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论文题目：基于地质观点的采煤沉陷预计系统开发与应用 专业：地质工程 硕士生：祁慧敏 指导教师：夏玉成 摘要 ( 签名) ( 签名) 页型 采煤沉陷是指由煤炭井工开采引起的煤矿区地面沉陷、塌陷和山地开裂等地质环境 破坏及其诱发的地质灾害。采煤沉陷已经成为导致煤矿区生态环境恶化和制约煤矿区经 济、社会可持续发展的主要因素。在采前对采煤沉陷进行准确预计，是通过限制开采控 制采煤沉陷的前提。为此，开发出基于地质观点的采煤沉陷预计系统软件。本文主要介 绍该系统针对任意形状工作面及急倾斜煤层采煤沉陷预计的设计思路和实际应用。 采煤沉陷预计系统在考虑采矿因素对采煤沉陷影响的同时，将对采煤沉陷有控制作 用的主要地质因素引入采煤沉陷预计模型，可以更准确地仿真模拟随着工作面推进，地 表移动变形的发生、发展过程。 本系统可以在研究区地质数据库的基础上，自动统计计算影响采煤沉陷的地质因素 数据，并引入概率积分模型，实现对任意形状工作面地表采煤沉陷的预计，自动绘制地 表任意方向剖面上的下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形预测曲线图，并可绘制采 煤沉陷盆地地表移动变形等值线。将经验公式皮尔森i i i 型函数用于急倾斜煤层的采煤沉 陷预计，可绘制急倾斜煤层开采时主断面上的各种移动变形曲线。 本文还探讨了遗传规划方法在采煤沉陷最大值预计中的应用。认为在地质和岩移资 料足以构建出高质量训练样本的煤矿区，可以将遗传规划作为预计采煤沉陷的一条新途 径。 通过利用典型算例进行验算以及矿区实例应用对比，证明本系统预计精度在允许范 围之内。本项研究成果，可为采煤沉陷预计和控制提供技术支持，具有一定的推广应用 前景。 关键词：采煤沉陷；预计；急倾斜；移动变形；遗传规划 研究类型：应用研究 s u b j e c t：p r o g r a m m ea n da p p l i c a t i o no f t h e p r e d i c t i o ns o f t w a r eo f c o a l - m i n i n g - i n d u c e d s u b s i d e n c eb a s e do n g e o l o g i c a l v i e w p o i n t s p e c i a l t y ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：q ih u i - m i n i n s t r u c t o r ：x i ay u - c h e n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e l a r g es c a l em i n i n go fu n d e r g r o u n dc o a l r e s o u r c e sc a u s e so rb r i n g so u th a z a r d so f g e o l o g i c a le n v i r o n m e n ti n c l u d i n gs i n k i n g ，f a u l ta n df r a c t u r eo ft h eg r o u n d ，w h i c ha r ec a l l e d c o a l m i n i n g - i n d u c e ds u b s i d e n c e i th a sb e c o m eo n e o fm a i nf a c t o r sw h i c hw o r s e ne c o l o g i c a l e n v i r o n m e n ta n dr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i a ls u s t a i n a b l eo ft h ec o a l m i n i n ga r e a s t h ep r e c i s ep r e d i c t i o no fc o a l m i n i n g - i n d u c e ds u b s i d e n c eb e f o r em i n i n gi sa p r e m i s et oc o n t r o lc o a l m i n i n g - i n d u c e ds u b s i d e n c eb yl i m i t i n gm i n i n g t h e r e f o r e ，as o f t w a r e t op r e d i c tc o a l m i n i n g - i n d u c e ds u b s i d e n c eb a s e do ng e o l o g i c a lv i e w p o i n ti sw o r k e do