（采矿工程专业论文）开采地面沉陷预测的模糊神经网络方法研究.pdf

开采地面沉陷预测的模糊神经网络方法研究 摘要 本文就开采地面沉 陷预测的模糊神经网络方法及其应用展 开 了如 下研 究 : ( 1 ) 研究了岩体的力学参数和开采 的几何参数对开采地面 沉陷的影响，确定了有重要影响的岩体力学参数和采场几何参 数 。 ( “ )将 模 糊 数 学 与 神 经 网 络 相 结 合 ， 建 幸 了 模 糊 神 经 网 络方法，探讨 了网络训练参数和隐含层神经员数对网洛收敛性 能的影 响 。 c 3 ) 对开采地面沉 陷预测 的模糊神经 网络方法和神经 网 络方法比较研究， 前者的精度 比后者 的精度提高 5 - 1 5 0%。同时 其收 敛速 度大 大提 高 。 ( 4 ) 应用开采地面沉 陷预测的模糊神经 网络方法对湖南 水 口山矿务局铅锌矿崖公塘采区的开采地面沉陷进行 了预测 ， 为该矿区采空区的处理及周围居民的搬迁提供 了科学依据。 关键 词 :模糊神经网络 人工神 经 网络 开采地面沉陷 模 糊数 学 s t u d i e s o f f u z z y n e u r a l ne t wo r k b a s e d ap p r o a c h f o r p r e d i c t i n g mi n i n g i n d u c e d s u r f a c e s u b s i d e n c e ab s t r a c t t h i s t h e s i s d e a l s w i t h t h e f u z z y n e u r a l n e t w o r k b a s e d a p p r o a c h f o r p r e d i c t i n g m i n i n g i n d u c e d s u r f a c e s u b s i d e n c e a n d i t s a p p l i c a t i o n . ( 1 ) t h e i n f l u e n c e o f t h e m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s o f r o c k m a s s a n d g e o m e tr i c a l p a r a m e t e r s o f s t o p e w a s a n a l y z e d o n m i n i n g i n d u c e d s u r f a c e s u b s i d e n c e . a n d t h e i m p o r t a n t p a r a m e t e r s o f t h e m , w h i c h h a v e s i g n i f i c a n t i n f l u e n c e o n m i n i n g i n d u c e d s u r f a c e s u b s i d e n c e , h a v e b e e n i d e n t i f i e d . ( 2 ) t h e f u z z y i n f e r e n c e t e c h n i q u e a n d t h e a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k w e r e u s e d t o e s t a b l i s h t h e f u z z y n e u r a l n e t w o r k b a s e d a p p r o a c h f o r p r e d i c t i n g m i n i n g i n d u c e d s u r f a c e s u b s i d e n c e . a n d t h e i n f l u e n c e p a r a m e t e r s f o r t r a i n i n g t h e n e t w o r k a n d t h e n u m b e r o f t h e n e u r o n s i n t h e h i d d e n l a y e r o n t h e c o n v e r g e n c e o f t h e n e t wo r k h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d . ( 3 ) a c o m p a r i s o n s t u d y w a s c o n d u c t e d b e t w e e n t h e f u z z y n e u r a l n e t w o r k b a s e d a p p r o a c h a n d t h e a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k . t h e f o r m e r h a s h