（大地测量学与测量工程专业论文）矿区开采沉陷系统的开发及其在三道沟煤矿中的应用.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 矿区开采沉陷系统的开发及其在三道沟煤矿中的应用 大地测量学与测量工程 刘国志 梁明 摘要 ( 签名) ( 签名) 开采沉陷作为变形监测的一个重要内容，在当今已成为一个不容忽视的严重问题。 特别是对我国来说，在以后的很长时期内仍要以煤炭为主，矿区的大量开采，势必会影 响到地表岩层的移动，从而引起矿区地表的塌陷。 所以开采沉陷规律的研究对国民经济地发展和人民生活地提高都有着重要地意义。 为了能最大限度的减少由于开采沉陷而造成的损失，必须研究开采沉陷的规律及控制技 术，以便能够对开采过程中将会出现的沉陷状况有一个正确的预测，对开采将造成的环 境破坏作正确的影响评价，在采动过程中能够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者采取适当的措施降低开采对环境的影响。这些预测手段和辅助决 策方法不仅要能够和矿区实时的开采沉陷变化相结合，而且还要同它的灾害评估及综合 治理相协调。 在过去的几十年中，我国的开采沉陷工作者在这些方面形成了一套较为完善的开采 沉陷理论，有关开采沉陷预计、规律研究、分析等方面的计算机软件也取得了很大的成 绩，但是，这些软件产品大都没有充分利用一些现成的开发环境。 地理信息系统在我国的许多行业中已经得到了广泛的应用，但是在矿山开采沉陷方 面的研究还很不够，而所具备的优势特点将会大大提高矿山开采沉陷软件开发的质量。 本文以三道沟煤矿开采沉陷观测资料为基础，运用专业知识，以v i s u a lb a s i c 语言 和地理信息系统为开发平台，对三道沟煤矿开采沉陷控制技术及规律作了深入研究，实 现了开采沉陷过程中的数据计算与曲线的绘制。 关键词：开采沉陷；曲线绘制；地理信息系统；v i s u a lb a s i c 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：d e v e l o p m e n to fm i n i n g s u b s i d e n c es y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o n i ns a n d a o g o uc o a lm i n e s p e c i a l t y ：g e o d e s ya n ds u r v e y i n ge n g i n e e r i n g n a m e：l i u g u o z h i i n s t r u c t o r ：l i a n g m i n g ( s i g n a t u ( s i g n a t u a b s t r a c t m i n i n gs u b s i d e n c ew h i c ha sa l li m p o r t a n te l e m e n to f t h ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，h 嬲 b e c o m eas e r i o u sp r o b l e mt h a tc a nn o tb ei g n o r e di nt o d a y ss o c i e t y e s p e c i a l l yf o ro u r c o u n t r y , w ew i l ls t i l lh a v eal o n gt i m et ou s et h ec o a la st h em a i nm o d e l ，a n di t i sb o u n dt o a f f e c tt h em o v e m e mo fs u r f a c er o c k s ，w h i c hl e dt ot h ec o l l a p s eo fm i n i n gs u r f a c e s ot h er e s e a r c ho ft h el a wo fm i n i n gs u b s i d e n c ef o rb o t hr a i s i n go fp e o p l e sl i v e sa n d e x p l o i t i n go fn a t i o n a le c o n o m y h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e 1 or e d u c en l el o s sc a u s e db yl a wo fm i n i n gs u b s i d e n c e ，l a wa n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo f m i n i n gs u b s i d e n c em u s tb ed o n ei no r d e rt of o r e c a s tc o r r e c t l yt h ef o r t