u t t h e d e s i g ni d e aa n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h es o f t w a r ea r em a i n l yi n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h ep i v o ti nt h et h e s i si sa b o u tt h ep r e d i c t i o no fc o a l - m i n i n g - i n d u c e ds u b s i d e n c eu n d e rt h e c o n d i t i o no fr a n d o m s h a p ef a c e sa n ds t e e pc o a ls e a m s b e i n gi n t r o d u c e di n t ot h ep r e d i c t i o nm o d e ln o to n l ym i n i n gf a c t o r sb u ta l s o m a i n g e o l o g i c a lf a c t o r si n f l u e n c i n gc o a l m i n i n g - i n d u c e ds u b s i d e n c e ，t h es o f t w a r ec a ns i m u l a t e a c c u r a t e l yt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fs u r f a c em o v e m e n ta n dd i s t o r t i o nw i t haw o r k i n gf a c e a d v a n c i n g t h es o f t w a r ep o s s e s s e st h ef u n c t i o no f a u t o m a t i c a lc o u n t i n gt h ed a t ao f g e o l o g i c a lf a c t o r s w h i c hi n f l u e n c ec o a l - - m i n i n g - i n d u c e ds u b s i d e n c eb a s eo nt h eg e o l o g i c a ld a t a b a s eo fr e s e a r c h a r e a t h es o f t w a r ei sb a s e do nt h ep r o b a b i l i t yi n t e g r a lp r i n c i p l e w i t ht h eh e l po f t h i ss o f t w a r e a n yu s e rc a no b t a i nt h ep r e d i c t i o nr e s u l t sa b o u tg r o u n ds u b s i d e n c ei n d u c e db yc o a lm i n i n go f r a n d o m s h a p ef a c e s ，a n dt h ep r e d i c t i o ng r a p h ss u c ha ss u r f a c es u b s i d e n c e ，s l a n t ，c u r v a t u r e ， l e v e lm o v e m e n ta n dl e v e ld i s t o r t i o ni nr a n d o mo r i e n t a t i o ns e c t i o n t h ec o a l m i n i n g i n d u c e d s u b s i d e n c eo fa na r b i t r a r ys p o tw i t h i nt h es u b s i d e n c eb a s i nc a nb ec a l c u l a t e da u t o m a t i c a l l y t h ee m p i r i c a lf o r m u l ap i e r s e ni i if u n c t i o ni su s e dt op r e d i c tt h es u r f a c es u b s i d e n c ei n d u c e d b ys t e e p c o a ls e a mm i n i n g ，a n dd r a wt h e p r e d i c t i o ng r a p h so fs u r f a c em o v e m e n ta n d d i s t o r t i o no nm a i ns e c t i o n