（采矿工程专业论文）基于gis的新汶矿区地表沉陷规律系统研究.pdf

山东科技大学硕士学位论文 摘要 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 坏做出正确的影响评价。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。 g i s 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g i s 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。 本文以新汶矿区开采沉陷观测资料为基础，总结了国内外现有的开采沉陷控制技术， 对新汶矿区开采沉陷控制技术及规律作了深入的研究，将模矢法应用于求取开采沉陷预 计参数，解决了任意形状工作面开采的实测资料求取参数的问题：并对曲线拟合精度进 行了研究，提出了评定拟合质量的标准和计算方法。包括综合考虑拟合的模型误差和偶 然误差的联合影响，论证了拟合方程优选的标准。以地理信息系统软件m a p i n f o 为平台， 结合了地理信息技术，数据库技术，研究开发出运行于w i n d o w s 环境下的新汶矿区开采 沉陷规律信息系统，能有效地管理和处理开采沉陷的大量原始资料和数据，进行移动变形 预计；为多种条件下的“三下采煤”的研究提供可视化的计算方法、分析手段；能基本 预测煤矿开采引起的地表沉陷，为矿山开采规律及控制技术研究、分析提供技术保障和决 策支持。 关键词l 地理信息系统开采沉陷模式法曲线拟合参数分析 山东科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t 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 f n a t i o n a le c o n o m y b _ a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t or e d u c et h el o s sc a u s e db yt h e l 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 fm i n i n gs u b s i d e n c em u s tb ed o n ei n o 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 es i t u a t i o na n de v a l u a t er i g h t l yt h e i 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 l t 墙e i nt h el a s ts e v e r a ld e c a d e s ，ap e r f e c t t 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 ea 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 e a s p e c t sh a sa c h i e v e ds u c h 罄m i n i n gs u b s i d e n c ef 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 sd o n tc o m b i n ew i t ha v a i 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 o u g h g i sh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yb u s i n e s s e s i ti sn o te n o u g hi nt h es t u d yo fm i n i n g s 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 i sw i l lg r e a t l yi r n p m v et h ef u n c t i o no fm i n i n g s u b s i d e n c es o f t b a s e do nt h em a t e r i a lo fm i n i n gs u b s i d e n c eo nx i n w e nm i n i n ga r e a , t h i sp a p e r s u m m a r i z e st h ec o n t r o lt e c h n o l o g ya th o m ea n da b o a r da n dm a k e sad e e ps t u d yo nt h ec o n t r o l l a wo fx i n w e nm i n i n ga r e a t h ep a p e ra p p l i e sm o d em e t h o dt os o l v et h ep r o b l e mo f c a l c u l a t i n gp a r a m e t