h c o m i n gs u b s i d e n c e s i t u a t i o na n de v a l u a t e dr i g h t l yt h ei n f l u e n c eo fd e s t r o y e de n v i r o n m e n ti nt h em i n i n gc o u r s e a tm es a m et i m e ，y o uc a nm a k ear i g h ta s s e s s m e mo ft h ee n v i r o n m e n tw h i c hc a u s e db yt h e m i n i n gs u b s i d e n c ed a m a g e i nt h em i n i n gp r o c e s s ，y o uc a n d oav a r i e t yo fm e a n st h r o u g ht h e m o 血o rm ea v a i l a b l ei n f o r m a t i o no r m a k ea p p r o p r i a t ea d j u s t m e n tt ot a k ea p p r o p r i a t e m e a s u r e st or e d u c et h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to fm i n i n g t h e s ef o r e c a s t sa r et h em e a n sa n d m e t h o d st os u p p o r td e c i s i o n m a k i n gs h o u l dn o to n l yb ea b l et om i n er e a l - t i m ec h a n g e si na c o m b i n a t i o no fm i n i n gs u b s i d e n c e ，b u ta l s ow i t hi t sc o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n to fd i s a s t e r a s s e s s m e n ta n dc o o r d i n a t i o n i i lt l l el a s ts e v e r a ld e c a d e s ，ap e r f e c tt h e o r ya b o u tm i n i n gs u b s i d e n c eh a sf o r m e di nt h e s e a s p e c t s a n dt h ec o m p u t e rs o f ta b o u tt h e s ea s p e c t sh a sa c h i e v e ds u c ha sm i n i n gs u b s i d e n c e f o r e c a s t i n ga n dl a ws t u d y i n ga n ds oo n h o w e v e r , a l ls o f tp r o d u c t s d o n tc o m b i n ew i t h a v m l a b l ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mh a sw i d e l yu s e di nm a n yb u s i n e s s ，i ti sn o te n o u g h i nt h es t u d yo fm i n i n gs u b s i d e n c e t h en a t i v ea d v a n t a g e so fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m w i l lg r e a t l yi m p r o v et h ef u n c t i o no fm i n i n gs u b s i d e n c es o f t k e yw o r d s ：m i n i n gs u b s i d e n c e c u r ed r a w i n g g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m v i s u a lb a s i c t h e s i s：t h e o r e t i c a lr e s e a r c h 要料技丈学 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t 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：到闺老、日期：1 矿，7 ， 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问 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。 