s i ti sa l s od i s c u s s e di nt h i st h e s i st ou s eg e n e t i cp r o g r a m m i n gm e t h o di np r e d i c t i n gt h e m a x i m u mv a l u eo fc o a l m i n i n g i n d u c e ds u b s i d e n c e g e n e t i cp r o g r a m m i n gi san e wf e a s i b l e w a yt op r e d i c tc o a l - m i n i n g - i n d u c e ds u b s i d e n c eu n d e rt h ec o n d i t i o no fg e o l o g i c a li n f o r m a t i o n a n do b s e r v a t i o nd a t ao fs u r f a c em o v e m e n ta r ee n o u g ht oc o n s t r u c tat r a i n i n gs a m p l eo fh i g h q u a l i t y c h e c k i n gw i t hp r a x i s e si nt e x tb o o k sa n dt h et y p i c a le x a m p l e sf r o mc o a lm i n i n ga r e a s ， t h ep r e d i c t i o np r e c i s i o no ft h es o f t w a r ec a l ls a t i s f yd e m a n d s t h es o f t w a r ec a ns u p p l y t e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ep r e d i c t i o na n dc o n t r o lc o a l m i n i n g i n d u c e ds u b s i d e n c ei nm i n i n g a r e a s ，w i t hd e f i n i t ea p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：c o a l m i t r i n g i n d u c e ds u b s i d e n c e p r e d i c t i o n s t e e pc o a ls e a m s u r f a c em o v e m e n ta n dd i s t o r t i o ng e n e t i cp r o g r a m m i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指导教师签名 良t 必 删年矿月玎日 1 绪论 1 1 问题的提出与研究意义 1 绪论 随着中国工业化、城市化进程加快，能源消费将不断增加，今后相当长的一段时期 内，中国经济将继续保持平稳较快发展势头，发电用煤将大幅增长，冶金、建材、化工 等主要行业用煤都将有不同程度的增长。预计到2 0 2 0 年，中国国内煤炭消费需求总量 将超过2 5 亿t 。煤炭作为我国重要的主体能源，是保证我国经济可持续发展不可缺少的 粮食”，煤炭开采势在必行。 煤炭资源的大规模开发和利用，极大地推动了人类经济和社会的发展，但是煤炭开 采引起地面沉陷也给人类的生活和生态环境带来了消极的影响。它对自然环境和社会环 境的影响突出表现在【l 叫：地表形态的破坏：采煤沉陷最深处可达数米以上，形成长 年的积水区，使土地利用类型发生改变，大面积的耕地无法使用，破坏后土壤退化严重， 在山区的沉陷还可能引起山体滑坡；生态环境的影响1 5j ：采煤沉陷不仅破坏地表形态， 同时改变潜水位的赋存条件、破坏给水源，采空区域潜水位相对上升，造成局部潜水接 近或出露地表，形成湿地或沼泽、湖泊化，从而影响地表作物和植物的生长，破坏大面 积的森林、植被，改变动植物的生长环境。 采煤沉陷是指由地下采掘工程引起或诱发的煤矿区地面沉陷、塌陷和山地开裂等地 质环境破坏及其诱发的地质灾害。采煤沉陷的研究对国民经济发展和人民生活水平提高 都有着重要的意义。为了进行现代化建设，需要开采大量的矿物，但是开采这些矿物产 生的沉陷，反过来影响和破坏岩体内和地面上的一些生产和生活设施，影响生产的发展 和人民生活水平的提高。同时采煤沉陷对矿区环境和经济发展造成了严重影响，我国有 些矿区每年为此支付的赔偿多达数千万元。采煤沉陷已经成为导致煤矿区生态环境恶化 和制约煤矿区经济、社会可持续发展的主要因素。为了能最大限度减少由于采煤沉陷而 造成的损失，必须能够在采前就对开采过程中将会出现的沉陷状况有一个正确的预测， 在开采过程中能随时根据各种监测手段得到的资料对开采方案作适当的调整或采取适 当措施降低开采损害。 