i g h e r a c c u r a c y a n d h i g h e r c o n v e r g e n c e s p e e d t h a n t h e l a t e r . ( 4 ) t h e f u z z y n e u r a l n e t w o r k b a s e d a p p r o a c h f o r p r e d i c t i n g mi n i n g i n d u c e d s u r f a c e s u b s i d e n c e w a s u s e d t o p r e d i c t t h e m i n i n g i n d u c e s u b s i d e n c e i n y a g o n g t a n g m i n i n g a r e a i n l e a d a n d z i n c m i n e o f s h u i k o u s h a n b u r e a u o f mi n e s . t h e p r e d i c t i o n p r o v i d e s b a s i s f o r t h e t r e a t m e n t o f t h e u n d e r g r o u n d s t o p e s a n d t h e t r a n s f o r ma t i o n o f t h e r e s i d e n t s i n t h e a r e a . ke y wo r d s : f u z z y n e u r a l n e t w o r k mi n i n g i n d u c e d s u r f a c e s u b s i d e n c e f u z z y i n f e r e n c e ar t i f i c i a l n e u r a l n e t wo r k 2 0 0 0 级毕忠伟 南华大学硕士学位论文 第一章概述 1 . 1问题的提出 人类的命运与地球息息相关。 地球不但是人类产生和繁衍的 摇篮，而且是我们赖以生存的环境。人类几千年来发展生产力 和科学技术的不懈努力 ， 目的是为 了创造更高的生活水准和更 好的生活条件 。但是，人类在努力征服 自然的同时，又在有意 无意地破坏着与我们生命息息相关的环境。特别是近几十年来， 随着世界人口的快速增长和工农业的迅速发展 ，每年开采出的 煤炭和石油等能源 以及各种金属和非金属矿产 己经远远超过 了 1 0 0 亿吨 i 1 ，如果再加上夹运到地面的各种研石、废石、天然气 和地下水，数量就更加 巨大了。 矿 山开采必然 留下较大 的采空区，经历一段 时间后，这些 采空区顶部将发生 冒落，冒落发展到地面，必然 引起地面 的变 形和塌陷。 例如淮南煤田的分布面积达3 6 0 0 k m 2 ， 储量丰富，是 我国华 东地区的重要煤炭生产基地 。由于可采煤层多，开采强 度大，因而塌陷的范围广 ，塌陷幅度大，总塌陷面积达 1 0 万亩 以上，塌陷幅度达 4 - 1 9 . 8 m ，积水深度超过 1 5 m ，对于地面的村 庄和建筑物损坏严重 2 在一些城市，由于地下采矿，地面发生大面积沉陷，致使地 面建筑物遭到破坏，甚至迫使原有工厂搬迁。例如辽宁省本溪 市，因地下采煤 引起地面下沉，局部地段的沉陷达 3 - 4 m，造成 公用设施严重破损。采屯地区的供水系统因地面下沉造成直径 2 5 0 m m的配水管网出现断裂， 平均每年损坏 5 0 余 m。 直径 2 5 0 m m 以下的管线损坏情况更为严重，市 内 l o k m 内排水管网全部失 效 。地面建筑物 的破坏也很严重，本溪矿务局医院是一座二层 楼房， 建筑面积 4 2 4 0 m 2 ， 因不均匀下沉， 楼房两端高差达 3 6 0 m m, 楼房整体向南倾斜，楼的总长度缩短 2 4 2 m m，三次加固均未见 2 0 0 0 级毕忠伟 南华大学硕士学位论文 效，最后报废。市缝纫机厂厂房平均下沉 1 . 1 m ， 厂房倾斜开裂， 最大裂缝宽度达 3 0 0 m m。市食品厂厂房墙体多处开裂 ，最宽处 达 3 c m 。市陶瓷厂成型车间厂房的墙体开裂， 最 宽处达 5 c m。 市 机械工业学校 、市第三机床厂、市第六十一 中、二十 二中和采 西小学、采北俱乐部和矿工文化宫等都因地面下沉，遭到了破 坏 ，有的 己不能使用3 1 上述灾害显然是未对开采地面沉 陷作 出正确 的预测而造成 的。因此 ，研究开采地面沉 陷预测方法 ，是采矿工程领域涵须 开展的一项工作。 . z开采沉陷与土地破坏 1 . 2 . 1地面破坏的基本类型 地面移动盆地( 连续下沉) : 在开采波及地面后， 地面从原有 标高向下沉降，从而在采空区上方地面形成一个 比采空区面积 大很多的沉陷区。由于采深、采高 、覆岩岩性 的影响，这类移 动盆地的边缘位置 ( 最大水平变形位置 ) 常出现宽 0 .0 1 - 2 m ，长 1 - 4 0 0 m的裂缝。 在移动盆地形成的过程中， 改变 了原有的形态， 引起 了高低 、坡度及水平位置 的变化。