学位论文作者筹名：到l 虱志 指导教师 於 莎月7e t l 1 绪论 1 绪论 1 1 论文的研究意义 矿山开采破坏了岩体内部原有的力学平衡状态，使岩层位移、变形，使岩体的完整 性受到破坏。当开采的面积达到一定范围之后，起始于采场附近的移动和破坏、将扩展 到地表。由于矿山地下开采引起的岩层与地表移动问题，叫做矿山岩层与地表移动。地 表移动有时叫做地表沉陷。 矿山开采的实践表明，在大多数情况下，矿山地表移动会造成极大危害。当前，这 些问题还远远没有得到完满地解决。 据文献记载，地表移动问题很早已被人们所注意。在采矿业的历史上早就有预防开 采有害影响的法律性措施【5 3 1 。 早在十五、六世纪，在比利时曾经公布一项法令，对由于开采从而破坏供列日城用 水的含水层者处以死刑。并规定：在列日城下开采时，开采深度应大于1 0 0 米。到本世 纪初以前，由于缺乏矿山地表沉陷的知识造成铁路、房屋破坏及井下透水而死亡的惨案 是不少的。 1 8 9 7 年，德国的陶德曼矿山管理局在备忘录中记载：1 8 7 5 年在约汉载梅尔矿，由 于地表塌陷使铁路的钢轨悬空。 据1 8 9 5 年的德国“幸福”杂志记载，在波希米亚的柏留克城发生了地下开采危及地 面的严重事件。地面的突然崩塌曾毁坏了三十一所房屋，严重破坏的达三十五所；当时 地表下沉1 5 米。造成这种严重事件的原因是开采煤层的厚度大( 2 8 3 0 米) ，采深小于 1 0 0 米。以及此处有厚流砂层，开采后引起流砂溃入井下，引起了地表的崩塌。 在水体( 河流、湖泊、含水砂岩等) 下采煤时，有时会造成井淹事故。如1 9 1 6 年日本 在海底下采煤时，发生了重大伤亡事故。当时开采两个煤层，开采工作离开海岸1 2 公 里，在煤层上面覆盖有4 7 米厚的砂岩，再上面是厚2 5 米的冲积层和粘土层，同时在四 个矿井采煤。溃决发生在离岸边相当远的地方。由于上覆岩层中有构造裂缝，地下开采 后，这个裂缝受开采影响产生移动而裂开。海水沿裂缝溃入井下，两小时内淹没了矿井， 死亡2 3 7 人。 类似于上面所列举的事例是很多的。这足以说明地表沉陷给人们带来的危害。开采 地下资源引起的地表移动( 沉陷) 问题越来越受到人们的关注。地下采矿引起地表沉陷， 严重的还会危及人民生命财产的安全。开采沉陷的研究对国民经济的发展和人民生活的 提高都有着重要的意义。 为了进行现代化建设，需要开采大量的有用矿物，但是开采这些有用矿物产生的开 西安科技大学硕士学位论文 采沉陷，又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 和人民生活的提高。要解决好这个矛盾，只有依靠对开采沉陷的深入研究。仅仅从我国 “三下”( 建筑物下、水体下和铁路下) 压煤的情况来看，就可以显示出开采沉陷研究的重 要性；据1 9 8 2 年底的不完全统计，我国生产矿井“三下”压煤量总计达到1 3 3 4 8 亿吨， 其中建筑物下7 8 1 8 亿吨、水体下( 包括承压灰岩水下3 6 3 9 亿吨、铁路下1 8 9 l 亿吨。 如果通过开采沉陷的研究，能将我国“三下”压煤哪怕只“解放”出来一半，就可供6 6 个年 产1 0 0 万吨的大型矿井生产1 0 0 年。但是，到目前为止，我国从“三下”采出的煤炭尚不 足7 亿吨，只占整个“三下”压煤量的5 左右。由此可见，开采沉陷的研究现状还远远 不能满足生产和我国现代化建设的需要。 随着煤矿生产规模的扩大和强度的提高，开采建筑物下、铁路下压煤的必要性更加 突出。在解决这类问题时，总是要提出问题：地下煤层采出后上覆岩层和地表将发生的 移动和变形的范围和程度有多大，它将给各类建筑物带来多大的危害和影响。为此，就 需要根据已知的地质采矿条件在开采之前预先计算出地表可能产生的移动和变形。这就 是所谓的地表移动预计，或称地表移动计算及估算。 1 2 开采沉陷理论研究存在的问题及展望 目前主要应用概率积分法作为理论基础进行预计。概率积分法预计的误差对于不同 采矿地质条件下均有一定的误差，在复杂采矿地质条件下其误差相对较大，一般移动值 最大误差在1 0 3 0 左右，变形值晟大误差在2 0 8 0 范围，在山区地表条件下有时会 更大。其原因在于： 概率积分法是以随机介质理论为基础，依赖于统计观测获得的综合理论参数，理 论预计参数的选择决定它的精确度； 概率积分法预计在我国目前应用的是直角坐标系统模型，要求预计的开采范围为 矩形，煤层与地表的变化( 采高、采深、煤层倾角、地形变化) 较小，无大的地质构造与 断层，它的应用局限性很大。 当覆岩中存在控制地表移动变形的关键层时，地表移动变形的破坏速率与随机介 质理论差异很大，地表沉陷活动周期的变化也很大。 