e r so nm a d t e s t e dm a t e r i a l so fa n ys h a p ew o r k i n gf a c ea n ds t u d i e st h e p r e c i s i o no ft h ec u r v ef i t t i n ga n da d v a n c e st h es t a n d a r da n dc a l c u l a t i n gm e t h o do fa s s e s s i n g n t r v ef i t t i n gq u a l i t y , a n ds y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r sb o 协t h em o d e lf f i t o l a n dh a pf f i t o r s i n f l u e n c i n gc u r v ef i t t i n g , a n dd e m o n s t r a t e sap r i o rs e l e c t i o ns t a n d a r d so f c u r v ef i t t i n ge q u a t i o n b a s e do nt h ep l a t f o r mo fs o r w a r cm a p i n f oo fg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m , c o m b i n e d w i t hg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dd a t a b a s et e c h n o l o g y , a ne f f i c i e n tc o m p u t e r s y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dt op r o c e s st h el a wa n de o n t r o li n f o r m a t i o no f m i n i n gs u b s i d e n c eo f x i n w e nm i 茄n ga r e ai nt h ew i n d o w s9 8e n v i r o n m e n t t h i ss y s t e mi sa b l et om a n a g ea n d p r o c e s sal a r g ea m o u n to fr e g i o n a lm a t e r i a la n dd a t a , a n df o r e c a s tm o v e m e n td i s t o r t i o n , a n d p m v i d ev i s u a lc a l c u l a t i n ga n da n a l y z i n gm e t h o df o r c o a lm i n i n gu n d e rb u i l d i n g s ，r a i l r o a d s a n dw a t e rb o d i e s o nm a n yc o n d i t i o n s ，a n db a s i c a l l yf o r e c a s ts u r f a c es u b s i d e n c ec a u s e db y m i n i n g ，a n dp r 嘶d 嘲t e c h n i c a le n s u r ea n dd e c i s i o n - m a k i n gs u p p o r tt os t u d y i n ga n da n a l y s i so f t h el a wo f m i n ee x p l o i t a t i o na n dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m m i n i n gs u b s i d e n c e m o d em e t h o dc u i v c f i t p a r a m e t e ra n a l y s i s 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世 所公认的文献外，全部都是本人在导师指导下的研究成果，该论文尚未呈交 于其他任何学术机关作鉴定。 研究生签名：夕享双汤 日期：a 妒r 多，o a f f i r m a t i o n id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h ea w a r do fm a s t e ro fs c i e n c e ，i ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r k ，u n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e s i g n a t u r e d a t e ： 山寡科技大学硕士学位论文 堵论 1 绪论 1 1 选题依据 地表沉陷规律地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 进行现代化建设，需要开采大量地有用矿物，但是开采这些有用矿物产生的地表沉陷， 又反过来影响和破坏岩体内和地匾上地一些生产和生话设施，影响生产地发展和人民生 活水平的提高。