因此，对于影响范围内 的道路、管路 、河渠 、建筑物、生态环境等，都带来不同程度 的影响。 在华东地区， 由于地下潜水位很高， 地面下沉 l m左右， 移动盆地 内便可积水 ，严重影响土地 的使用，造成矿区耕地 的 大量减少 。这种类型的地面下沉通常 出现在较软弱的非脆性岩 层覆盖下 的水平或缓倾斜薄矿体的开采中，如长壁法采煤或沉 积环境中形成的许多其他矿物矿床 ( 如硫矿床和蒸发盐矿床 ) 的开采 4 不连续下沉 :在有 限地面产生很大的不连续下沉 ，在下沉 剖面上表现为阶梯状变化或不连续间断面。这种类型的地面下 沉可 由多种采矿方法引起，也可能涉及到多种下沉机理。 2 0 0 0 级毕忠伟 南华人字取士学位论文 塌陷坑:一般是由于废弃的浅埋酮室顶板 的突然跨落造 成 的。美 国宾夕法尼亚北部无烟煤矿 区的大部分地面破坏均由是 这种类型。在英格兰5 ，一些老的煤矿、铁矿、隧石矿的旧坑铜 也造成了这类破坏 ( p i g g o t t 和e y n o n , 1 9 7 8 ) 0 矿柱破坏 :在埋深较浅的旧坑铜中发生的矿 柱破坏也可 以 导致类似于塌陷坑的不连续下沉地貌。这种破坏 可能是矿柱的 强度随着 时间而将低或地面 建筑物对矿 柱施加 附加荷载 的结 果。生产矿 山中大面积的矿柱破坏可能导致后果严重的地面大 面积 不连续下沉 。1 9 6 0年 1月 2 0 日在南非科尔布鲁克诺斯 c o a l b r o o k n o r t h )煤矿曾发生过一起这种类型的灾难性破坏 。 当时面积大约3 k m 2 左右的房柱法采区突然跨落，造成了4 3 7 人 死户6 筒状 、管状或漏斗状陷落 :筒状 、管状或漏斗状陷落涉及 的是无支护开采巷铜 的跨落逐渐 向上 发展 ，穿过上覆岩层直至 地面 的类型。地面下沉区域 的平面形状可能与最初的开采巷铜 的平面形状类似 。筒状 陷落可能在较软弱的上覆岩层中形成 7 ( 如赞 比亚的铜带) ，亦可在已崩落岩石中或在逐渐松散解体且 节理裂隙有规律发育的岩体 中发生。 目前 已知的筒状陷落可穿 过几百米高度向上传播而直透地面。 柱塞状下沉 :如果筒状陷落是突然发生而不是逐渐形成的， 就称这种下沉为柱塞状下沉。柱塞状下沉一般都受到岩脉或断 层等地质构造现象 的控制 。此时这些构造就提供 了其剪切强度 已在某些关键性 的采矿阶段丧 失殆尽 了的弱面。地下空气冲击 波一般是由于这种形式的沉降造成的。 筒状陷落:筒状陷落是 1 9 7 0年 9月 2 5 日 在穆富利拉 8 ( mu f u l i r a )矿发生，造成 了 8 9人死亡 。一个筒状陷落向上发 展 了大约 5 0 0 m， 将一个尾矿池与其下部的分段崩落法采场连通。 事故最具灾难性的后果是许多人丧失 了生命，另一个后果是该 矿大部分采 区不得不用混凝土隔墙加 以封闭。 2 0 0 0 级毕忠伟 南华大学硕士学位论文 山体滑移;这种局域性大位移 的地面破坏通常发生在 山地 矿 区工作面 的上方，是 由于地下开采引起山坡、陡崖下沉及稳 定性丧失而造成的。在雨季更易发生 ，有时遇上暴雨还会形成 泥石流。 仅山西省具有一定规模的滑坡己有 3 0 多处， 多在大同、 阳泉、轩岗和太原市郊的西 山矿区19 1 .塌陷坑b柱塞状下沉c 筒状陷 落 图 1 一 不连续下沉示意图 1 . 2 . 2 开采沉陷对土地的危害 矿 山开采沉陷除了表现为对地面建筑物和种植物的即时破 坏外，还表现为对土地资源的永久性的和难 以恢复的破坏。 劣化:开采沉陷破坏 了原有土地形态，使地面坑穴遍布， 裂隙纵横 ，无法进行农 田作业，不少农 田被迫弃耕，造成绝产。 以山西省来看 ，采煤塌陷造成 的弃耕绝产面积 为塌陷总面积的 1 % - 5 %，个别矿区可达7 % - 8 %1 0 1 . 贫瘩化:土地塌陷增大 了原地 面坡度，扰乱 了原来相对稳 定 的土壤结构，水、肥沿倾斜的地面流失和沿裂开的地缝漏失， 土壤肥力不断下 降，造成农作物不 断减少。据调查 ，被破坏的 早地，其产量比正常水平低 2 0 %- 3 0 % ;被破坏的水浇地，其产 量减少 5 0 %以上。 干旱化 :开采塌陷及其裂缝造成地面水源和地下含水层水 源 的漏失。据统计，山西有 1 8 0个县 的 5 3 0多个村庄、3 3 万居 民由于地下采煤造成饮水和用水严重短缺。如大同矿区，人均 水量只有全国人均 的 9 % ( 约为世界人均水量的 1 / 3 6 ) ，由于沉 陷疏干和人为矿井排水，使得本来就十分珍贵的地面水和地下 2 0 0 0 级毕忠伟南华大学硕士学位论文 水资源更加紧张。 随着世界各 国对 自然灾害危害性认识 的日益深刻和 “ 国际 减灾十年” 活动的深入开展 ，更由于开采沉 陷研究的重要性，各 国矿 山工程技术人员投入 了越来越 多的时间和技术装备来进行 此项研究。苏联 、波兰、联邦德国、澳大利亚、英国、加拿大、 日本、美 国等国家，对开采沉陷理论及地面移动理论都进行 了 深入的研究，并取得 了丰硕的成果 7 1 。但是，和生产发展及现 代化建设的要求相 比，目前的地面沉陷理论研究还显得很不够 。 