采煤沉陷的研究涉及测量、采矿、地质、建筑、力学等许多学科知识口1 ，是一项十 分复杂的工作。虽然在采矿界对此问题已经有了多年的研究积累，在采煤沉陷预计方面 也取得了一些令人注目的研究成果，然而，目前还存在许多需要进一步研究的问题。例 如，由于对地质因素考虑不够，对煤矿区地表沉陷的预计结果往往与矿区采煤沉陷的实 际情况有较大出入：煤矿区地表岩移观测与地下开采同步进行，甚至不进行观测，而地 表岩移又滞后于开采过程，所以在开采设计中无法预先知道开采强度与地表环境损害之 西安科技大学硕士学位论文 间的数量关系。如何有效准确地进行采煤沉陷预测与模拟是采煤沉陷控制的关键问题， 要解决好这个矛盾，只有依靠对采煤沉陷的深入研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 采煤沉陷预计理论 从1 9 世纪中叶以来，人们开始重视采煤沉陷的预测方法和理论。岩层和地表移动 研究人员经过长期不懈的努力实践，利用多种研究手段对采煤沉陷机理及其岩层与地表 移动规律进行了深入研究，建立了多种多样的开采矿层上覆岩层直至地表的沉陷模型。 形成了各具特色的地表移动预测预报理论和方法。 德国、前苏联、波兰学者都做了很多研究工作。苏联学者出版的煤矿地下开采的 岩层移动，在大量实测数据分析研究基础上，确定了水平和倾斜煤层开采条件下地表 移动矢量的垂直分量和水平分量之间的重要微分关系式。 波兰的研究重视实地观测工作，从中得到地表移动基本参数，获得地表移动规律， 在此基础上进一步深化，最后求得地表移动预计公式。于2 0 世纪5 0 年代先后提出了三 种地表移动变形预计方法：( 1 ) 布德雷克克诺特方法；( 2 ) 柯赫曼斯基方法；( 3 ) 李特维尼 申方法。 我国采煤沉陷研究工作者经过几十年的努力，已建立了适合我国实际情况的多种预 计方法，如在我国通用的概率积分法、负指数函数法、典型曲线法、积分格网法、威布 尔分布法、样条函数法、双曲线函数法、皮尔森i i i 型函数法、山区地表移动变形预计法、 三维层状介质理论预计法和基于托板理论的条带开采的预计法等1 6 j 。 现行的采煤沉陷预报方法，按计算手段分为：解析法、图解法、电子计算机法【7 】。 按其实现途径有以下几种方法： ( 1 ) 经验公式法 基于实测资料的经验公式法，是在对地表移动观测站的实测资料进行综合分析的基 础上建立起来的，根据大量的观测数据，确定出地表移动盆地主断面移动变形规律，并 以典型曲线理论化，然后再把这些预报关系式应用于类似地质采矿条件下的采煤沉陷地 区。经验公式的导出需要大量的野外观测站实测资料和地质采矿条件，预报公式通常很 简单。 ( 2 ) 理论模拟法 理论模拟法是建立在力学模型上，以弹性或塑性理论为基础的计算方法。在这方面 以a s u l s t o w i c z ( 1 9 5 8 ) 等为代表的固体力学理论【8 】；李特维尼申( 1 9 6 3 ) 等为代表的随机介 质理论一j ；建立在弹性或塑性理论基础的计算方法如：有限单元法( f e m l 、边界元法 ( b e m ) 、离散元法( d e m ) 等。我国学者刘宝琛、廖国华2 0 世纪6 0 年代初期在随机介质 l 绪论 理论基础上解决了地表移动平面预计问题。近3 0 年来，又成功地解决了地表移动空间 预计问题、覆岩内移动预计问题、露天开采移动预计问题，已发展为概率积分法特殊地 表问题的预计体系，目前已成为我国较为成熟、应用最为广泛的预计方法之一。 ( 3 ) 影响函数法 影响函数描述微小单元开采面积对地表影响的特性和程度。通过影响函数对开采面 积的积分计算地表的移动和变形。它是从经验方法向理论模型过渡的一种方法。它的理 论基础是分布函数，因而称之为影响函数法。典型的影响函数方法有：巴尔斯、培尔茨、 扎恩、柯郝曼斯基、布德雷克一克诺特等理论方法。 在采动地表沉陷预计评价方法中，经验方法和影响函数方法基本类似，它们都是建 立在大量的观测研究基础上的，但是经验方法有局限性，而影响函数方法可通过预计参 数的调整，应用于不同条件下的预计，它的通用性强。理论模型方法是以岩体力学模型 和数学假设的抽象概念为基础，依赖于大量的复杂的岩体力学参数，要进行大量的计算 工作，过去几十年的实践表明它的应用非常困难。近年来，随着计算机应用技术的发展， 使得进行大量复杂的计算成为可能，但是在大范围内取得岩体力学参数及地质构造特征 参数，仍然很困难，因而它主要应用于小范围的预计计算评价中( 如矿柱岩粱的应力、 应变、稳定性计算分析，断层构造带影响计算分析等) 。同时在预计计算评价中各种评 价方法应用具有互补性，因而在实践中一般是以计算来综合评价。 1 2 2 采煤沉陷模拟方法 ( 1 ) 相似材料模拟法 目前，对沉陷区和受破坏岩层以及受变形影响建筑构筑物的二维或三维形变规律进 行模拟研究，比较常用的技术方法是室内物理模拟方法，即相似材料模拟法。其次是离 心模拟、电模拟、光电模拟等。前苏联于1 9 3 7 年首次采用相似材料模拟法研究岩层移 动问题。我国于2 0 世纪5 0 年代刁开展这方面的研究。