开采沉陷对矿区环境和经济发展造成了严重的影响，我国有些矿区每年 为此支付的赔偿达数千万元，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旅降低开采对环境的影响。在过去的几十年中，我 国的开采沉陷工作者在这些方面作了许多贡献，形成了一套较为完善的开采沉陷理论， 有关开采沉陷预计、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 品大都是借助某一操作系统平台，利用一种高级程序设计语言来实现的，而没有充分利 用一些现成的开发环境。g i s 在我国的许多行业中已经得到了广泛的应用，但是就矿山 开采沉陷的研究来说，这方面的研究还很不够，而g i s 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。 g i s 是一项以计算机为基础的新兴技术，是管理和研究空间数据的技术系统，通过 对多因素的综合分析，可以迅速获取满足应用需要的信息，并能以图像或图形的形式表 示出结果。可视化系统的出现向人们展示了一个全新的概念，实现数据可视化、思维可 视化，具有强大的制图功能和数据统计分析能力，是一种崭新的决策支持系统。乖j 用g i s 技术和可视化技术能够将传统的数据库数据带入到可视化的空间中，弥补了m i s 系统中 分析数据的局限性；打破了常规统计图表组成的屏幕格局，使管理者对各方面的情况的 研究不再是孤立的，而将自己置身于自然和社会环境中，直观地掌握全面情况，从而大 大提高了工矿企业现代化管理水平。 因此，研制一个基于g i s 的地表沉陷规律及控制技术信息系统，使之能够处理和计 算在地表沉陷研究工作中大量的数据，并能进行各种动态预测、智能分析、自动绘圈、 动态查询、及作出评价用以帮助矿区进行塌陷控制及环境治理是本课蹶研究的内容。 1 幽苎查兰堕主兰垡兰塞 竺丝 1 2 新汶矿区概况 1 2 1 矿区地理位置 新汶矿区位于山东省中部的新泰、莱芜市和宁阳县境内。因地处大汶河支流、柴汶 河与牟汶河沿岸，其主要生产矿井又在新寨市境内( 详见新汶矿区位置图) ，自1 9 4 3 年 成立“中共新汶矿区工委”始，就称为“新汶矿区”，时至1 9 5 6 年9 月成立新汶矿务局， 遂改名为薪波矿务局，后经文革四十余年，到1 9 9 8 年国有企业实现现代企业制度，新汶 矿务局正式改制为新汶矿业集团有限责任公司( 简称新汶矿业集团公司) ，沿用至今。 1 2 2 地匿涛藏、气候、交通情况 新汶矿区内北有牟汶河，南有柴汶河( 即小汶河) 及其支流通过，构成地表主要水 系。两河流均由东而西流过煤田，在大汶口以东汇合，向西流入东平湖。 矿区地处北温带，气候特点系每年1 2 月份到次年四五月为干早期，7 一9 月为暑期， 5 - - - 8 月为雨季，暴雨和惫雨多出现在每年7 月份。全年盛行东南风，冬无严寒，夏无 酷署，属于季风型大陆性气候。常年平均温度为1 2 6 0 c ，7 月份平均气温为2 6 0 c ，1 月平均 气温为零下3 3 0 c 。近4 0 年来，极端最高气温达3 9 5 0 c ( 1 9 5 8 年6 月2 7 日) ：极端最低 气温达零下2 1 6 ( 1 9 5 7 年1 月1 7 日) 。 矿区交通方便。新波煤田有磁( 窑) 莱( 莱芜东) 铁路支线通过，西至磁窑与津浦 铁路接轨，可南下沪宁，北上京律。莱芜煤田有新建的辛( 店) 寨( 安) 线通过，南与 磁莱支线在莱荛东站接轨，北通胶济干线的辛店站，东可达青岛、烟台，鹾可达济南。 新汶矿业集团所属各生产矿井除泉沟、鄂庄矿外均有铁路专用线直通矿内装运煤炭。公 路四通八达有泰( 安) 莱( 芜) 和磁( 窑) 新( 泰) 公路通南北矿区，井与省内其他 公路干线相联。 1 2 3 矿区煤田分布 新汶矿业集团公司处于鲁中丘陵地带北有泰山山系余脉，南有蒙山山系露头，东 有鲁山、沂山余脉。中有莲花山、徂莱山将矿区分为南( 新汶) 北( 莱芜) 两个煤田。 南部煤田为新汶煤田，东起新泰市的员外哨，西迄宁阳县的磁窑，南至煤系露头， 北为莲花山大断层。东西长7 0 公里，南北平均宽8 公里，在效含煤面积3 0 4 7 平方公里。 该煤田内分布有孙村、张庄、良庄、协庄、禹村、华丰、泉沟、汶南、翟镇九个生产矿 井，还有属市、县、乡办的地方小井1 9 对。 井还有属市、县、乡办的地方小井1 9 对。 2 山东科技大学硕士学位论文 绪论 北部矿区为莱芜煤田，位于莱芜市境内，南翼与新汶煤田以莲花山脉相隔，为一西 宽东窄的撰形狭长煤田，东起梁坡断层，西迄羊流断层，南至煤系露头，北界为泰山大 断层；沿走向东西长3 2 公里，南北平均宽1 l 公里，面积为3 5 2 平方公里，其中已探明 含煤地区面积4 l i7 平方公里。该煤田范围之内有潘西、西港、南冶、鄂庄4 对矿井和市、 镇、乡办的地方煤矿1 1 对。 1 2 4 地质概况 新汶煤田位于莲花山和云蒙山两大向斜之间，走向为东西不对称的向斜盆地，向斜 北翼因受莲花山断层的影响，煤系保存不多，主要含煤区在向斜南翼。由于云蒙山大断 裂的发展，将煤田地切割为东西两段。