这就要求我们在学习前人 经验 的基础上 ，不断探索，努力在开 采沉 陷的理论研究和应用技术开发方面多做工作，为国民经济 的发展 做 出 自己的贡献 。 1 . 3研究历史与现状 开采沉陷是矿 山， 特别是用空场法开采的老矿山所面临的一 大灾害【 1 2 。为了有效地预测地面沉陷，并根据预测结果采取相 应 的安全措施，将开采沉 陷可能带来 的损失减至最小。国内外 众多学者 己对这一问题开展了大量的研究。 早在十五世纪， 美国就 曾发生过 由于开采造成地面破坏而引 起诉讼 的事件。其后 ，欧洲一些 国家因地下开采发生破坏地面 建筑及城市供水的事件增多的事情，开始 出现了防止采矿工作 破坏地面的协定 。自从威斯特伐利亚洲1 3 的矿山测量工程师首 先在水平煤层条件下观测开采引起 的地面沉 陷，并第一次用观 测成果推求出地面下沉的有关因素开始，近 2 0 0年来 ，岩层与 地面移动研究人员经过长期不懈 的努力，利用多种研 究手段对 开采沉陷机理及地面移动规律进行 了深入研究，建立 了多种多 样的开采矿层地面沉 陷模型，形成 了各具特色的地面移动预测 理论和方法。根据系统论的观点和控制论过程辨识技术，可 以 认为建立开采沉陷模型有三种基本方法 :机理分析法 ( 即理论 2 0 0 0级毕忠伟南 华大 字 硕 士 学 位 论 文 建模或 “ 白箱”问题) ，它是通过分析过程的运动规律，运用一 些 已知的定律 、定理和原理来建立数学模型;测试法 ( 即辨识 建模或 “ 黑箱”问题) ，它是通过测量过程的输入输 出数据，利 用这些数据表现 出的过程特征来建立数学模型，常用的方法有 最小二乘法 、梯度校正法和极大似然法 ;综合法 ( 即 “ 灰箱” 问题) ，它是把理论建模和辨识建模两种方法结合起来使用，机 理 己知的部分采用理论建模方法 ，机理未知的部分采用辨识建 模方法 。开采沉陷模型的表现形式有:数学模型，它用数学结 构的形式来反映实际过程的特征;图表模型 ( 非参数模型) ，它 用 图形或表格 的形式来表现过程的特征 ;直觉模型，它是指过 程 的特征非解析的形式直接存储在人脑，靠人的直觉进行控制 和判断;物理模型，它是根据相似原理把实际过程缩小复制， 或是实际过程 的一种物理模拟 。根据开采沉陷的模型 ，对地面 沉 陷进行预测的方法也可以分为四类 :实测经验法 ，物理模拟 法 ，模型理论法，数值模拟法( 1 4 . 1 .3 . 1 实测经验法 在对地面移动观测站实测资料进行综合分析 的基础上建立 起经验公式，然后把这些预测关系式应用于类似地质采矿条件 下 的开采地面沉 陷预测 。通常，利用经验公式预测相近地质采 矿条件下的地面移动变形具有非常高的精度 ，下沉预报值的偏 差可控制在 1 0 %以内。我国常见的这类方法有剖面函数法、负 指数函数法 、双 曲函数法、典型 曲线法及威布尔法等 。以剖面 函数法为例简要介绍一下这类方法。 根据开采工作面形状， 剖面函数法利用公式或数表预测下沉 盆地指定断面的地面移动与变形值，通常指定的是沿工作面走 向或倾 向断面 。定义下沉盆地剖面函数为图表或数学表达式是 以实际经验为基础 ，剖面函数公式或诺漠图中常数都是根据当 地实测资料求取，并且这种预报 方法的复杂程度取决于所考虑 影响因素的多少 。最 简单的情况是仅仅考虑开采深度 的影响， 2 0 0 0级毕思伟用 华 r c 罕 以 工手 位 枯 又 而精确的预测方法应 当考虑其它有关的地质条件 。剖面函数法 的优点是使用方便、直观 ，利 用数学式子便于进行数学分析和 使用计算机解算 ，并且，利用较少 的实测资料就可以确定预报 公式中的参数值 ;而剖面函数法 的缺点是剖面函数不一定符合 实际下沉盆地形状，特别是预报地面变形值时可能出现较大的 偏差 ，并且，下沉盆地形状还可能取决于在剖面 函数中未考虑 到 的一 些 地质 采矿 条 件 的影 响 。另 外 ，该 法 通常 仅 适用 于矩 形 工作面条件。 由 b r a u n e r 和 k r a t z s c h f l s 1 ( 1 9 8 3 )给出了最具有代表性的 剖面函数，如图 ( 1 - 2 )所示。在图中，下沉函数基本关系式 w ( x ) = f ( w. , x , r ) 图 1 - 2 下沉剖面函数示意图 s 为 拐 点偏距 ，r 为主要 影 响半 径 。 1 . 3 .2物理模拟法 在世界上大多数国家，随着开采沉陷学科的进展， 对开采沉 陷的研究 已不仅仅是对地面 的移动、变形的分析 ，而是针对整 个地层 ，对 引起地面 的移动和变形从机理上进行研究，因此， 自然而然的力学方法便进入 了这一学科领域 。然而 ，运用经典 力学方法的关键是如何正确的确定岩体的力学参数 。因此，在 进行岩体分析时，为了达到观测开采沉陷过程的 目的，使用小 比例尺相似材料模拟实验方法表现矿藏开发过程 中地面移动特 征，并且都获得 了不同程度 的成功。制作物理模型的材料多种 多样，但是，最获成功的材料是沙、明胶和弱粘结状态的熟石 膏 1 6 1 。由这类材料制作的物理模型便于考虑到地质方面的参数， 2 0 0 0 级毕忠伟 南华 大 学 a y ( 士 字 位 论 义 适用面广 ，并且很容易观测到开采沉陷引起 的裂缝生长和传播 过程 以及其它主要移动变形特征，还能够结合特殊地质采矿条 件进行实验，包括多层开采或矿柱布设等情况。