这种方法能比较直观地研究地表 移动，特别是便于观察岩层内部的运动特征，可以弥补理论研究的不足，但由于模拟条 件复杂，边界条件难以满足、材料配比相似性差等原因，相似材料模拟法并不能作为一 种单一的研究方法来研究采煤沉陷规律。 f 2 1 计算机数值模拟 计算机数值模拟所依据的主要是工程动力学原理，包括有限元、离散元、边界元等， 式中有限元法应用较普遍。随着有限元法、边界元法、离散元法的发展，它们所应用的 领域越来越广泛。7 0 年代，国内外的研究人员开始在采煤沉陷研究中利用数值分析方法， 有限元法在采煤沉陷领域应用较多，并积累了丰富的经验，有成熟的计算软件，如s a p 系统、a d i n a 系统、n c a p 系统等程序系统，并在国内得到应用。另外还有一个灵活 的实用程序f l a c ，这是一个显式有限差分法应用程序，它把所求解运动学方程的方式 西安科技大学硕士学位论文 取为了时间步长方式，这样就有可能把体系的性能看作随时间渐变的。在地表沉陷领域， 时间是一个非常重要的概念，学者们一直都在寻找地表沉陷的动态模型，f l a c 在一定 程度能够体现这一要求【1 3 - 1 6 。 1 2 3 采煤沉陷预计软件 吴侃等应用时间序列分析法1 1 7 m ，对采煤沉陷动态过程的概率积分法预计参数进行 分析，建立了动态预计模型。基于该模型开发出矿区采煤沉陷预测预报系统，能够实现 对任意开采引起的地表沉陷问题作动态和最终稳定态的预计；求采煤沉陷预计参数：地 表沉陷实时预测；地表移动变形动态模拟。 东北大学岩石破裂与失稳研究中心运用现代计算力学原理和计算机可视化技术，对 岩石的破裂与失稳过程进行了数值试验研究，开发出一套岩石破裂与失稳分析系统( r o c k f a i l u r ep r o c e s sa n a l y s i s 简称r f p a ) 。r f p a 是根据有限元分析原理开发的一个二维数值 分析软件，可以模拟巷道开挖及其破坏过程、矿柱破坏过程、边坡滑移破坏过程、地表 沉陷、采动影响，以及煤岩顶板冒落等。 西安科技大学的余学义教授建立了以概率积分法和k n o t h e 理论为基础。应用极坐 标闭合回路积分法的数学模型，研制了预计采动地表移动变形破坏程度的综合评价软件 一y l h 1 2 。y l h 一1 2 预计评价系统包括以影响函数为基础的概率积分方法，以几何积分理 论为基础由富氏二维积分变换法引入岩性及下沉时间影响参数( 半力学，半经验参数) 。 这一研究成果已经在西南、西北许多矿区的“三下”开采及高速公路下采空区的预计与影 响评价中应用，能够较准确地预计不同矿区地质采矿条件下的开采沉陷引起地表移动变 形及其损害程度的评价 4 1 。 朱长春开发的开采沉陷地表变形计算与分析软件系统，该软件系统能够根据相应的 参数计算一般条件下的地面变形计算、山区地面变形计算水平变形、下沉变形、倾斜变 形、曲率变形、水平移动以及相应的等高图形等，能对任何三维图形进行任意的旋转和 打印功能，正应用于开采地表变形计算与分析。 康建荣、王金庄等开发的开采沉陷预计系统( m a p s ) ，是以概率积分法为理论模型， 在研究山区地表移动规律的基础上，从下沉单元和水平移动单元入手，用直接面积积分 的方法，可以实现任意形状工作面下开采沉陷预计系统 2 8 1 。 目前，对于急倾斜煤层开采研究仍是一个难题，针对不同的地区及采矿条件的不同， 煤层开采时地表沉陷表现的规律不同。周鸣、谭志祥等在对沛城煤矿急倾斜厚煤层条带 开采地表沉陷规律研究中，根据观测数据，得出下沉盆地的最佳模型为概率积分法模型 “。张东明，尹光志等在对急倾斜煤层丌采引起的地表沉陷采用渐近灰色预测方法来寻 找地表下沉规律 。 上两届研究生王冬梅、孙学阳同学在采煤沉陷预计领域内做了一定的研究工作，对 1 绪论 初次采动下水平、缓倾斜和倾斜煤层规则工作面采煤沉陷进行了预测，对于时间和开采 速度对地表移动变形的影响作了初步的尝试。本人在其基础上，实现任意形状工作面的 采煤沉陷预计，并对急倾斜煤层丌采引起的采煤沉陷预计方法进行了一些研究。 1 3 研究思路与研究内容 1 3 1 研究思路 采煤沉陷预计系统的研究最常涉及到的是预计理论的研究和软件设计的研究。本文 研究着重于地表预计软件程序设计方面的探讨，以概率积分法、地表移动预计的基本原 理为基础，将图形学、软件工程、计算机编程技术等学科与地表移动研究交叉与综合， 开发采煤沉陷预计系统，并运用实例进行验证，从而检验系统的精确度。 1 _ 3 2 研究内容 ( 1 ) 影响采煤沉陷的地质参数的自动统计计算 在对采煤沉陷进行预计时，充分考虑地质因素对采煤沉陷的控制作用，如覆岩硬度 与结构、覆岩中的松散层、煤层倾角、构造界面、构造应力等，并将这些影响因素纳入 预计模型，实现影响采煤沉陷的地质参数的自动统计计算p 。 ( 2 ) 任意形状工作面采煤沉陷预计 实现任意形状工作面煤层开采引起的采煤沉陷预计，绘制任意剖面地表下沉、倾斜、 曲率、水平移动、水平变形曲线和等值线图。 ( 3 ) 急倾斜煤层开采沉陷预计 对于缓倾斜、倾斜煤层地表移动和变形预计的理论已经成熟，对于急倾斜矿体开采 沉陷规律的研究是当前国内外开采沉陷学机理研究的难题。