东段自员外哨至羊流断层，西段自蒙山大断裂大 山东断层以西的禹村井田至华丰井田，构造形态略为复杂。煤田东段南翼的协庄、良庄、 孙村、张庄、汶南等井田，构造复杂为中等。煤层较稳定。 莱芜煤田位于泰山大断裂南侧的断隔盆地内，走向近乎东西，倾向北。现经探明开 采的有潘西、西港、南冶、鄂庄井田，各井田内构造复杂为中等，煤层稳定，但西部予 测区因受火成岩侵入影响，煤层的稳定性已受到不同程度破坏。 1 2 5 煤层及储量 新汶煤田煤系地层共含煤1 9 层，可采或局部可采煤层，各井田不一，少者有7 层， 多者有li 层，平均总厚度1 0 7 米。由于煤层沉积在走向上的变化和成煤后期的侵蚀作 用，各井田内可采煤层和层数略有差异。二迭系山西组共含煤5 层，其中可采或局部可 采煤层为4 层，即一、二、三、四层，以二、四两层为比较稳定。石炭系的太原群及本 溪群，共含煤1 4 层，其中可采或局部可采者为7 层，即六、八、九、十一、十三、十五、 十六层。 莱芜煤田煤系地层共含煤2 0 层，其中可或局部可采者为1 0 层，即二、三、四、七、 九、十一、十三、十五、十八、十九层，平均总厚度为7 1 8 米。由于该煤田煤层沉积不 稳定，构造复杂，又加岩浆活动影响，使各煤层的开采性在各井田中差异较大，其中二、 四、七、十五、十九层煤稳定性较好，全煤田普遍可采。 1 。3 地理信息系统研究现状 1 3 1 地理信息系统的定义及应用 地理信息系统( g g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 循称g i s ，一般被定义为：以地理空阃 3 坐查型垫查兰璺主竺垡笙壅 箜笙 数据库为基础在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分 析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为 地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。 随着地理信息系统的发展，产生了多种相应系统。如自然资源管理信息系统，资源 与环境信息系统，土地资源信息系统，空间数据处理系统，空间信息系统。这些系统研 究的对象不同，但研究方法基本上是相似的。g i s 的应用主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 资源管理 资源的清查、管理和分析是g i s 应用最广泛的领域，包括矿产和森林资源的管理、 土地资源的评价和利用规划及水资源的分布等。系统将各种来源的数据和信息有机地集 成起来，用户可直接对数据库进行查询、统计、制图以及提供多种组合条件的资源分析， 为资源的合理开发利用和规划决策提供依据。 ( 2 ) 区域规划 区域规划具有高度的综合性。涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育和文化等 因素，利用g i s 强大的空间数据分析功能实现区域规划的科学化。 ( 3 ) 国土监测 g , i s 技术与多时相、高分辨率的遥感数据结合，可以有效地用于洪水灾情监测和淹 没损失估算、土地利用动态变化分析、森林火灾的预测预报和环境质量的评估研究等。 ( 4 ) 辘助决策 利用g i s 迅速有效地管理空间数据，进行空间可视化分析，寻求地域规律，研究时 空变化的趋势，可以实现辅助决策。 1 3 2 地理信息系统的特点： ( 1 ) 具有采集、管理、分析和输出多种地理空闭信息的能力，具有空阃性和动态性； ( 2 ) 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段。具有区域空间分析， 多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息； ( 3 ) 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门 的地理分析方法、作用于空间数据，产生有用的信息。完成人类难以完成的任务。 o l s 是地理学的第三代语言。它以地图表达方式，对区域空间进行认识和分析，通 过计算机把数字和图形融为一体，以数据表示空间分布，提取空间定量、量测数据和数 字分析的结果，并以空问图形表达出来。它是以图形的数学性质与数据的图形摸型进行 4 坐奎型垫查兰堡主兰垡兰苎竺丝 定量研究和空间分析。它不仅具有地理意义明确的空间数据管理能力，更重要的是可以 通过地理空间分析产生常规方法难以得到的分析决策信息。并可在系统支持下进行空间 过程的模拟和预测，以高效率，离精度定量、定性、定位三结合，实现真正地理意义上 的区域空间分析和过程模拟预测。 1 3 2g i s 在地表沉陷研究中的优越性 矿区地表沉陷的研究工作主要是研究地表沉陷的一般规律、数据处理方法、预计和 模拟方法、沉陷的防治方法及地表沉陷对环境的影响及治理等。针对矿区地表沉陷的特 点及日常管理和治理工作中存在的问题，用g i s 技术对矿区地表沉陷进行管理和研究具 有一定的优越性。 ( i ) 为矿区地表沉陷工作建立的大量的地表观测站观测数据，需要有大量的日常数 据的计算处理工作，以获得地表移动变形规律结果，同时必须根据开采状况，动态预计 地表下一步可能移动变形规律，为进一步的开采和沉陷防治提供依据。