深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new2024/3/25深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new国家自然科学基金日本文部省国际合作基金山东省自然基金山东省中青年科学家奖励基金兖矿集团公司科技项目深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new——深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究Ⅰ、宽厚条带规律及煤柱设计理论公式问题

⑴覆岩破坏及地表移动规律、煤柱的应力与应变变化规律；⑵A.H.Wilson理论及公式能否适用宽厚条带煤柱的设计；⑶煤柱塑性区宽度的确定问题等。

Ⅱ、开采方案优化设计问题

⑴全采模式；⑵部分开采模式(条采和房采)。

Ⅲ、计算数学模型选择问题

⑴开采沉陷预测；⑵条带开采与房式开采方案设计。

Ⅳ、系统开发关键技术问题

⑴多种数据格式的存储及导出；⑵三维数据场可视化；

⑶各类接口设计等。1.1需要解决的理论和技术问题深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new——深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究

⑴厚煤层条带综放三维相似材料物理模拟试验；⑵宽厚条带煤柱塑性区FLAC3D三维数值分析；⑶条带开采A.H.Wilson公式改进；⑷开采方案优化设计问题；⑸建筑物下开采方案优化设计系统实现；⑹计算成果三维数据场可视化及接口设计；⑺开采沉陷可视化工程分析设计系统研制与开发；

⑻环境资源损害量化评价体系

1.2研究及开发工作内容深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new⑴宽厚条带开采地表及覆岩移动破坏规律、煤柱应力及应变的变化规律和煤柱塑性区的宽度等(大型三维相似材料物理模拟试验)；⑵宽厚条带煤柱应力及塑性区的分布和演化规律、塑性区宽度及围压经验系数(物理模拟+FLAC3D数值模拟试验)；⑶条带开采A.H.Wilson公式改进(试验成果+理论推导)；⑷建下开采方案优化设计两类模式提出及控制变形开采动态优化设计思想及方法系统实现(理论研究+系统开发)；⑸开采沉陷可视化工程分析设计系统；(特色：一体化、集成化、可视化、标准化)⑹环境资源损害量化评价体系。1.3研究方法深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new1厚煤层条带综放三维相似材料物理模拟试验深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new三维相似材料模拟地质模型

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new三维模型试验台前侧面实体图深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new地表移动观测点、开采位置布设走向Ⅰ测线走向Ⅱ测线倾向Ⅰ测线倾向Ⅱ测线走Ⅰ走Ⅱ倾Ⅰ倾Ⅱ深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new模型地表变形观测系统布设图深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new煤柱应力、应变匹配传感器布设图返回深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new冒落及破坏形态(模型内25cm横断面处)深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new走向Ⅰ测线地表下沉观测曲线深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new倾向Ⅰ测线地表下沉观测曲线深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new条带Ⅲ采面开采后地表下沉盆三维插值图深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new各条带开采煤柱内测点应力变化曲线深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new⑴地表形成单一均匀下沉盆地，变形规律与一般条带相似；⑵Wmax=1282mm，q=0.145，U

max=810mm；⑶顶板冒落高度24m，断裂角65°；⑷存在离层，距顶板60m;⑸煤柱塑性区宽度20～24m，核区宽度32～40m；⑹煤柱核区压缩量0.22m。三维相似材料物理模拟实验结论深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new2宽厚条带煤柱塑性区FLAC3D三维数值分析深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new——宽厚条带煤柱塑性区FLAC3D三维数值模拟分析数值模拟计算模型及结果计算模型图深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new第Ⅲ条带开采并稳定后煤柱应力分布深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new第Ⅲ条带开采并稳定后煤柱塑性区分布深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new煤柱最终塑性区分布及分区图深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new模拟研究结论Ⅰ、宽厚条带开采煤柱塑性区宽度不同于普通条带开采；Ⅱ、物理模拟结果为20～24m，数值模拟结果为16～20m，