本文在查阅、分析资料的基 础上，利用经验公式实现对急倾斜煤层开采沉陷预计。 ( 4 ) 应用遗传规划方法进行采煤沉陷最大值预计 遗传规划对个体的表达采用树状结构，可以方便地表示成各种结构或网络，因此更 多地应用于非线性问题、空间结构优化等问题之中。这些特性使得它可以用来描述开采 沉陷量与其各影响因素之间的非线性关系，本文根据遗传规划原理，建立开采沉陷量与 其各影响因素的非线性关系，并用实例进行检验，从而验证遗传规划进行开采沉陷预计 方法的可行性。 西安科技大学硕士学位论文 1 4 研究方法与技术路线 1 4 1 研究方法 采煤沉陷的研究涉及采矿、测量、地质、力学、数学、计算机等许多学科，是一项 十分复杂的工作，本文将综合运用地质学、开采沉陷学、计算机学等多学科知识，在考 虑采矿因素对采煤沉陷影响的同时，将对采煤沉陷有控制作用的主要地质因素引入采煤 沉陷预计模型，可以更准确地仿真模拟随着工作面推进，地表移动变形的发生、发展过 程。应用计算数学、计算机图形学及软件工程等学科的知识，以v i s u a lb a s i c 为程序设计 语言，结合绘图软件s u r f e r 8 0 ，丌发采煤沉陷预计软件，并以实际算例对系统各模块的 计算精度进行检验，对整个系统的可靠性进行验证。 1 4 2 技术路线 本系统的研制，运用软件工程的方法开展研制工作，系统研制过程需要经过 ( 1 ) 收集、分析资料； ( 2 ) 进行需求分析； ( 3 ) 进行系统总体设计，划分系统模块； ( 4 ) 进行程序算法设计，选择合适算法； ( j ) 编写程序代码，开发采煤沉陷预计系统软件； ( 6 ) 系统软件可靠性检验； ( 7 ) 提交研究成果。 其技术路线如图1 1 所示。 1 绪论 收集、分析资料 0 需求分析 系统总体设计 上 ii 参数计算模块工作面管理模块预计计算模块结果输出模块 上上 基 主 譬 绘 绘 制 制 于 规 任 剖 剖 移 全 动 盆 变 地 形 等 值 线 线 地 则 思 面 蔓雾值 图 计质动 工 形 计移 算资 输 作 工 算动 料 八 面 作 变 自 面 形 动 值 l l l i 7 上 优化算法 j r 编写程序代码 系统验证 。人 ”满青否 ： y 提交成果 图1 1 技术路线图 7 西安科技大学硕士学位论文 2 考虑多种地质因素的采煤沉陷预计 2 1 影响采煤沉陷的主要地质因素 ( 1 ) 覆岩硬度与结构 所谓覆岩指的是煤层以上直到地表包括松散层在内的地层。覆岩力学性质的不同对 层状矿体开采引起的岩层和地表沉陷过程影响很大。在大面积开采影响下，由于覆岩硬 度及岩层组合不同，覆岩的破坏和移动特征有明显差异。 如果覆岩均为坚硬、中硬、软弱岩层或其互层，不存在极坚硬岩层，则开采后容 易冒落，煤层顶板随采随冒，不形成悬顶，能被冒落岩块支承，并继续发生弯曲下沉而 直达地表。这时，覆岩“三带”变形明显，地表则产生缓慢的连续性变形a 但如开采深度 较小时，地表产生非连续型变形。 如果覆岩中大部分为极坚硬岩层，当煤层顶板大面积暴露，矿柱支承强度不够时， 则覆岩产生切冒型变形，易造成突然塌陷的非连续型变形。 如果覆岩中均为极软弱岩层或第四纪地层，煤层顶板即使是小面积暴露，也会在 局部地区沿直线向上发生冒落，并可直达地表。这时，覆岩产生抽冒型变形，地表出现 漏斗型塌陷坑。 如果覆岩中仅在一定位置上存在厚层状极坚硬岩层，则煤层顶板局部或大面积暴 露后发生冒落，但冒落发展到该极坚硬岩层时便形成悬项，不再发展到地表。这时，覆 岩产生拱冒型变形，地表产生缓慢连续型变形。 如果覆岩中均为厚层状极坚硬岩层，则煤层顶板局部或大面积暴露后形成悬顶， 不发生冒落而发生弯曲变形，地表则发生缓慢的连续型变形。 作为影响岩层和地表变形的重要因素，覆岩硬度除了决定岩层和地表变形的机理及 基本形式外，还表现在以下几个方面： 覆岩硬度愈大，地表下沉系数愈小。 覆岩愈软弱，地表变形范围愈小，即 r ：旦( 2 1 )r2 l ij t g a 式中，一地表变形范围；日一开采深度；辔d 一主要影响角j 下切值，覆岩为坚硬、 中硬、软弱时，分别取1 o 1 8 、1 ，5 2 5 、2 2 3 5 。 覆岩愈硬，地表裂缝深度愈大，甚至与采空区连通。 覆岩愈软弱，覆岩中冒落带和导水裂隙带高度愈低。 f 2 ) 覆岩中的松散层 2 考虑多种地质因素的采煤沉陷预计 松散层是指第四纪、新第三纪未成岩的沉积层，如冲积层、洪积层、残积层等。地 表有没有松散层覆盖，对地表移动特征很大影响。如果有很厚的松散层覆盖于硬岩层之 上，则硬岩层随产生的断裂及破坏被松散层所掩盖和缓冲，软岩层像缓冲垫一样，使基 岩的不均匀移动得到缓和。如基岩上部有较厚的松散层，会使地表呈平缓移动。但松散 层强度很低，当覆岩中松散层很厚时，会使覆岩综合硬度降低，在开采影响下更容易产 生地表沉陷。 松散层对地表水平移动和水平变形分布规律的影响十分明显口】。 当基岩为水平或近似水平( q 1 0 0 ) 时，松散层移动形式和基岩移动形式基本一致， 两者都呈垂直弯曲的形式，移动向量都指向来空区中心，因此水平移动呈对称分布。