综合国内开发的矿山开采地表移动预计软件情况，在地表移动预计软件方面，主要 存在以下不足： 在进行工作面开采影响预计时，一般都是以工作面走向和倾向的左下角为坐标原 点的坐标系统进行预计数据准备，这样使得在进行多工作面开采预计时，即使是同一预 计线也需要分别对每个工作面进行数据准备，从而使准备数据的工作量加大，计算出的 结果由于坐标系不统一而不易与矿图结合； 在非矩形工作面开采影响预计时，一般采用将工作面划分成若干个近似矩形，最 2 1 绪论 后将预计结果进行叠加的方法，这种处理方法使得第一种不足更加明显，并且预计结果 误差更大； 没有考虑多线段预计问题； 没有使用可视化编程语言开发，只能在d o s 模式下运行，应用界面不友好，操 作困难，数据准备和输入工作繁琐，输入格式要求严格，易出错，没有完整的说明书或 开发人员的指导，使用十分困难，因而大多数只是内部使用，很难推广应用； 没有独立的图形处理部分，输入数据的错误检查困难，预计结果只能输出计算数 据，结果查看不直观，图形输出只能靠a u t o c a d 或s u r f e r 等制图软件完成； 没有采用面向对象的编程技术，不能使程序代码重载和继承，代码复用率低，且 不利于软件的升级和程序代码的重复利用。 岩层移动计算应向着自动化、智能化、复杂化和直观化方向发展。在自动化方面， 可以根据已有观测资料反求参数、计算不同采矿方案下的地表移动变形；在智能化方面， 根据计算理论和专家经验设计的专家系统可以辅助决策；在复杂化方面，不仅能对倾斜 煤层、岩层内部进行计算，而且对复杂地质条件( 如有断层) 下的移动变形也能计算，同 时还能给出应力分析的结果；在直观化方面，计算结果能直接以曲线图甚至三维图的方 式给出，十分直观，一目了然5 4 】1 5 9 1 。 1 3 变形监测的内容与分类 1 3 1 变形监测的内容与分类 所谓变形监测，就是利用测量与专用仪器和方法，在变形影响范围以外的区域设置 稳定的测量基准点，在变形体上设置被观测的测量标志，从基点出发，定期地测量观测 点相对于基准点的变化量，从历次观测成果比较中了解变形随时间发展情况的工作。 变形监测的主要任务是确定在各种荷载和外力作用下，变形体的形状、大小及位置 变化的空间状态和时间特征。变形监测工作是人们通过变形现象获得科学认识、检验理 论和假设的必要手段p j 。 变形体的变形状态和变形量，一般都要用变形体上离散的特征点( 目标点) 的位移状 态和位移量具体、细致的表示出来。静态变形指的是变形体的变形无明显的趋势且变形 很缓慢，变形量只是时间的函数。运动态变形指的是目标点存在着明显的运动速度且有 一定的加速度，只涉及运动状态，不涉及引起运动( 变形) 的作用力。动态的变形不仅要 研究目标点的运动状态，而且要研究引起这种运动状态的作用力和作用机理1 4 j 。 变形体的范畴可以大到整个地球，小到一个工程建( 构) 住屋的块体，包括自然和 人工的构筑物。根据变形体的研究范围，变形监测的主要内容可划分为3 类： 全球性变形研究，一般是通过现代空间测量技术测定。如监测全球板块运动、地 3 西安科技大学硕士学位论文 基移动、地球自转速率变化、地潮等。 区域性变形研究，研究地壳板块范围内变形状态和板块交界处地壳相对运动的区 域性变形【_ 7 1 ，如地壳变形监测、城市地面沉降等。 前者一般从定期复测国家控制网的资料获得，而后者需要建立专门的监测网进行监 测； 工程和局部性变形研究，如监测工程建筑物的三维变形、滑坡体的滑动，以及采 矿、采油和抽取地下水等人为因素造成的地表移动和下沉等。 在精密工程测量中，最具有代表性的变形体有大坝、桥梁、矿区、高层( 耸) 建筑物、 防护堤、边坡、隧道、地铁、地表沉降等。 变形监测按相对于变形体的空间位置分为外部变形监测和内部变形监测。外部变形 监测主要是测量变形体在空间三维几何形态上的变化，普遍使用的是常规测量仪器( 如 水准仪、经纬仪、测距仪、全站仪等) 和摄影测量设备，这种测量手段技术成熟，通用 性好，精度高，能提供变形体整体的变形信息，但野外工作量大，不容易实现连续监测 i6 | 。目前随着新的测量仪器的出现，实现了测量全自动化，大大减轻了观测人员的工作 量，提高了外部变形监测的能力。内部变形监测主要是采用各种专用仪器，对变形体结 构内部的应变、应力、温度、渗压、土压力、孔隙压力以及伸缩缝开合等项目进行观测， 这种测量手段容易实现连续、自动的监测，长距离遥控遥测，精度也高，但只能提供局 部的变形信息【引。虽然变形监测的数据获取可采用不同的手段，但在进行变形监测数据 处理，特别是进行变形的物理解释和预测预报时，必须将外、内部观测资料结合起来分 析。 1 3 2 变形监测的目的和意义 变形观测的一个重要目的在于实际应用，即检查各种工程建筑物和地质构造的稳定 性，对变形进行几何分析，掌握规律、预测、预报变形，达到安全运营之目的。据有 关资料介绍，长江三峡地区曾进行了大面积的变形观测。1 9 8 4 年，根据观测结果，对可 能发生的滑坡做了正确的预报，使滑体上万余居民在滑体滑坡发生前一周撤离，避免了 一场灾难的发生。 变形观测的另外一个重要目的是科学研究，对变形进行物理解释，验证工程建筑物 的设计理论以及地壳运动的假说，改进工程建筑物设计，建立正确的预报变形的理论和 方法。像地震的监测既要在断层附近建立监测网，测定长期应变累计形式和速率，以及 地震前两个星期至半年的变化。也要设置跨越断层的固定的连续监测系统，以便发现地 震前短期征兆( 震前几分钟只几天内) 。关于这方面的研究，我国己积累了许多经验： 又如，矿山采空区地表移动观测工作，可以根据开采范围、开采深度、开采方法以及地 质构造，预测地表沉陷范围、深度、时间和对建筑物的破坏程度，以便在沉陷发生前采 4 1 绪论 取相应的措施，避免和减少损失。