综合取煤柱塑性区宽度为20m;Ⅲ、A.H.Wilson通过试验得出普通条带：Y=0.00492MH

本次模拟试验得出宽厚条带：Y=0.00635MH；Ⅳ、经对水平应力模拟计算得出：考虑了侧向应力系数和应力集中系数的侧向应力经验系数

=0.4~0.8。深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new3条带开采A.H.Wilson理论公式探讨及改进深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new4A.H.Wilson理论公式探讨及改进

我国在进行条带开采设计时，应用最多的是英国的A.H.Wilson(威尔逊，1972)煤柱设计理论及公式。

A.H.Wilson理论由于建立在三向强度特性的基础上，克服了其它方法的缺陷，因而更加实用和可靠，得到了广范应用。然而，A.H.Wilson计算公式也存在着因简化而带来的问题，有专家学者多次指出这一点，并提醒在应用时注意，主要是煤柱极限强度计算和煤柱屈服区宽度确定问题。同时，简化的A.H.Wilson公式没有煤体的强度参数c和

，无法对煤柱的长期强度问题进行有说服力的分析，也容易引起认识上的混乱。模拟试验也得出：对于宽厚条带煤柱塑性区宽度的确定，不能采用A.H.Wilson试验得出的经验式。

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究newA.H.Wilson理论公式

A.H.Wilson的主要贡献在于提出了煤柱两区约束理论(或称渐进破坏理论)、给出了三向受力状态下煤体的极限强度简化计算式、并通过实验确定了煤柱屈服区宽度，在此基础上推导出煤柱承载能力的计算公式。煤柱两区约束理论深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究newA.H.Wilson理论公式⑴煤柱所能承受的极限荷载σS

条带煤柱极限荷载计算示意图，MN深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究newA.H.Wilson理论公式⑵煤柱实际承受的荷载σP

采空区及煤柱分担荷载示意图，MN深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new煤柱极限强度推导三向应力状态下的极限平衡条件由极限平衡条件可知，在三向应力状态时应有：深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new煤柱极限强度推导在煤柱边缘侧向应力σ3=0，屈服区侧向应力σ3由外向里渐增，至与核区交界处时为最大，最大侧向应力σ3=

γH(MPa)。式中

为考虑了侧向应力系数和应力集中系数的经验值，数值模拟试验得出

=0.4～0.8。一但核区内部达到峰值应力，则核区弹性状态逐渐消失，煤柱失稳。将σ3代入前式，得出：

A.H.威尔逊对此式进行了简化处理：①煤体的内摩擦角φ取固定值36°(按英国的情况)；②将式右边的第一项舍去。简化后得出煤体的极限强度σ1=4γH

(MPa))。深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new煤柱极限强度影响因素敏感度分析

在式中，影响煤柱极限强度的因素有：煤体粘聚力c、煤体内摩擦角φ、上覆岩体平均重度γ和开采深度H。煤体粘聚力c值范围为0.98～9.81MPa，一般为1.96～3.92MPa；煤体内摩擦角φ值范围为16°～40°，一般为28°～35°；上伏岩体的平均重度γ值范围取20～30kN／m3；开采深度H范围取100～600m。

将煤体极限强度计算式表达为，即令：(

取1)

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new煤柱极限强度影响因素敏感度分析煤体粘聚力c对的影响曲线

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new煤体内摩擦角φ对的影响曲线

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new煤柱极限强度影响因素敏感度分析煤体内摩擦角φ对的影响曲线

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new煤柱极限强度影响因素敏感度分析

覆岩平均重度γ对的影响曲线

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new采深H对煤体极限强度的影响曲线

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new煤体内摩擦角φ对煤柱极限强度的影响曲线

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new煤柱极限强度影响因素敏感度分析深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new原式相同条带开采Wilson公式改进结果煤柱所能承受的极限荷载σS

◆煤柱实际承受的荷载σP

◆改进总结：针对条带开采A.H.Wilson理论公式中存在的问题，在详细分析与推导的基础上进行了改进。新的公式更为严密，并适合宽厚条带的开采设计。

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new4建筑物下开采方案优化设计系统实现深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new部分开采模式的优化设计问题

