　　(4)根据采矿进程,将深部开采归纳为初采为深部开采、倾斜煤层多水平深部开采、多煤层重复深部开采三种方式。采用相似材料和数值模拟方法对岩层及地表移动规律分别进行了研究,获得了采动程度、煤层倾角、采深、多煤层开采对深部岩层及地表移动的影响机理和规律:倾斜煤层多水平开采时地表最大下沉值随着煤层倾角的增大而减小;地表移动边界角随着煤层倾角的增大呈线性增大;多个煤层重复开采时地表下沉率较单一煤层开采增长较多,开采引起的地表移动范围增大等,这些规律对于深入认识深部开采覆岩及地表移动机理和规律奠定了基础。
　　(5)在分析基岩和松散层力学特性及移动机理基础上,将覆岩分为基岩和松散层两部分,结合弹性理论,建立了下沉空间的双介质传递模型。该模型包括:1)基本顶初次破断前的四边固支的弹性薄板模型;2)基本顶初次破断后的winkler地基上的四边简支弹性薄板模型;3)松散层内任意形状不均匀下沉空间的三维扩散模型。研究为大采深开采覆岩及地表移动计算提供了新方法。
　　(6)以概率积分法基本原理为基础,采用直接对开采空间积分的方法,构建了任意形状、变采厚、多工作面开采地表移动变形极大值的计算方法,解决了任意形状、变采厚、多工作面开采地表移动变形极大值的计算问题。开发了矿区开采沉陷预测分析计算软件,该软件集成了概率积分法和沉陷空间的双介质传递模型,为深部开采沉陷预测分析提供了基础。
　　以薛湖煤矿首采工作面为例,采用所建立的遗传算法进行松散层内移动参数的反演,取得了良好的效果。以双介质下沉空间传递预测模型进行预测计算,获得了地表移动变形的极大值等值线,预测结果和实测结果吻合,表明采用所建立的双重介质预测模型和方法进行大采深地表移动的计算是可靠的。
　　(7)针对深部开采地表移动缓慢、周期长、采动极不充分、预测精度低的特点,采用PSO-SVM方法时序寻优的特点,建立了基于PSO-SVM的深部开采沉陷长时序的预测预报方法,该方法可建立地表下沉前期观测数据和未来预报结果之间的非线性关系,获得可靠的长时间序列地表动态下沉预报结果,对深部极不充分开采条件下,长时序地表移动变形预测预报,确定地表动态下沉过程及稳沉时间具有实际意义。
　　(8)结合徐州矿区庞庄煤矿张小楼井对刘集镇主镇区保护煤柱的设计以及三河尖矿7143工作面开采沉陷预测分析项目,运用所获得的大采深地表移动规律进行了刘集镇主镇区保护煤柱设计;采用双介质模型进行三河尖矿房屋及堤坝下采煤移动变形预测。工程应用表明本文所获得的结论和方法可以作为深部压煤开采设计及地表沉陷预测计算依据,为指导徐州矿区“三下”采煤工作提供了科学的依据。
　　该论文有图173幅,表44个,参考文献200篇。

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变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义(Research Background and Significance)

1.2 国内外开采沉陷预计研究现状(Present Research Status of Mining Subsidence Prediction)

1.3 深部开采岩层移动预计研究现状(Present Research Status of Deep Mining Rock Movement and its Prediction)

1.4 主要研究内容(Main Research Contents)

1.5 研究方法及技术路线(Research Methods and Technical Route)

1.6 本章小结(Summary)

2 深部开采地表移动变形规律实测研究

2.1 引言(Introduction)

2.2 多工作面开采地表移动概率积分法参数的遗传优化方法(Probability Integral Method Parameters Backanalysis of Multiple-working Faces Mining Subsidence based on Genetic Optimization)

2.3 张小楼井深部开采地表移动规律(Surface Movement Regularity for Deep Mining in Zhang Xiao-lou Coal Mine)