地 表点的水平移动是由基岩水平移动引起的松散层水平移动和松散层垂直弯曲引起的松 散层水平移动两者的叠加。在倾斜煤层开采的条件下，地表移动盆地内的水平移动曲线 呈非对称分布，增大了指向上山方向的水平移动，减少了指向下山方向的水平移动，随 着岩层倾角的增大，此特征表现得更加明显。 当松散层很厚时，基岩移动产生的水平移动在松散层内传递过程中衰减消失，达不 到地表。这时地表水平移动就是松散层垂直弯曲而产生的水平移动。根据经验，当松散 层厚度大于7 5 帆。，t g 口( t t 为煤层倾角) 时，基岩移动产生的水平移动就不会影响到地 表。 ( 3 ) 煤层倾角 煤层倾角的大小对地表移动特征有明显的影响。对于水平煤层，最大沉陷位于采空 区中心线上；对于倾斜煤层，地表沉陷盆地移向采空区较深的一侧。而且，对倾斜煤层 来说，影响角也不再是常数，而是与煤层的倾角有关，在采空区上端为最小，随着倾斜 而逐渐增大。 在水平及缓倾斜煤层( o 。3 5 0 ) 开采条件下，岩层移动形式主要为沿岩层的法向弯曲 和崩落，冒落带、导水裂隙带最终呈马鞍形，地表下沉盆地为对称的碗形和盆形：当煤 层倾角大于3 5 0 以上时，岩层移动的形式除有法向弯曲外，还伴有沿层面的剪切移动和 岩石下滑，覆岩破坏部分呈抛物线形态，地表下沉盆地为四周非对称的碗形或箍形：当 煤层倾角超过5 4 。时，冒落带、导水裂隙呈椭圆形，地表下沉呈兜形或瓢形；当煤层倾 角超过7 5 0 时，底板岩层会产生滑动，底板一侧的地表也会出现许多的裂缝或形成台阶 状盆地；在煤层倾角接近9 0 0 时，下沉盆地剖面形状又转为比较对称的碗形或兜形。 ( 4 ) 构造界面( 节理与断层) 构造界面破坏覆岩的连续性，使岩体结构发生改变。断层、节理等是岩体中已 经形成的破裂面，层理、劈理等是岩体中的潜在破裂面。正是由于这些破裂面的存在， 使完整、连续的整体块状岩体结构变成层状、碎裂、甚至散体结构，也即使原本连续的 构造介质变成似连续甚至不连续的构造介质。 西安科技大学硕士学位论文 构造界面( 特别是断层带或节理密集处) 附近岩体的力学强度比周围连续岩体 的力学强度低得多，因而在采动影响下，构造界面是应力集中从而也是变形集中的地带， 极易变形破坏。煤层开采过程中，采空区卜- 方受到拉张应力作用，而破裂型构造界面对 拉张应力基本没有阻抗力；在煤柱附近的覆岩，受到高强度剪切应力作用，而碎裂结构 或散体结构的覆岩，构造界面破坏了岩体的内聚力，所以很容易沿破裂面产生剪切滑动。 由于上述原因，在节理和断层发育的地方，容易形成顶板切冒和抽冒，从而引 起地表的不连续变形，在断层露头处变形明显加剧。 如果煤矿区存在活动断层，如陶庄煤矿的北山断层等，则沿断层面的滑移是采 动引起的滑移与断层作用产生的滑移的矢量和。 断层倾向对采煤沉陷也有一定影响。当丌采方向与断层面倾向相反时( 图 2 1 ) ，采动影响被断层切断，地表下沉范围缩小，下盘地表下沉和变形值减小，上盘 地表下沉和变形值增加。如果断层倾向与采煤工作面推进方向一致( 图2 1 ( b ) ) ，断层对 地表下沉范围无明显影响，但上盘地表下沉值减小，下盘地表下沉值增加，断层露头上 方地表产生台阶，上盘地表出现裂缝1 2 。 ( a )【b ) 图2 1 断层对采煤沉陷的影响 ( a 卜断层倾向与开采方向相反；( b 卜一断层倾向与开采方向相同 ( 据孙厂忠，2 0 0 0 ) ( 5 1 构造应力 对大量地应力实测资料的统计分析表明，在地壳岩体中普遍存在水平地质构造应 力，地质构造应力是地应力场的主体动力。在以挤压构造应力为主的地区，最大地应 力分量是水平的或接近水平的；而在以拉张应力为主的大地构造背景下，侧向应力是拉 张力。构造应力对采煤沉陷的控制作用主要表现在以下方几个面： 挤压构造应力使岩体受到夹持力，从而抵消一部分重力，在这种情况下，构造 应力会减小采动影响下覆岩的下沉幅度和速度。 当煤矿区处于挤压构造应力状态时，相当于覆岩受到高围压作用，在这种情况 下，岩体的力学强度会显著增强。同时，挤压构造应力导致的高围压环境还可以使岩体 1 0 2 考虑多种地质因素的采煤沉陷预计 中的构造结构面闭合，出现所谓应变硬化效应，提高岩体的抗剪强度。 由于拉张构造应力可以抵消因重力作用在岩体中产生的侧向挤压应力，相当于 减小了夹持力，因而将显著降低导致岩体失稳的临界重力，在采动影响下很容易发生地 表弯曲下沉或不连续塌陷。 由于岩体的抗拉强度最小，而且构造界面对拉张应力几乎没有抵抗能力，所以 在以拉张变形为特色的伸展构造区，岩体中张性破裂构造，如张节理、正断层等往往比 较发育，因而岩体比较破碎，在采动影响下比较容易产生对地表地质环境的损害。 在新构造运动比较活跃的煤矿区，挤压构造应力有使地表抬升的趋势，而拉张 构造应力则有使地表断陷的可能。所以地表绝对下沉量应为采动影响下沉量与构造运动 附加量的矢量和。也即是说，构造应力可能加剧采煤沉陷，也可能减缓采煤沉陷。 2 2 地质因子的量化取值与自动计算 开采地质条件量化预测指标自动统计所需原始数据可以直接从矿井地质数据库( 钻 孔数据库、断层数据库、褶皱数据库、研究区边界和井巷工程数据) 中提取【3 4 l 。