其 中比较有名 的模型为似连续模型 ( 如图 1 - 3 ) 0 所谓似连续模型就是假定整个物体 的体积都被组成这个物 体的物质微元所填满，没有任何空隙。组成似连续体的微元 尺 寸应 满足 三个 条件 : 图i 一似连 续模型示意图 ( 1 )连续微元尺寸与所研究的对象 ( 工程岩体)是足够小的， 使得在进行数学处理时，可 以近似作为数学点看 待，能够保证 各 物理 量从 一 微元到 另一 微元 连 续变 化 。 ( 2 )与其中所含的空隙、颗粒尺寸相 比足够大 ，包含 了足够 数量 的空隙和颗粒，以保证每个单元截面上的物理量均连续变 化，便于取各个物理量的统计平均值 ，作为单个微元的物理量。 ( 3 )在满足上述两个条件 的前提下，取最小的临界尺寸作为 连续尺寸。 物理模 型法 的显著优 点是开采矿 层上覆岩层各分 层的移 动 、变形及断裂过程能够直接观测 ，而采用其它数理模型则做 不到这一点;物理模型能够运用于各种各样复杂地质采矿条件 下的地面移动预报工作，例如，断层构造、褶皱构造、含水地 层及厚冲积层等地质条件 ，特别是在新区进行开采沉陷规律研 究及预报工作，实践经验 已经证 明物理模型配合其它预报方法 能够使得开采沉陷预报工作更加卓有成效。 但许多工程实践表 明，在某些地区由于开采沉陷引起的很 2 0 0 0 级毕忠伟 南华大学硕士学位论文 大移动和变形不是岩 体强度不够 ，而是岩体 的整体强度不够， 由于结构面的存在 ，大大削弱了岩体整体强度，导致在使用物 理模型进行开采沉陷预测时存在很大 的偏差 。 1 .3 . 3 模型理论法 采用模型理论法计算地面下沉 ，就是根据模型表 面变形求 得地面移动，应用力学或者统计学原理计算整个悬空岩体的弯 曲。模型材料主要是没有内聚力的随机介质 、弹性材料，一般 情况还有塑性介质 ，而岩体一般就是由这些介质构成的。值得 一提的是 6 0 年代，我国学者引入波兰学者提 出的开采沉陷的随 机介质理论 ( 图 1 -4 ) ，并加以改进和完善，提出了地面移动预 测的概率积分法 ，该方法直到 目前仍被我国采矿行业广泛应用。 由j . l i t w i n i s z y n i ” 提出的随机介质模型是最普遍使用的方 法之一，采用正态分布密度函数: f ( x ) 一 鉴e -r c f ( 1 -1 ) 第2 分层 第1 分层 / 、 处/b 5 c 5 d 器 / 姚洲父 /_ 沐 . c4 /髯 厂 一 、 犷 几 、a3人 13 3， / / / 、 .c3 / 其 八 、02 / / 产 j 2 0 0 0 级毕忠伟 南华大字011 士字位论文 水平 ( b ) 图1 . 4随机介质理论模型 中国矿业大学的王金庄、戴华阳e f 8 何国清 191、郭广礼、 邓喀中2 0 ;太原理工大学的马超 、康建荣 ， ， 等都对该方法进行 了大量的研究和探讨。但这种方法是在假设模型之 间不存在内 摩擦力的情况进行的，不太符合实际情况。 另外，由k i n g 和w h e t t o n ( 22 1提出的岩体移动弹性分析法、 b e r r y 提 出的各向同性岩层二维分析法、b e e r y 和 s a l e s 提出的 横 向各 向同性岩层 弹性分析法都 是根据弹性理论建立开采模 型，利用这种方法预报开采沉陷的制约因素是采空区上覆岩层 缺乏均质性 ，即使 己知每一岩层 的弹性特征 ，仍然很难确定横 向界面上应力和位移分量。 由m a r s h a l l e , b e r r y 2 4 ， 和a s t i n 2 5 2 0 0 0 级毕忠伟南华大学硕士学位论文 提出的岩层移动粘一 弹分析法 ，这种方法的限制条件是缺少适用 于地层的流变力学参数。由c h e r r y 26 1 提出的岩层移动塑性分析 法，由于对这种模型的重视不够，限制 了它在呈现塑性变形特 征的浅采深情况下的应用 ，这里通常存在着坚硬粘土层 、粉沙 层或松散层，并且属于富含水地层，塑性模型很少被采用 的原 因也是 由于很难确定采空区上覆岩层的特性参数. 1 . 3 . 4 数值模拟法 由于岩体的复杂性，使得人们只 能得到少数开采沉 陷问题 的解析解。而大多数都要根据岩体的弹性特征建立确定开采沉 陷的方程组，这些方程组通常表示了平面 问题 的几何条件，并 且 己能够获得其解 ，同时根据事先采集的实际资料通过逆向分 析可获得采 区上覆岩层的特征参数。一般是通过实验测试或原 型观测等手段， 以离散化原则为基础 ，把一个复杂的整体问题 离散化为若干个较小的等价的单元，对开采引起的沉陷进行分 析和研究，确定岩石的应力和应变之 间的某种关系。随着 软件 的发展，计算方法多种多样，主要有边界单元法 、离散单元法 、 有限单元法以及块体理论等。 但是，岩体特征参数的选择 比较困难 ，由于导致地面移动 的各项 同性弹性解通常不符合实际情况，这样，由数学方法导 出的下沉盆地通常比实际下沉盆地平缓 。同时，合理确定边界 条件是正确利用数值方法的必要条件。 