这些工作都与图 形的操作紧密相连，如地表观测站平面图、采掘工作面图、地表移动变形曲线图等等， 这些图形的处理和数据的处理紧密相关：运用g i s 软件在地理空间数据管理中的功能可 以很好地完成对图形和数据操作的处理。 ( 2 ) 对矿区不同区域和开采时间沉陷的预报和预测工作是必不可少的，利用g i s 软 件二次开发或独立编程开发可较容易实现预测预报的程序算法功能。 ( 3 ) 矿区地表沉陷具有动态变化特征，运用g i s 技术，在及时获取地表沉陷信息的 同时，可以有效地对各时期的沉陷变化进行动态监测和分析比较，研究其变化规律，从 而作出沉陷的预测和预报，为科学决策提供依据。 ( 4 ) 对矿区地表沉陷的治理、监测、预防工作是一项复杂的综合性管理工作。利用 g i s 的空间查询功能可以方便地进行数据查询、检索。以便及时向各级技术管理部门提 供有关沉陷的最新情况：如不同区域慕不同时间内沉陷区的范围、大小、破坏情况以及 治理后沉陷区可能产生的各种效益等等。 ( 5 ) 对矿区地表沉陷采取的治理方法上，充分利用地理信息系统在空间分析功能、 综合评价分析功能上的优势，如对沉陷区土地的分等定级，对沉陷区开发再利用的适宜 性分析等等，以求得出的解决方案最科学、最符合实际情况，获得最大的社会效益、经 济效益和生态效益。 ( 6 ) 充分发挥地理信息的网络优势，同时连接不同矿区，实现各个矿区的数据共享， 山东科技大学硬士学位论文 信息互补，及时反馈各地沉陷信息，综合分析预测，及时采取多方面防范措施。 1 4 本文研究的主要内容及结构组织 1 。4 ，1 主要研究内容 软件部分功能如计算和预计部分采用编程实现，其实现模块可由m a p i n f o 外接调用， 其它功能采用地理信息系统软件本身来实现，如查询、检索、空间分析、图形管理和图 形输出等。其技术路线如下： ( 1 ) 原始数据的输入、存储和编辑。为地理信息系统数据库提供数据源。包括文字报 告，各种圈件资料，研究区地形图、矿区开采沉陷区现状图，采掘工作平面图等，即建 立新汶矿区地表移动变形数据库。其中的图形或图像等空间数据通过图数转换装置转换 成计算机能识别和处理的数据。 ( 2 ) 通过编程实现沉陷数据计算过程，并对原始数据计算的结果按一定要求格式进行 存储。二次开发开采沉陷预计模块，实现沉陷的预计预报功能，及预计结果的操作如等 值线的自动绘制模块等等，并实现专业模块与m a p l n f o 的连接，以备m a p i n f o 的进一步 调用。 ( 3 ) 建立新汶矿区地表移动变形分析数据库，在g i s 软件环境下，对开采沉陷数据 的处理结果和开采沉陷的预计结果进行应用分析， ( 4 ) 在二次开发的软件模块的支持下，对沉陷区进行压煤开采规划及开采损害分析， 治理方案的决策分析与技术经济评价等，并建立可视化计算机系统。 ( 5 ) 数据的查询及结合输出。根据m a p i n f o 提供的操作，可以对沉陷区的各种情况进 行查索查询如不同地区的地表移动变形规律、破坏积蓄等级、原土地利用状况、治理 方案等。对于用户所需数据查询结果可以按不同要求格式，如报表、图表、文字报告等 等，直接输出到打印机。 1 4 2 本文的结构组织 本文第二章阐述了地表沉陷规律及控制技术研究现状；第三章阐述了系统的开发及 研制过程；第四章介绍系统模块划分及功能。第五章是新汶矿区地表移动变形预计参数 分析；第六章是新汶矿区地表移动变形角量参数分折：第七章是发展与展望。 6 山东科技大学嗣士学位论文 开采沉络控倒殛预诗研究瑰状 2 开采沉陷控制及预计研究现状 2 1 开采沉陷的基本概念及现状 2 1 1 开采沉陷的定义及影响开采沉陷的因素 2 1 1 1 开采沉陷豹概念 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 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 2 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。 采矿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，导致土地荒莞、沙化、盐碱化，矿山生态环境严熏恶化。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 3 我蕾开采沉陷的毽状 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，并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o 扣一8 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，我国困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 当查型垫查堂曼圭兰垒丝三 要墨圣堕叁翌墨要茎翌塞翌鉴 区又恰恰是城镇密布、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。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 基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 重的损坏。