对于部分开采(条采和房采)，其方案优化设计即要考虑地表变形指标，还要考虑煤柱的稳定性指标，本研究将其概括为：

强度设计+变形设计模式。

部分开采优化设计流程为：Ⅰ煤柱的强度设计确定合理的采、留宽度(开采方案)，并进行煤柱强度设计。Ⅱ地表变形设计根据形成的开采方案，进行开采沉陷预测。Ⅲ开采方案动态优化设计考虑强度、变形、回采率等因素进行动态曲线优化设计。深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new控制变形开采动态优化设计思想及方法常规设计步骤：第一步：选择采宽b及顶板支护方式；第二步：计算煤柱强度

s及平均荷载

P

；第三步：选择安全系数F，按极限强度理论

P·F≥

s解算煤柱留宽WP；第四步：试算地表变形，反复调整趋近变形控制指标。特点：无法同时考虑多因素变化，对于变形指标只能用试算趋近，解不唯一性，属于静态设计。深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new

控制变形开采动态优化设计，是考虑各种因素的动态变化，根据变形控制指标及强度控制指标，在动态曲线上解答最隹开采尺寸的设计思想。设计步骤：

⑴约束准则建立⑵变形设计（确定临界回采率Kc

）⑶强度设计（确定临界安全系数Fc）⑷临界煤柱宽度（ac）确定⑸临界煤柱宽度校核控制变形开采动态优化设计思想及方法深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new

⑴约束准则建立变形约束：①地表最大下沉值Wmax≤300mm；②水平变形值E+≤2.0~3.0mm/m

；强度约束：③稳定性系数F≥1.5；④煤柱的宽高比a/T≥5.0；⑤采出率k≤70%。约束准则方程控制变形开采动态优化设计思想及方法深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new临界回采率设计曲线图

采宽b=12mk——综合回采率，%煤柱长度L=24m⑵变形设计（确定临界回采率Kc）用变形指标选定临界回采率kc深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new安全系数选择设计曲线图上层煤下层煤⑶强度设计（确定临界安全系数Fc

）用临界回采率kc选定临界安全系数Fc深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new临界煤柱宽度设计曲线图上层煤下层煤⑷临界煤柱宽度（ac）确定用安全系数选定临界煤柱宽度ac深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new临界煤柱宽度校核设计曲线图上层煤下层煤⑸临界煤柱宽度校核用煤柱的宽高比a/T对选定的煤柱宽度进行校核深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new

特点：

⑴多因素动态分析；⑵解的唯一性；⑶动态曲线，使设计过程的可视化。

控制变形开采动态优化设计思想及方法深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new

控制变形开采动态优化设计的实现

条带开采优化设计计算分析操作界面深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new

控制变形开采动态优化设计的实现条带开采优化设计计算分析Ⅱ成果表深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new5

开采沉陷可视化工程分析设计系统研制与开发深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new6.1系统总体设计系统研制的目标及意义：

充分利用目前最新的研究成果及先进的计算机技术，实现开采沉陷工程分析设计中的沉陷预测和开采方案优化设计两大技术工作的计算机系统化，为开采方案决策提供全面、快速、准确的科学依据。深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new系统开发遵循原则：⑴一体化原则实现开采沉陷预测与开采方案设计的一体化；⑵集成化原则实现多种采法预计及方案设计的集成化、多种绘图处理及工程分析系统的集成化；⑶可视化原则系统操作可视化、计算成果可视化及GIS空间可视化；⑷标准化原则系统操作界面标准化、输出成果数据格式标准化。6.1系统总体设计深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new主要技术指标：①程序开发采用面向对象的可视化程序设计语言VisualBasic6.0进行；②数据库设计采用MicrosoftAccess2000；③系统界面采用标准的Windows系统界面风格，并具有可塑造功能；④图形绘制及输出采用通用的AutoCAD格式；⑤充分利用目前最先进的科学计算可视化技术实现系统的工程分析功能；