2.4 三河尖矿东四采区深部开采地表移动规律(Observation Surface Movement Regularity for Deep Mining of East-4th Working Area in San He-jian Coal Mine)

2.5 薛湖煤矿 2102 开采地表沉陷规律(Mining Subsidence Prediction of 2102 Working Face in Xuehu Coal Mine)

2.6 开采深度对地表移动预计参数的影响分析(Influence Analysis of Mining Depth on Surface Movement Prediction Parameters)

2.7 概率积分法预测深部开采岩层移动不适应性分析(Ill-posed analysis of Deep Mining Subsidence Prediction with Probability Integral Method)

2.8 本章小结(Summary)

3 深部开采地表移动变形规律模拟研究

3.1 开采沉陷的模拟研究方法概述(Brief Introduction of Simulation Method)

3.2 深部开采沉陷相似材料模拟试验研究(Similar Material Simulation of Deep Mining Subsidence)

3.3 深部开采岩层移动的数值模拟研究(Numerical Simulation of Deep Mining Subsidence)

3.4 深部开采地表移动规律总结(Regularity Summary of Deep Mining Surface Movement)

3.5 本章小结(Summary)

4 深部开采覆岩移动及破坏规律研究

4.1 相似材料模型覆岩破坏分析(Overburden Rock Failure Regularity Analysis Based on Similar Material Simulation)

4.2 深部开采不同深度处岩体变形及应力变化规律(Deformation and Stress Changes of Different Depth Overburden Rock)

4.3 覆岩移动的动态过程及影响因素分析(Dynamic Process and Effect Factors Analysis of Overburden Rock Movement for Big Depth Coal Seam Mining)

4.4 本章小结(Summary)

5 深部开采地表移动变形预测模型研究

5.1 弹性薄板的基本理论(Basic theory of Elastic Thin Plate)

5.2 基于弹性薄板理论的覆岩下沉计算模型(Calculation Model of Overburden Subsidence Based on Elastic Thin Plate)

5.3 基岩面下沉空间的计算方法(Bedrock Subsidence Space Calculation Method)

5.4 松散层内不均匀下沉空间的三维概率积分传递模型(3D Probability Integral Diffusion Model of Non-uniform Subsidence Space)

5.5 任意开采空间地表极大移动变形值的计算方法(Calculation of Maximum Ground Movement and Deformation Coursed by Mining of Multiple-working Faces)

5.6 下沉空间的双重介质传递开采沉陷预测分析系统的开发(Development of Mining Subsidence Prediction Analysis System Based on Double Medium Diffusion Mining Subsidence Prediction Model)

5.7 模型计算结果验证(Verification of Calculation Results of the Model)

5.8 本章小结(Summary)

6 深部开采地表移动长时序的PSO-SVM预报方法

6.1 支持向量回归机的基本原理及 PSO 优化方法(The Basic theory of SVM and PSO Optimization Method)

6.2 地表移动的非线性时间序列预测建模方法(Non-linear Time Series Forecasting Model Building Method)

6.3 支持向量机时序预测的评价指标(Evaluating Indicators of the SVM Time Series Forecasting)

6.4 长时序开采沉陷动态预测模型应用(Engineering Application of Long Time Series Dynamic Mining Subsidence Prediction)

6.5 本章小结(Summary)

7 工程应用

7.1 庞庄煤矿刘集镇镇区保护煤柱设计(Protective Coal Pillar Design of Liuji Township Pang Zhuang Coal Mine)

7.2 三河尖煤矿7143工作面开采沉陷预测研究(Study of Mining Subsidence Prediction of 7143 Working Face of San He-jian Coal Mine)

7.3 本章小结(Summary)

8 结论及展望

8.1 主要工作及结论(Major Work and Conclusions)

8.2 主要创新点(Main Innovation Points)

8.3 不足及展望(Limitation and Propect)

参考文献

作者简历

学位论文原创性声明

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