我国煤炭地面移动规律研究取得 了长足进展，建立 了以概 率积分法 ，负指数 函数法 ，典型曲线法为基础的地面变形预测 方法体系，极大地推动了 “ 三下开采 ”事业 的发展，使我国在 该领域步入 了国际先进行列，形成 了以煤炭科学研究总院北京 开采所2 7 、中国矿业大学2 8 1 等为中心的研究群体。 “ 三下开采” 的发展对采矿地面移动规律的研究提 出了新的要求。首先，急 倾斜煤矿地面移动规律有待解决，以指导 “ 三下开采 ” 。其次是 极倾斜崩落法开采金属矿山的地面移动规律急待解决。 2 0 0 0级毕忠伟南华大学硕士字位论文 近几年来，随着科学计算软件 的快速 发展 ，开采沉 陷预测 理论也进入了一个崭新 的阶段 。众多学者纷纷提出新 的方法， 在开采沉陷领域内，各有特色。南华大学的丁德馨 2 s 7 、中国矿 业大学的崔希民3 0 7 、 西南交通大学的李勇树3 17 等使用f l a c 程序 对 开采 沉 陷进行预 测。其 中丁德馨教授在水 口山铅锌矿利用 f l a c ( f a s t l a g r a n g i a n a n a l y s i s o f c o n t i n u a连续介质快速 拉格朗 日分析 )完成的地面沉陷预测 ，是开采沉陷预测在数值 模拟方面的一个成功的例子。f l a c采用显式算法来获得模型全 部运动方程的时间步长解，从而可 以跟踪材料的渐进破坏和垮 落，这对研究开采的时间效应和空间效应是非常重要的，进一 步发展矿 山开采沉陷学科，使其在理论上更完备 ，实践上更符 合实际，工程预测上更准确;中国矿业大学的谢和平 3 2 7 教授、 杨伦汇 川教授、辽宁工程技术大学的于广明3 1 7 等将损伤力学及分 形几何等现代非线性科学应用于开采科学领域 ，在现有的开采 沉陷理论基础上，进一步揭示岩体 ( 特别是地质构造复杂的岩 体)开采沉陷的更深层次的机理 、特征和规律，就节理、断层 对开采沉陷规律的影响、采动岩体裂 隙分形分布及演化规律、 采动断层火化的分形界面效应等 问题进行 了一系列的研究和探 讨 ，使得该理论在应用上更切实可行 ;东北大学的麻凤海博士 3 5 7 、王泳嘉教授、阜新矿业学院的范学理 38 7 教授、南华大学的 丁德馨 3 7 7 教授、焦作工学院的邹友峰 3 8 7 教授等将智能科学引入 开采沉 陷领域，利用神经 网络、遗传算法、模糊数学等方法对 开采沉 陷进行预测，利用神经网络的 自学习、 自组织、 自适应 和非线性动态处理等特性，较好地解决了岩体各向异性 问题， 使理论计算更接近于实际。虽然这 些方法还未 能够完全解决开 采 沉 陷 中的 问题 ，但 代 表 了开采 沉 陷领 域 的发展 方 向。 1 . 4本项研究的内容、意义和特色 2 0 0 0 级毕忠伟南华大学硕士学位论文 1 . 4 . 1本项研究的内容 本项研究的研究内容如下: ( 1 ) 开采地面沉陷的影响因素; ( 2 ) 预测开采地面沉 陷的模糊神经 网络方法; ( 3 ) 开采地面沉 陷预测的模糊神经网络方法的初步应用 。 1 . 4 . 2本项研究的意义 开采沉陷预测是矿 山开采沉陷学科的核心 内容之一 。它对 于开采沉陷的理论研究和生产实践都有重要意义。 预测在理论研究上的作用在于 ，利用预测结果可 以定量研 究受开采 影响的岩层 与地面移动在 时间上和空 间上 的分布规 律 。以前所讲述 的规律 和方法仅仅是一种定性描述，要进一步 掌握地面移动的规律，还需要了解依据准确的预测求得的定量 结果。为了提高预测的准确性，必须对预测方法所采用 的理论 模型及其参数与地质采矿条件之间的定性、定量关系进行深入 的研究，这些研究有助于加深对开采沉陷基本规律的认识 。 预测对指导建筑物下、铁路下、水体下的开采实践具有重 要意义。在建筑物下开采 时，预测所得 的结果常被用来判别建 筑物是否会受开采影响以及受影响的程度，被用作是否对受影 响建筑物进行维修、加 固或就地重建 ，或采取地下开采措施的 依据 ;在铁路下采矿 时，可以根据预测的结果判断铁路下开采 的可能性，估算铁路维修工程量和材料用量，安排维修计划; 在水体下采矿 时，预测结果可被用来判断矿井受水患威胁的程 度 以及研究开采对受影响的堤坝等水工建筑物的破坏和影响的 程度，以便进行必要的维修和保护。过于保守的 ( 偏大 的)预 测结果，将导致花费不必要的保护费用，造成浪费;过于低估 的 ( 偏小的)预测结果 ，可能导致保护措施不力，使保护对象 受到破坏，造成不必要 的经济损失，甚至危及人身安全。 1 . 4 . 3 特色与创新 岩 体 是经 过 漫 长 的地 质 演 化过 程而 形 成 的 复杂 结 构体 ，因 2 0 0 0级毕忠伟 南华 人 冬 叹 -r手 位 记又 此开采导致的岩体地面移动亦更加复杂，采用常规 的开采沉陷 理论来分析和解决开采沉陷工程问题 己暴露出许多的缺陷和不 足 。 本项研究将神经 网络和模糊数学应用于开采沉陷预测 ，建 立 了开采预测的模糊神经 网络方法，改善 了靠单一神经 网络预 测开采沉陷的不足之处。 2 0 0 0级毕忠伟南华大学硕士学位论文 第二章 地质采矿因素对开采沉陷的影响 多年 的实践经验表 明，开采沉陷的分布规律取决于地质和 采矿因素的综合影响。