矿山开采地表沉陷的研究取得的许多成果，在矿山生 产方面起到了积极的作用。 由上综述，可见变形监测的重要性。它不仅在我们实际的应用上给以及时的必要的 信息，并加以发现问题并采取措施为，而且在我们的科学理论研究上，是我们更好的理 解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计以及建立有 效地变形预报模型。 1 4 矿区开采沉陷的研究背景及意义 矿区开采沉陷作为变形监测的一个重要内容，在当今已成为一个不容忽视的严重问 题。特别是对我国来说，在以后的很长时期内仍要以煤炭为主，矿区的大量开采，势必 会影响到地表岩层的移动，对矿区开采沉陷的研究更具有实际和理论价值。 能源是社会和经济发展的重要物质基础，能源的开发、利用与社会和经济的发展密不 可分。我国是一个以煤为主的能源生产和消费大国，在一次能源生产和消费构成中煤炭 始终占7 0 左右。据专家预测，我国的煤炭在5 0 - - , 6 0 年以内的需求很难改变。煤矿能否 安全生产可以说是构建和谐社会的重要经济基础，煤矿安全生产可以当作社会和谐与否 的重要标志之一p 1 。 在煤炭开采过程中，不可避免的会造成地表沉陷、煤矸石的堆放、毁坏一些土地等， 尤其是开采后地表沉陷对矿区环境将造成极大的破坏。它直接导致矿区地表耕地减少、 农田减产、平地积水道路裂缝、房屋倒塌等灾难性后果。据统计，1 9 9 1 - 2 0 0 0 年我国每年 新增塌陷土地面积0 1 5 万顷，1 0 年累计将达1 5 万顷；2 0 0 0 年以后，采煤塌陷地还将以每年 4 巧速度递增i l o l 。 矿区开采沉陷不仅是我国耕地减少的重要原因，也是制约矿山生产的瓶颈之一【l 。 这些不仅直接波及到这个矿区的经济发展，而且对于我国的可持续发展产生很大的 影响。针对这种严峻的局面，为了能最大限度的减少由于开采沉陷而造成的损失，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，对开采将造成的环境 破坏作正确的影响评价；在采动过程中能够随时根据各种监测手段得到的资料对开采方 案作适当的调整或者采取适当的措施降低开采对环境的影响。这些预测手段和辅助决策 方法不仅要能够和矿区实时的开采沉陷变化相结合，而且还要同它的灾害评估及综合治 理相协调。基于此，作者认为采用准确合适的预测预报模型，利用先进的数据采集和处理 手段，运用可视化的表达与智能型的分析方法来体化地考虑和解决这一问题具有较强 的现实性和可行性。基于以上考虑，结合本专业理论知识和市场主要软件的功能，开发 了矿区开采沉陷系统。 5 西安科技大学硕士学位论文 1 5 本文研究的技术思想及内容 矿区开采沉陷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 研究一方面着重于开采沉陷的理论研究；另一方面着重于开采沉陷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，开发矿区开采沉陷预计系统，最后， 将这一系统应用到鲁能集团德源府谷三道沟煤矿0 3 5 1 0 1 采区的地表移动预计中，并与 实测数据结果进行比较和分析，从而证明这一系统的精确度与实用性。 6 2 开采沉陷控制及研究现状 2 开采沉陷控制及研究现状 2 1 开采沉陷的基本概念及现状 2 1 1 开采沉陷的概念 煤炭从地下被开采出来后，原始应力状态遭到破坏，导致应力重新分布，从而达到 新的平衡状态。在此过程中，岩体产生下沉、变形、移动，向上波及地表，形成地表移 动盆地，从而对地物造成破坏，这就是开采沉陷。 2 1 2 影响开采沉陷的因素 开采沉陷的分布规律取决于地质和采矿因素的综合影响。这些地质和采矿因素中， 一类是人们无法对其产生影响的，称为自然地质因素；另一类为采矿技术因素。自然地质 因素包括煤层厚度、倾角、埋藏厚度、松散层厚度、构造因素、物理力学和化学性质等： 采矿技术因素包括采出煤量、采空区的位置、开采厚度、巷道尺寸、开采方法、顶板管 理方法、开采系统、工作面推进速度、选择开采等。 2 1 3 开采沉陷的危害 矿山开采沉陷造成地表下沉而带来一系列灾难性的后果，如平地积水、农田减产、 道路裂缝、房屋倒塌等，不仅是耕地减少的重要原因，也是制约矿山生产的瓶颈之一。 开采沉陷造成诸多的灾难性后果，如破坏耕地、果园、森林、草地、地表水和地下 水，导致土地荒芜、沙化、盐碱化，矿山生态环境严重恶化。所以，就破坏矿区生态环 境而言，从全国范围看，每年矿山地质沉陷灾害的总体损失不亚于一次地震或洪水。 2 1 4 我国开采沉陷的现状 我国现有矿山企业几万家，年采矿总量约2 0 多亿吨。在各种矿产中，煤炭的产量 比例最大。在各类矿山中，井下开采又是最主要的方式。据调查测算，井下开采每万吨 原煤造成的土地塌陷在0 8 8 亩之间，平均为2 3 亩。按我国原煤产量推算，每年仅采 煤行业导致的土地塌陷即达4 0 万亩。据不完全统计，我国因采矿业造成的地面塌陷面 积已达5 0 0 万6 0 0 万亩，其中耕地为1 3 0 万亩，这对于土地资源本来就十分紧缺的中国 无疑是一个重要的社会和生态问题。 与我国经济发展长期存在的东强西弱状态相对应，采矿业也是东强西弱。而东部地 又恰恰是城镇密布、村落集中、人口稠密，所以地面塌陷所带来的灾害性后果更显突出。 