根据评 价指标的取值特点，可将其分为三类，即单变量指标、多变量指标和灰变量指标。根据 指标类型，可分别采取不同的方法获得它们的数值。 单变量指标是指某个观测变量或某一地质特征，例如煤层厚度、煤系厚度、煤层底 板标高、断层长度等，对这样的指标可直接从钻孔数据库或断层数据中取值。在指标量 化过程中，指标数据是以单元为单位统计的，可先将研究区域划分成若干个等性单元， 然后采用加权平均的方法对落在工作面内的单元信息进行处理，所得数据作为工作面的 指标值。 多变量指标是由多个基础变量构成的复合变量，需从钻孔数据库或断层数据中提取 基础数据，然后带入一定的数学模型计算出指标值，例如断层强度、煤层厚度异常。 有些根据开采地质资料建立的指标，例如断层类指标，在未采区因无基础数据，或 基础数据不全，不能直接统计计算，这类指标成为灰变量指标。对于灰变量指标，可利 用己知数据建立拟时间数据序列，选用自组织建模或灰色动态模型，预测出评价单元的 灰变量指标值。 2 _ 3 地质因子在采煤沉陷预计中的应用 f 1 ) 采动损害起动距l c 一般情况下，当回采工作面自开切眼向前推进一定距离后，岩层移动才丌始波及地 表，并使其变形逐步增强。采动损害起动距是指地表下沉幅度达到l o m m 时，地下开采 工作面从丌切眼向前推进的距离。 结合煤矿地表移动一般规律，以全陷落法进行项板管理的走向长壁式回采工作面， 距离超过该值后，地表就可能发生明显的下沉，因此，可以将三。作为地表开始破坏的临 r0 8 拉张构造应力场 s = 1 0 不考虑侧向应力 l 1 2 挤压构造应力场 r1 o 连续( 覆岩中节理不发育) ( 2 ) 主要影响角的正切值t 妒 主要影响角j 下切值即的值与覆岩岩性有关，覆岩岩性越软，t g f l 值越大；反之， 覆岩岩性越硬，秽值越小。我国具有一般地质采矿条件下的矿区卵值在1 0 3 8 之间， 常见的为1 , 2 2 6 。国家煤炭工业局2 0 0 0 年颁布的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤 柱留设与压煤开采规范规定， 彬= ( 1 一o 0 0 3 2 8 a ) ( d + o 0 0 3 2 h ) ( 2 4 ) 2 考虑多种地质因素的采煤沉陷预计 式中口一煤层倾角；日一覆岩厚度；d 一岩性系数，其数值与覆岩综合评判系数 p 及覆岩综合普氏硬度q 的对应关系见表2 1 ： 表2 1 覆岩硬度综合普氏系数、覆岩综合评判系数p 与岩性系数的对应关系 q 兰8 o7 5 06 5 06 0 05 5 05 0 04 8 04 6 04 5 0 p0 0 00 0 3o 0 7o 1 1o 1 50 1 90 2 3o 2 7o j 3 0 d o 7 6o 8 2 08 8 o 9 51 0 11 0 8 1 1 4 1 2 01 2 6 q 4 5 04 2 54 o3 7 53 5 03 2 53 0 02 7 52 5 0 po3 0o 3 5o 4 0o 4 5o 5 0o 5 5 o 5 0 o 6 5o 7 0 d1 2 61 3 51 4 51 5 41 6 4 1 7 3 1 8 21 9 l2 0 0 q 2 5 02 2 52 0 0 1 5 0 1 o o 1 0 0 po7 0o 7 50 8 008 5o 9 00 9 51 0 01 0 51 1 0 d2 0 02 1 02 2 02 3 02 4 025 02 6 02 7 028 0 ( 3 ) 最大下沉值阡，m “ 在开采沉陷学中，给出了在充分采动条件下地表最大下沉值的计算公式： 阡，m 。= q m c o s a ( 2 5 ) 式中一煤层厚度；g 一下沉系数；口一煤层倾角。 国家煤炭工业局2 0 0 0 年颁布的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤 开采规范指出，下沉系数按下列公式计算： q = 0 5 ( 0 9 + p 1 ( 2 6 ) 式中p 一覆岩综合评判系数，该系数与煤矿常用的普氏硬度q 的关系见表2 1 。 夏玉成教授根据大量实际材料分析认为应给( 2 7 ) 式增加一个调节系数九，使其变 为： 。、= 五q m c o s o r ( 2 7 ) 调节系数九的取值规则如下： 有下述几种情况之一时，k = l 覆岩中无松散盖层； 松散盖层厚度小于基岩覆盖层厚度，而且不含水，无湿陷性 覆岩冲积层中含水而且不易流失。 根据下列情况出现的程度，九在1 1 一1 5 的范围内取值： 西安科技大学硕士学位论文 受区域拉张构造应力作用，有侧向伸展变形； 松散覆盖层的厚度大于基岩覆盖层厚度 覆岩以湿陷性黄土为主； 覆岩以富水厚冲积层为主，隔水层容易遭到破坏造成含水流失。 ( 4 ) 影响半径， 知道了t g p 值，就可以求出主要影响半径： r ：旦 ( 2 8 ) t g , a 式中砜一覆岩厚度( 采深) ；增一主要影响角正切。 由上式可知，主要影响半径与采深成正比，与辔卢成反比，是反映覆岩岩性和采深 的参数。采深越大，覆岩岩性越软，采动地表影响的范围越宽，下