基于公层传递原理的开采沉陷时空预测模型构建

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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。
摘要第2-3页
ABSTRACT第3-4页
1 绪论第8-15页
    1.1 问题的提出及研究意义第8-9页
        1.1.1 问题的提出第8页
        1.1.2 研究意义第8-9页
    1.2 国内外研究动态及发展趋势第9-13页
        1.2.1 开采沉陷预计方法研究现状第9-12页
        1.2.2 开采沉陷动态过程预计方法研究现状第12-13页
    1.3 研究内容及技术路线第13-15页
        1.3.1 研究内容第13页
        1.3.2 技术路线第13-15页
2 沉陷预计主要理论分析第15-28页
    2.1 开采沉陷分层传递原理第15页
    2.2 概率积分法第15-20页
        2.2.1 基本假设第15-16页
        2.2.2 概率积分法的基本原理第16-19页
        2.2.3 概率积分法优缺点分析第19-20页
    2.3 覆岩移动破坏的关键层理论第20-28页
        2.3.1 关键层理论的提出及基本特征第20-21页
        2.3.2 关键层断裂下沉模式第21页
        2.3.3 关键层破断后位移特征研究第21-22页
        2.3.4 关键层的极限跨距分析第22-23页
        2.3.5 岩层下部自由空间计算第23-24页
        2.3.6 关键层的判定第24-27页
        2.3.7 关键层理论优缺点分析第27-28页
3 开采沉陷特征研究第28-40页
    3.1 开采沉陷基本特征第28-35页
        3.1.1 沉陷实例分析第28-30页
        3.1.2 岩层移动破坏分带特征第30-32页
        3.1.3 开采引起地表移动变形的破坏类型第32页
        3.1.4 开采沉陷盆地及其移动变形特征参数第32-35页
    3.2 开采沉陷的主要影响因素分析第35-40页
        3.2.1 地质因素第35-38页
        3.2.2 采矿因素第38-40页
4 开采沉陷的空间模型及时间函数第40-50页
    4.1 开采沉陷的空间模型第40-47页
        4.1.1 基本假设与设计流程第40-41页
        4.1.2 开采沉陷上覆岩层特征分析第41-43页
        4.1.3 理论模型建立第43-45页
        4.1.4 主断面上的移动变形第45-47页
    4.2 开采沉陷的时间函数第47-50页
        4.2.1 Knothe 时间函数第47-48页
        4.2.2 改进的Knothe 时间函数第48-50页
5 开采沉陷时空模型及参数取值第50-54页
    5.1 开采沉陷时空模型第50-51页
    5.2 预计参数确定第51-54页
        5.2.1 与岩性相关的时间系数C 的确定第51页
        5.2.2 砌体梁块体断裂长度第51-52页
        5.2.3 砌体梁的最大下沉量第52-53页
        5.2.4 主要影响角的正切值tanβ第53页
        5.2.5 其他参数第53-54页
6 实例验证第54-65页
    6.1 开采方式及条件第54-56页
        6.1.1 矿井及工作面地质概况第54-55页
        6.1.2 工作面开采技术条件第55页
        6.1.3 煤层赋存条件第55-56页
    6.2 采区煤层覆岩岩性分析第56-59页
    6.3 地表实测分析第59-60页
        6.3.1 实测数据第59页
        6.3.2 实测数据分析第59-60页
    6.4 地表移动变形预计第60-65页
        6.4.1 参数确定第60页
        6.4.2 静态地表移动预计分析第60-61页
        6.4.3 与常规概率积分法对比分析第61-63页
        6.4.4 动态地表移动盆地预计分析第63-65页
7 结论第65-67页
    7.1 结论第65-66页
    7.2 展望第66-67页
致谢第67-68页
参考文献第68-71页
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