7 西安科技大学硕士学位论文 这种经济格局也决定了东部地区是矿山沉陷的重灾区。以煤矿为例，我国现有统配煤矿 和地方煤矿数千家，东、中部地区约占7 0 ，东部地区的许多市镇都是以采煤业为础工 业逐步发展起来的，如鸡西、鹤岗等。这些市镇都存在着矿山沉陷问题。华东的淮北矿 区，从投产之年至2 0 0 0 年，塌毁农田累计达1 0 万余亩，其中常年积水的占3 8 。由于 历史原因，许多矿区地上城市、建筑与地下开采活动缺少统一规划，城市往往围绕矿井 自由发展，新老采区的地表不断下沉，致使地面城镇建筑、管线等遭到不断的、严的损 坏。不少重灾区城市多次搬迁、重新投资建设。 2 2 开采沉陷预计的基本概念及研究现状 2 2 1 开采沉陷预计的基本概念 对一个计划进行开采的矿井，在开采之前，根据其地质采矿条件和选用的预计函数、 参数，预先计算出受此开采影响的岩层和地表的移动和变形的工作，称为开采沉陷预计， 也称岩层和地表移动预计。 开采沉陷预计时用到的地质采矿条件有：煤层的法向开采厚度，也就是采高( m ) ，煤 层倾角a ，采空区下山边界、上山边界、走向主断面上的和平均的开采深度h l 、h 2 、h 、 h 0 ，采空区走向长d 3 、倾向斜长d l ，顶板管理方法，上覆岩层的性质，工作面形状和 工作面推进进度等。 2 2 2 开采沉陷预计的内容 根据预计的要求，保护对象的空间位置和开采矿层的情况，预计可以包括下列内容 中的一项或几项： 最大值预计：预计地表或岩体内指定部位的下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平 变形的最大值及其出现的位置； 主断面上的移动和变形预计：预计地表沿下沉盆地的走向和倾向主断面的移动和 变形分布； 地表任意点移动变形值预计：预计地表下沉盆地内任一点的下沉值及该点沿指定 方向的倾斜、曲率、水平移动、水平变形、扭曲和剪应变值。 岩体内任意点及变形值预计：预计受开采影响的岩体内任意点的移动和变形值。 多工作面和多煤层开采时岩层和地表移动变形预计：此时地表或岩体内任意点可 能受到重复开采的影响，预计时应考虑所有影响的总和。 2 2 3 开采沉陷预计理论的研究现状 ( 1 ) 开采沉陷的连续介质理论 8 2 开采沉陷控制及研究现状 利用塑性力学理论对岩层移动进行了分析，以理论计算结果为指导建立了地表移 动变形的计算方法。 利用弹性基础梁理论得出了波动性的下沉剖面。 将整个岩体视为均质线弹性体，分为平面各向同性、平面横观各向同性及空间问 题进行了分析。 三维直接边界积分法。三维直接边界积分法是依据弹性物理学上的边界积分法原 理建立并延展的。在弹性力学中有一个功的互等定理，即弹性体在两组不同的力系作用 下处于平衡状态时，则第一组力系在由第二组所产生的位移上所做的功a 1 2 等于第二组 力系在有第一组力系所产生的位移上所做的功a 2 1 。即： rr f ( k l 2 + 6 1 1 | 曩2 + 5 2 1 如2 ) d s = f ( k 2 h l + 5 1 2 弘。1 - ! - 疋2 也量) d s jj 提出了更为一般的线弹性分析原理一面元原理，即 w ( x ，y ) - js ( x , y ) f ( p z ) d a 式中：s ( x ，y ) 为顶底板闭合的分布，f ( p z ) 为影响函数a 为开采面积。这一理论为 采影响的先进的变换形式。 将覆岩看成是横观各向同性，纵观各向异性，同一层内各向同性的弹性层体接触， 求出了开采沉陷的位移和应变公式。该理论反应了地表移动是由开采空间逐层传递至地 表的。 半解析数值方法充分吸取了有限单元法和解析计算方法的优点，如能解决岩体力 学参数的求取问题也是一种非常成功的以连续介质理论为基础的开采沉陷计算方法。 中外学者逐渐认识到岩体结构的控制作用及强度结构对岩体力学性质的影响， 对开采沉陷岩体结构效应作了专题研究。该研究应用了损伤力学原理、相似材料模 拟和有限元计算等理论和方法，研究了节理对岩层及地表移动变形的关系，得出了一些 定性和定量的结论。同时提出了“层面滑移的多层岩梁模型”。 目前，国内外广泛使用的弹性体及粘弹塑性有限元、边界元和半解析等数值方法也 都是建立在连续介质理论上的计算方法。 ( 2 ) 开采沉陷预计的非连续介质理论 用于开采沉陷计算的非连续介质理论中最有成效的是随机介质理论，在我国发展 成概率积分法。经过我国开采沉陷工作者近半个世纪的研究，目前己成为我国应用最广 泛的开采沉陷计算方法之一。 将岩体看作由椭圆形介质点所构成的具有抗压和抗剪能力，而抗剪能力较小 的松散介质，在求解双层岩体问题时得出了缓倾斜煤层开采的下沉剖面方程。 将岩体假设为由采动破坏引起的、原生的节理及裂隙等分割的不连续介质，可以 用碎块体模型描述；岩体是各向异性的、非均质的、不连续的；承认“叠加原理“。仿照随 9 西安科技大学硕士学位论文 机介质理论的分析方法，得到地表移动变形计算的威布尔分布法，该方程可描述不对称 移动盆地。 模糊概率理论应用于开采沉陷的研究。因采动引起的地面塌陷即开采沉陷问题是 多种地质采矿因素的综合表现，而每种因素都以不同的程度和方式影响着地表的开采沉 陷。因此，可以把地下开采引起的地表下沉问题看成一个模糊事件，采用模糊数学中的 模糊概率理论进行求解。 