在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。波兰的一些专家曾对这些地质采矿因素进行了分类 3 9 ，如 表 2 - 1 所示。 只有正确地认识和掌握这些因素的影响， 才能进一 步改进地面移动预测的方法和手段。本章主要说 明下列地质采 矿 因素对 开采 地 面沉 陷 的影 响: ( 1 ) 覆岩力 学性质的影响 ( 2 ) 煤层倾角的影响 . ( 3 ) 开采深度与开采厚度的影响 ( 4 ) 采区尺寸大小的影响 2 . 1覆岩力学性质的影响 2 . 1 . 1 覆岩力学性质对地面沉陷的影响 岩石力学性质对开采 引起的地面沉陷有很大影响。主要表 现在以下几个方面: ( 1 )覆岩为坚硬、中硬、软弱岩层或其互层，开采时矿层 顶板随采随落，不形成悬顶，能被 冒落岩块支撑 ，并继续发生 弯曲与变形而达地面。这时地面产生缓慢的连续变形。但如果 开采深度较小 ，冒落带和断裂带可直达地面 ，地面产生非连续 变形 。 ( 2 )如果覆岩中大部分为极坚硬岩层，矿层顶板( 覆岩) 大面 积暴露，矿柱支撑强度不够时，覆岩产生切 冒型变形 ，地面则 产生突然塌陷的非连续变形 。这里的切冒型变形是指采空区达 到 一定面 积 后 ，其上 方 的厚层 状极 坚硬 覆岩 发 生直 达地 面 2 0 0 0 级毕忠伟 南华大学硕士学位论文 表2 - 1 地质、 采矿因 素对开采地面沉陷的影响 2 0 0 0 级毕忠伟 南华大学硕士学位论文 的一次性突然冒落。山西大同马脊梁矿4 0 1 ，顶板是厚5 0 米以上 的硬砂岩，不易冒落 ，采空区距地面 5 6 -1 0 6米，1 9 7 5年 9月 1 8日， 当采空区面积达 1 5万平方米时顶板突然冒落，由于空气 突然压缩， 井口喷出3 0 0 米高的烟尘， 地面塌陷约7 0 0 0 0 平方米， 地震 台记录到 3 .2级地震。湖南锡矿 山南矿 4 1 用房柱法开采缓 倾斜 中厚矿体 ，由于 多年开采 留下大片采空区未处理， 结果在 1 9 6 5 -1 9 7 1年间曾发生三次大规模冒落，地面下沉 1米多，塌 陷坑面积达 9 6 0 0 0平方米。江西盘古山钨矿用留矿法开采极倾 斜薄矿脉群， 采空区长时间未进行处理 ， 1 9 6 7 年 9 月 2 4日爆发 了大规模毁灭性的冒落。在地面，海拔 1 1 0 0 米山脊拦腰裂断， 裂缝最宽处达 0 . 8米，地面塌陷面积达 1 0 万平方米，形成一个 从山顶到下部6 9 0 米，中段垂高 4 2 4米，南北宽2 2 5米，东西 走 向 5 0 0 米的塌陷漏 斗。 ( 3 ) 如果覆岩中均为极软弱岩层或第四纪土层， 矿层顶板( 覆 岩) 即使是小面积暴露，也会在局部地方沿直线向上发生冒落， 并可直达地面。这时， 地面 出现漏斗型塌陷坑。 ( 4 )如果覆岩中仅在一定位置上存在厚层状极坚硬岩层，矿 层顶板( 覆岩) 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顶， 不再发展到地面。这时，覆岩产生拱冒 型变形，地面产生缓慢的连续型变形。 在急倾斜矿体开采的情况下，如果上下盘岩层很坚硬 ，回 采后，采空区上下盘不 冒落，而采空区上方矿体本身却 冒落和 下滑 ，矿体 的这种 冒落和下滑，可能在一定高度上停止 ，也可 能一直发展到地面 ， 在地面矿体露头处 出现塌陷坑，图 2 - 1 为京 西大台矿出现的塌陷坑4 2 1 ，矿体上下盘岩层均很坚硬，开采后 地面 出现 了不少椭 圆形的塌陷坑 。如果上盘为坚硬岩层 ，下盘 为软弱岩层，则下盘岩层产生滑移，地面变形集中在下盘一侧; 2 0 0 0 级毕忠伟南华大学硕士学位论文 才心 扩伙 又入阵叫 一 丫一 图2 一京西大台 矿塌陷 示意图 如果上盘为软弱岩层 ，下盘为坚硬岩层 ，则上盘岩层产生滑移， 地面变形集 中在上盘一侧 。如果上下盘的坚硬岩层之间存在软 弱层或夹层 ，则地面变形集中在软弱夹层处。此时地面变形沿 软弱夹层面形成台阶状下沉盆地 ，而位于软弱夹层露头处的地 面呈整体移动 。如果上 下盘均为软岩层 ，回采后 冒落岩石填充 采空区，从而阻止了采空区上方的冒落和下滑 ，这样就避免了 地面露头处出现塌陷坑 。 2 . 1 . 2覆岩力学性质对开采沉陷分布规律的影响 上覆岩层 为坚硬岩层 时，地面下沉值要小于岩层较软时的 地面下沉值 。如覆岩 中存在厚层状极坚硬岩层时，地面下沉会 显著减小。山西大同矿 区 2 # 煤层顶板为厚层状砾岩及砂岩 ，在 采用房柱法和长壁刀柱法采煤时，地面下沉系数均在 0 . 4 以下 4 3 1 。下沉系数是指在充分采动或接近充分采动的情况下，开采 水平煤层时的地面最大 下沉值与开采厚度之比;在开采缓倾斜 或倾斜煤层情况下，下沉系数是最大下沉值 除以煤层倾角的余 弦与开采厚度的乘积。阜新矿区平安六井 4 4 ，煤系地层之上为 厚达 7 0 m的辉绿岩，强度高，两个煤层采完后( 采厚 3 .5 m ) ,覆 岩呈拱冒形变形，地面下沉值仅为 1 9 6 - 2 0 4 m m。如覆岩中以第 四纪土层为主并且其厚度很大时，地面下沉系数在初次采动时 可 以接近甚至大于 1 。 