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 井采沉陷预计的薹本概念 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( 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 、 i o ，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 井采沉陷馕计的内容 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： ( 1 ) 最大值预计t 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； ( 2 ) 主断面上的移动和交形预计：预计她表沿下沉盆地的走向和倾向主断面的移动 和变形分布： ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 多工作面和多煤层开采时岩层和她表移动变形预计：此时地表或岩体内任意点 山牟；科技大学硕士学垃论文 开采沉陷控捌爰预诗研究现状 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 开采沉陷便计理论的研究现状 2 2 3 1 开采沉陷预计的连嫂介质理论 ( 1 ) 利用塑性力学理论对岩层移动进行了分祈，以理论计算结果为指导建立了地 表移动变形的计算方法。 ( 2 ) 利用弹性基础梁理论得出了波动性的下沉剖面。 ( 3 ) 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 间阀题进行了分柝。 ( 4 ) 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 j ( 占k 一2 + d 1 1 n + 声n ”，z ) d s 2j ( d 一2 “+ 占，z + 占z 2 u z l ) d s ( 2 1 ) ( 5 ) 提出了更为一般的线弹性分析原理一面元原理，即 w ( x ，y ) = i s ( 五y ) f ( p 2 ) 枷( 2 2 ) 式中：s ( x ，y ) 为顶底板闭合的分布，f ( p 2 ) 为影响函数a 为开采蕊积e 这一理论为开 采影晌的先进的变换形式。 ( 6 ) 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。 ( 7 ) 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。 ( 8 ) 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7 专题研究。该研究应用了损伤力学原理、楣似材料模拟和 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“层丽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 9 些墨壁垫查兰垦圭竺垒丝奎 茎墨堡堕篓型墨壅生墅垒銎鉴 都是建立在连续介质理论上的计算方法。 2 2 3 2 开采沉精i 哽计豹非连续介质理论 ( 1 ) 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，目前已成为我国应用 最广泛的开采沉陷计算方法之一。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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， 可以熙碎块体模型描述；岩体是各向异性的、非均质的、不连续的；承认“叠如原理”。 仿照随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。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 离敬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。 ( 7 ) 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。这一方法足首次采用现代数学流形于数值 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【加l 。 2 2 3 3 开采沉路计算方法 按计算手段分为：( 1 ) 解析法；( 2 ) 图解法；【3 ) 电子计算机法。 按计算时采用的函数分为；( 1 ) 剖面函数法：( 2 ) 影响豳数法。 按建立计算方法的途径分为三类：( 1 ) 经验方法；( 2 ) 分布函数法；( 3 ) 理论模型法 2 2 3 4 开采沉陷i 翼计的研究现状 1 0 山东科技大学硬士学位论文 开采沉络控制爱预计研究现状 我国开采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。主要有：概率积分法、负指数函数法、典型曲线法、积分格瞬法、威布尔分布 法、样条函数法、双曲线函数法、皮尔森函数法、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，还建立了力学预计法1 1 2 1 1 4 j 。 