引入了孔隙扩散和空源等概念，建立孔隙扩散微分方程，并初步研究了该方程在 开采沉陷中的应用，是随机介质理论的发展和补充。 离散单元法也是非连续介质理论应用于岩层与地表移动规律研究的重要数值分 析手段。 基于数值流形方法的非连续变形分析。有限覆盖技术是在流形分析中经常采用的 方法，在数值计算中很少有人采用。这一方法是首次采用现代数学一流形于数值分析中， 它用流形的覆盖技术，建立了有限元、非连续变形分析方法和解析方法包含在内的一种 全新的统一计算方法，有着深远的发展前景和应用价值，被誉为2 1 世纪的新一代方法， 受到理论界和工程界的关注和欢迎。此方法可解决开采沉陷的分连续变形问题。但至今 尚未见国内外将此法应用于开采沉陷领域的相关文献l l 5 j ( 3 ) 开采沉陷研究发展概况【1 6 1 - 【2 0 j 有关采空区问题的研究，国内外主要是在煤炭、冶金、军事和交通等部门进行的。 针对开采沉陷及“三下”采煤技术，国内外均进行了大量研究，形成了矿山开采沉陷学等 学科。 1 8 3 8 年，比利时工程师哥诺特经过对列日城下开采沉陷的调查提出了开采沉陷的第 一个理论“垂线理论”，随后g o n o t 又以实测资料为基础提出“法线理论”，认为采空区上 下边界开采影响范围可用相应的层面法线确定。 法国人裴约尔于1 8 8 5 年提出了“拱形理论”。后来，史米茨，凯因霍尔斯特、巴尔 斯等人相继研究了开采影响的作用面积及分带，提出了连续影响分布的影响函数，为影 响函数法奠定了基础。 1 9 4 7 年，前苏联学者阿维尔申利用塑性理论对开采沉陷进行了细致的理论分析，并 结合经验方法建立了地表下沉盆地剖面方程，该方程为指数函数形式，提出了水平移动 与地面倾斜成正比的著名观点。 1 9 5 4 年，波兰学者李特维尼申提出了开采沉陷的随机介质理论。该理论把岩层移动 过程视为一个随机过程，推证下沉服从柯尔莫哥罗夫方程，把开采沉陷理论的研究提高 到了一个新的阶段。 ( 4 ) 开采沉陷的研究现状 现有的开采沉陷理论研究方法基本上可以分成三个大的类别。第一类是唯象学研究 1 0 2 开采沉陷控制及研究现状 方法。它是从地表移动观测入手，将地表描述与地质采矿因素联系起来，在大量的地表 观测的基础上，用统计学方法来描述岩层与地表移动变形。如概率积分法、典型曲线法、 剖面函数法等。由于以地表移动为研究对象，计算中的参数没有明确的物理意义，所以 不能很好的解释岩层地表移动的力学本质。 第二类是力学研究方法。利用力学原理和方法( 材料力学方法，结构力学方法，弹 塑性力学方法，粘弹性力学方法等) ，假定岩体为连续介质，将岩体简化为等效力学模 型，以连续介质力学理论研究岩体的力学行为。因能考虑岩体的固有属性，能够反映岩 体的破坏状态，应用较为广泛，研究人员提出了多种用于此类研究的力学模型。这些模 型中的参数物理、力学意义明确，概念清晰，因而可以从力学本质上对岩层与地表的移 动作出解释。但是，由于实际的开采过程中地质条件复杂( 如岩石节理、裂隙、断层和 其它的地质不连续面的存在) ，工程影响因素也较多，目前还没有一种能够对各种条件 都普遍适用的计算岩层移动性态的完善力学模型。 第三类是数值模拟分析方法。随着大容量、高速度的计算机的出现，尤其是功能强、 速度快的工程数值分析软件的研究开发，数值模拟分析方法已经广泛地应用于地下岩层 移动的模拟分析及采空区地表变形的预测等方面。 总结下来，开采沉陷预计的计算方法为以下三类： 按计算手段分为：解析法；图解法；电子计算机法。 按计算时采用的函数分为：剖面函数法：影响函数法。 按建立计算方法的途径分为三类：经验方法；分布函数法：理论模型法 2 3 开采沉陷损害的控制方法 1 9 世纪以来，欧洲工业快速发展，有用矿产的需求量迅速增加，与此同时，围绕大 矿区形成了许多巨大的工业中心，如德国鲁尔煤田，新矿井不断兴建，波兰西里西亚煤 田等，相应地“三下”压煤量也不断增多，西里西亚煤田压煤量就达可采量的5 8 以上， 压煤及开采沉陷问题成了制约矿区发展的重大障碍。二次大战以后，欧洲学者重新集中 力量研究开采沉陷损害及控制问题，其中波兰学者和工程技术人员取得了引人注目的成 果。6 0 年代以来，相继成功地开采多个大城市下的压煤，近年来平均每年从建筑物下采 出的煤量占全国年产的4 0 5 2 。俄罗斯也是一个从事“三下”采煤历史悠久的国家，平 均每年从建筑物下采出5 0 0 0 万吨以上煤炭，并相应颁布了3 0 余部规程和规范。 我国从5 0 年代开始进行沉陷损害及控制方法的研究，开滦、淮南矿区在唐山煤矿 研究院的协助下，首先建立了一批岩移观测工作站，开始了我国的压煤开采沉陷研究和 损害防治工作。到目前为止我国已有1 0 0 多个矿，2 0 0 0 多个工作面开采了“三下”压煤。 据不完全统计自建国到1 9 8 2 年从“三下”共采出5 9 5 m t 煤炭，平均每年采出1 4 m t 。1 9 8 5 年制定出版了建筑物下、水体下、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程，标志 西安科技大学硕士学位论文 着我国开采沉陷损害控制研究达到了一定的水平。 目前，沉陷损害的控制方法主要是从控制沉陷即控制地表下沉、变形和水平移动上 着手，结合对部分建构筑物的工程加固和维修。