随着第四纪地层厚度 占覆岩总厚度比例的 2 0 0 0级毕忠伟 南华大学硕士学位论文 减少 ，地面下沉系数亦减小。产生这种情况的原因是 :若上覆 岩层为坚硬岩层，在岩层的破坏和移动过程中，裂缝带 内岩层 除产生垂直层面 的裂缝外，还产生大量顺层面离开的离层裂缝 ， 若覆岩为软岩层，在岩层移动过程中，上覆岩层不易产生离层 裂缝，因此在其他条件相同的情况下，坚硬岩层的地面下沉值 小 于软 弱 岩层 的地 面下 沉值 。 2 : 1 .3 覆岩性质对地面裂缝的影响 下沉盆地的外边缘 区为拉伸变形区。当其值超过岩层的允 许值后 ，会发生张 口裂缝 。张 口裂缝的形成与特征 同岩层的性 质有密切关系。 塑性大的粘土， 一般在拉伸变形超过 6 - 1 0 m m / m 时产 生 裂缝 ，塑性 小 的砂 质粘 土 和粘 土质 砂 ，拉 伸变 形达 2 - 3 m m / m时发生裂缝 ， 其延展深度为 2 - 5 m。 在岩石中，拉伸变 形超过 3 - 7 m m / m时发生裂缝， 其延展深度大于在土层 中的深度。 如为坚硬岩石，这类裂缝可使地面与采空区连通 。在第 四纪土 层较厚的地区，地面常出现地 堑式裂缝 ，这是在下沉盆地边缘 区两条裂缝之间的地面下沉大于其两侧下沉的缘故 a 5 2 . 2矿体倾角的影响 2 .2 . 1对地面沉陷分布规律的影响 ( 1 )在水平和近水平矿层条件下，地面沉陷的分布对采空区 是对称 的，随着倾角的增大，下沉盆地的非对称性十分明显， 下 山方 向的影响范 围远远大于上山方 向的影响范围。随着矿体 倾角的增大，倾斜剖面形状 由对称的碗形逐渐变为非对称的瓢 形。当煤层倾角接近 9 0 0 时， 下沉盆地剖面又转变为比较对称的 碗形或兜形 ( 见 图 2 - 2 ) . 2 0 0 0 级毕忠伟南华大学硕士学位论文 一 a t 片 ， 饱卜 , a 图2 - 2对称的碗形示意图 ( 2 )随着矿体倾角的增大，最大下沉点位置逐渐移向矿体上 山方向，当矿体倾角接近 9 0 。时，在矿体露头方向上方，极倾 斜矿体开采时不 出现充分采动情况，最大下沉值随回采阶段垂 高的增加而增大。 2 . 2 . 2 对地面的移动形式破 坏发展过程 以及破坏分布状态的影 响 ( 1 )在矿体为水平和缓倾斜( 0 - 3 5 -) 的条件下，由于岩层移 动形式主要 为沿岩层的法 向弯 曲和崩落 ，因此地面下沉盆地为 对 称 的碗形 和盘 形 。 ( 2 ) 在矿体超过 3 5 。以后， 岩层移动的形式除有法 向弯 曲外， 还伴随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，因此，地面下沉盆地为四周非对称的碗形或瓢形 。 ( 3 )当矿体倾角超过 5 4 。以后 ，冒落到采空区内的矿石和岩 块，除 了单块滚动外 ，还会成 堆地沿矿体倾斜方 向滑动。地面 下沉盆地则呈兜形瓢形。当矿体倾角超过 7 5 。以后，底板一侧 的地面也会 出现许多的裂缝或形成 台阶状盆地。在煤层倾角接 近 9 0 度 时，下沉盆地剖面形状又转化为 比较对称 的碗形或兜形 4 6 2 . 2 . 3对地面移动参数的影响 矿体倾角对地面移动参数的影响较为 明显。下面仅介绍倾 角对 下 山移动 角 、最大 下沉 角 以及 水平 移动 值 的影 响. 2 0 0 0级毕忠伟 南华大学硕士学位论文 1 )对下山移动角的影响: 在充分采动或接近充分采动 的条件下，地面移动盆地主断 面上三个临界变形值中最外边的一个临界变形值点至采空区边 界的连线与水平线在矿柱一侧的夹角称为移动角。 ab 0m i/ y 图2 - 3移动角的示意图 随着矿体倾角的增大 ，地面移动盆地在采区下山方向扩展 更远 ，采 区下边界的移动角和边界角均减小。通常下 山移动角 与矿体倾 角之 间存在一个函数关系。当矿体倾角大于 6 07 0 0 时，下 山移动角不再随矿体倾角的增大而减小。 c 2 )对最大下沉角的影响 对于最大下沉角来说，随着矿体倾角的增大，有变小的趋 势，两者之间同样存在一个与岩性有关的函数关系。同样，当 矿体倾角大于 6 07 0 时， 最大下沉角不再随矿体倾角的增大而 减小，而是随着煤层倾角的增大而增大，但不大于 9 0 0。有资 料表明，在极倾斜矿体开采时，地面最大下沉点基本上位于采 区 下边 界 的正上 方 附近 。 2 . 3其它影响因素 2 .3 . 1 开采厚度、开采深度的影响 开采厚度对地面的沉陷过程有重要的影响。采厚越大， 冒 落带、导水裂缝带高度越大，地面移动变形值也越大 ，移动过 2 0 0 0级毕忠伟南华大学硕士学 位论文 程表现得越剧烈。因此移动和变形值与采厚成正比。 随着采深的增加 ，地面各项变形值减小。这是 由于采深增 加，地面移动范围增大 ，而地面下沉值变化不大，因此 ，地面 移动盆地变得平缓 ，各项变形值减小。可见，在其它条件相同 的情况下 ，地面各项变形值是与采深成反比的。 当采深很大 ，采厚较小时，地面变形值较小 ，移动变形比 较平缓;当采厚较大，采深较小时，地面变形非 常剧烈，有时 地面将 出现大裂缝 ，台阶状断裂 ，甚至出现塌陷坑。 开采深度还对地面最大下沉速度和移动持续时间有影响。