在众多预计法中，积分格网法已很少应用，双曲线函数法是基于淮南矿区具有厚冲 积层情况下的开采沉陷预计方法，皮尔森函数法是基于淮南矿区急倾斜煤层时的开采沉 陷预计方法，一般仅限于该矿区使用，三维层状介质理论和托板理论是针对条带开采提 出的新的计算方法，还有待于进一步的实践检验和完善。 2 2 3 5 目前开采沉陷研究中存在的向量 ( 1 ) 开采沉陷机理研究尚不充分。由于开采沉陷涉及学科较多，而以前的研究多 在某单一学科的基础上建立起来的。因此，要准确认识开采沉陷机理，就必须把整个采 动影响视作一个系统，多学科相互交叉配合由下至上地研究采动覆岩内部和地表移动， 分析出岩层移动的力学过程，找出控制岩层移动的力学规律，为减缓开采沉陷提供理论 基础。 ( 2 ) 开采沉陷的动态过程研究尚不充分。在以往的研究中人们特别注重于开采沉 陷的最终结果，而放弃了开采沉陷的动态过程研究，这对地表建筑物保护是极其不利的。 ( 3 ) 影响开采沉陷的地质采矿因素定量化研究不充分。开采沉陷受到多种地质采 矿因素影响，多数研究成果包含着综合因素的影响，而没有对某一特定影响因素的定量 分析，这直接影响控制开采沉陷措施的有效性。 ( 4 ) 连续介质力学理论在开采沉陷中的实用化程度较低。应用连续介质力学理论 研究开采沉陷问题一直受到重视，由于研究对象的复杂性，在建立力学模型、确定计算 边界以及岩体参数选取等方面积进行了大量简化，使得计算模型与实际问题偏差较大， 因此许多研究成果尚未得到应用。 ( 5 ) 现代非线性科学在开采沉陷中的研究处在探讨阶段。各种各样的新理论在开采 沉陷中的应用还处在探讨阶段，离实际应用尚有一段距离。 2 。3 开采沉陷损害控制方法 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，新矿井不断兴建， 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，波兰西里西亚煤 生墨型垫奎兰要主兰垒笙奎茎墨塑丝塑垒蔓茎里墨燮 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。 2 3 1 井下采取的主要方法 2 3 1 ，充填采空区采爆 充填法采煤主要有水力、风力、自重和手工充填。充填材料有矸石、河沙、电厂粉 煤灰等。井下充填开采是减少地表沉陷变形的有效方法，各类充填开采法引起的地表下 沉系数如下： 长壁开采水砂充填法 q = 0 1 0 0 2 0 长壁水力矸石充填法q = 0 ，2 0 0 3 0 长壁风力充填法 q = 0 3 0 0 5 0 手工矸石充填法q = 0 4 0 0 5 0 波兰于5 0 年代初就广泛采用水砂充填等井下充填方法减少地表沉陷，目前水砂充 填占建筑物下开采的5 0 ，风力充填占5 。我国曾在数个矿区进行了并下充填法开采 试验，近年来，由于充填材料缺少和充填费用较高，很少采用井下充填方法来解决开采 损害问题。但随着煤炭工业的发展，煤炭销售价格的提高和生态环境保护的要求，井下 1 2 山东辩技大掌碛士学证论文 开采沉酪控制及预计研究现扶 充填方法有可能成为一种重要的控制措施 ( 1 ) 水砂充填法 水砂充填的主要特点是要将大量的充填材料，通过水力运入采空区。充填的材料主 要有河砂、山砂、工业废渣及电厂灰等，以河砂、山砂为最优。水砂充填生产系统由填 料开采、加工、选运系统，贮砂及水砂混合系统，输砂管路系统，以及供水及废水处理 系统所组成。 采室区水砂充填后，会改变覆岩的变形特征和强度。新汶矿区的实测表明，水砂充 填开采覆岩一般不产生垮落带且导水裂缝带高度仅为冒落法开采的四分之一( 中硬覆 岩) 即采厚的3 4 倍，其次是充填后能大幅度地减少地表的下沉与变形。采用水砂充填 开采时，其地表下沉系数变化于0 0 6 o 2 0 之间，这与充填材料的性质和水砂充填的密 实填满程度有关。 如张庄矿在村庄及铁路下用水砂充填开采，地表下沉系数0 1 2 ：孙村矿一采走向长 壁水砂充填开采，地表下沉系数q 1 3 ：良庄矿二采区长壁水砂充填开采。遣表下沉系数 0 1 6 ；协庄一、三采区长壁水砂充填开采，地表下沉系数0 1 4 。新汶矿区的水砂充填开 采实践多在上世纪6 0 年代初期和中期，且都位于矿井的浅部( h = 6 0 2 6 0 m ) ， ( 2 ) 手工矸石带状充填 手工带状充填就是沿工作面的开切眼或推进方向，每隔一定距离垒砌一个矸石带来 支摔硕板，以达到减小地表下沉的目的，其效果取决于垒砌的矸石带能否承受住上覆岩 体的压力。这种方法一般适用于较薄的煤层开采，充填矸石取自煤层夹矸和冒落顶板矸 石。 张庄矿、泉沟矿等采用垒砌矸石带的方法，她表的下沉系数多在0 2 5 o 3 5 。 2 3 1 ，2 媒屡部分开采 主要有条带法开采、房柱式开采和限采厚开采等。 2 3 1 2 1 条带法开采 条带开采法是减少覆岩及地表沉陷变形的有效方法，其采出率一般为4 0 6 0 ， 地表下沉系数仅为煤层采厚的3 1 5 ，当采出率为5 0 时，能减少地表下沉和变形达 8 5 ，效果是十分显著的。波兰1 9 3 0 1 9 3 6 年间就在上西里西亚煤矿冶金厂下用条带怯 开采8 6 m 厚的煤层，在英国条带开采有着较深入的研究也有许多成功的例子。我国自 5 0 年代末以来，条带开采方法已在几十个煤矿取得预期的效果，如鹤壁九矿、蛟河矿