这些措施中既有从井下考虑，也有从井 上地表着手的。 1 2 3 系统的总体设计 3 系统的总体设计 开采沉陷系统是煤矿地理信息系统( m g i s ) e 尸的一个有机组成部分【2 1 1 。它对开采沉陷 的理论研究和生产实践都有重要的价值。利用该系统获得的结果可以定量地研究受开采 影响的岩层与地表移动在时间上和空间上的分布规律。预测所得的结果常用来判别建筑 受开采的影响程度及如何采取相应的预防、保护和维修措施：判断铁路、水体下采矿的可 行性及采取相应的技术手段；全面掌握矿区土地的塌陷情况，以便开展矿区土地复垦，保 护矿区生态环境。准确可靠的模拟可以有效、经济地进行采矿生产和矿区生态保护捌。 3 1 系统结构设计 系统设计要求满足三个基本条件，即加强系统的实用性、降低系统开发和应用的成 本、提高系统的生命周期，因此，要改进软件的设计方法，使得在系统设计过程中产生 的错误能及时得到改正。 3 1 1 总体设计的目标 系统总体设计的目标是一个优化的变形监测信息系统。一个优化的监测系统必须具 有运行效率高、可变性强、控制性能好等特点。要提高系统的运行效率，并尽量采用经 优化的数据处理方法。为了提高系统的可变性，最有效的方法是采用模块化的结构设计 方法，即先将整个系统看成一个整体，然后按功能逐步分解为若干个子模块，一个模块 只执行一种功能。 总体设计要根据系统研制的目标来规划系统的规模和确定系统的各个组成部分，并 说明它们在整个系统中的作用，以及确定系统的硬件配置，规定系统采用的合适技术规 范，以保证系统总体目标的实现。 3 1 2 总体设计的步骤 由系统设计人员来设计系统，就是根据若干规定和需求，设计出功能符合要求的系 统。一个系统最基本的模型框架一般由数据输入、数据输出、数据管理、数据分析四部 分组成，但随着具体开发项目的不同，在系统设计方面都有很多的差异，因此，设计人 员开发时要遵循一定的步骤： 根据用户需要，确定系统工程要做到哪些工作，形成系统的逻辑模型。 将系统分解为一组模块，各个模块分别满足所提出的需求。 将分解出来的模块，按照是否能满足正常的需求进行分类。对不能满足正常需求 的模块需要进行一步调查研究，以确定是否能有效的进行开发。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 制定工作计划，开发有关的模块，并对各个模块进行一致性的测试，以及系统的 最后运行。 3 2 系统设计原则 开采沉陷信息系统设计的好坏将直接影响到变形监测的速度和效率，甚至可能严重 的威胁到矿山的安全生产。所以对开采沉陷信息系统的设计应该引起足够的重视。 本章主要讨论矿区开采沉陷信息系统的总体设计。开采沉陷观测方法种类繁多，测 点很多，观测周期长，因而监测资料内容多而复杂，数据量十分巨大，用手工处理显得 非常繁琐、低效，甚至越来越变得不可能。在电子计算机技术飞速发展的今天，用计算 机建立变形监测数据库管理系统是十分必要的。 为了实现本系统的目标，最大限度地满足煤矿企业煤炭开采引起的地表沉陷信息， 高效、科学的管理需求，并有利于系统的进一步维护、扩充与扩展，在进行系统设计时 应遵循以下原则： 有效管理监测资料 矿区开采沉陷信息系统一般采用数据库管理系统( d b m s ) 关系监测资料。这些成 果资料大体包括：各基准点成果资料、各监测点的资料等。管理变形监测资料的数据库 应该能够方便有效的管理这些资料，并确保资料的可靠性和一致性。 确保资料的现势性 由于矿区变形监测资料数据量十分庞大，为了能及时、迅速地得知井下目前的变形 情况，变形监测信息系统必须不断修改、增加和删除大量内容，以保证监测资料的现势 性。 快速方便地处理和提取各类信息 矿区开采沉陷监测的最终目的是通过监测布设观测点各时刻的时空状态，从而为管 理者提供决策的科学依据。变形监测资料的数据量大，数据处理时间紧迫，而对决策者 有用的数据往往是经过一定加工和处理的数据和信息。为了能够对矿山变形做出迅速的 反应，信息系统应能方便、快速地为决策者提供各类信息。 较强的可扩充性、抗干扰性 变形监测信息系统应具有较强的可扩充性，这样随着时间的推移，当需要增加新的 功能或观测方案稍有改变时，不至于要对系统做大的修改。不能扩充或扩充性能差的信 息系统很快会失去作用。系统应当具有一定的抗干扰能力、容错能力和纠错能力，能够 保证系统在各种干扰条件一下正常运行。 3 3 系统开发的方式 一般来说，基于地理信息系统技术的软件有以下几种开发方式： 1 4 3 系统的总体设计 独立开发根据系统需要的功能，编写所有的程序。用这种方式建立的系统其各 组成部分之间的联系最为紧密、综合程度和操作效率最高。这是因为程序员可以对程序 的各个方面进行总体控制。但由于地理信息系统的复杂性，工作量是十分庞大的，开发 周期长，并且其稳定性和可靠性难以保证。地理信息系统发展初期一般采用这种方案， 但目前地理信息系统的开发已很少采用这种方案。 单纯二次开发目前，商业化的地理信息系统通用软件和d b m s ( d a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m ) 己经很成熟，模型库管理系统还在发展中，但模型分析软件仍很 多。编写接口程序把购买的现有软件结合起来，建成系统外壳。用这种方式开发系统外 壳的周期