6.1系统总体设计深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new系统总体设计图深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new10项2个子系统19项6.2系统功能及流程设计深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new10项19项6项6.2系统功能及流程设计(续)深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new选取准则：

⑴执行国际公认原则，同时符合国家有关的规程及规范要求；⑵经过大量的实践验证，证明是成熟的理论及公式；⑶充分考虑理论及公式的应用条件及区域性；⑷在以上基础上适当考虑采用新的研究成果。

6.3系统计算数学模型选择深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new⑴开采沉陷预计计算数学模型

采用国家煤炭工业局２０００年６月最新颁发的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中选用的概率积分法；⑵条带开采煤柱设计计算数学模型

采用了两个计算数学模型：①著名的A.H.Wilson计算理论及公式；②改进的威尔逊计算公式；⑶房柱及房式开采煤柱设计计算数学模型

采用国际上公认的比涅乌斯基(Bieniawski)公式计算煤柱的强度、有效区域理论公式计算煤柱承受的实际荷载。

6.3系统计算数学模型选择深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new实现预计成果三维数据场可视化的三种途径：

⑴AutoCAD二维图形方式将计算成果数据写成AutoCAD的接口图形交换文件SCR格式，然后调用AutoCAD系统成图(地表移动变形二维等值线图和剖面图)。特点：形成的AutoCAD格式图形具的较强的通用性和强大的图形再编辑功能。6.4计算成果三维数据场可视化及实现深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new实现预计成果三维数据场可视化的三种途径：

⑵Surfer快速绘制三维数字图方式将预计成果写成Surfer调用格式数据文件，然后调用Surfer快速成图。特点：操作简便、成图速度快，形成的三维图具有再编辑功能。⑶GIS工程分析图形方式将预计成果数据写成GIS可调用格式数据文件，然后调用GIS系统绘制各类主题图件。特点：可充分利用GIS系统的强大空间分析功能，基本上能够满足开采沉陷工程分析设计的各种要求，具有其它系统不可比拟的优越性。6.4计算成果三维数据场可视化及实现深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new6.5可视化成果输出成果输出有以下五种格式：①标准MicrosoftExcel表格数据文件适用于计算数据文件导出及计算成果文件导出；②通用AutoCAD图形格式适用矩形区域预计和剖面预计成果二维平面图输出（等值线图和剖面图）；③Surfer三维数字图格式适用矩形区域预计成果输出；④GIS工程分析图（包括空间查询图、任意切割剖面图等）适用矩形区域预计成果输出；⑤Grapher曲线分析图适用方案设计中的条带及房采计算分析成果输出。

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new预计数据文件Excel表格输出深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new预计成果文件表格输出深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new煤柱优化设计计算成果Excel表格输出深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new地表下沉等值线图（二维曲线图）地表水平变形等值线图（二维曲线）AutoCAD图形格式深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new地表变形预计剖面图断层影响处AutoCAD图形格式深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new地表下沉Surfer三维数字显示图断层深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new下沉剖面位置平面图1N-1S剖面图3W-3E剖面图4W-4E剖面图2N-2S剖面图GIS主题图深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new地表下沉GIS三维数字图深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new地表损害GIS工程分析图a（地表沉陷分级)深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new地表损害GIS工程分析图b（水平变形分级）深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究newGrapher曲线分析图(临界回采率设计曲线图)

采宽b=12mk——综合回采率，%煤柱长度L=24m深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new6环境资源损害量化评价体系及系统开发深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new6.1沉陷区地表建筑物损害GIS可视化评价深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new研究目的

针对目前矿区开采沉陷引起的各类地表建筑物损害问题，运用开采沉陷学理论、环境损害评价理论、环境经济学理论和建筑结构损害理论，建立地表建筑物损害评价模型，确立相应的损害解决方案，并结合GIS和科学计算可视化等技术，研究沉陷区地表建筑物损害GIS可视化评价方法，建立“沉陷区地表建筑物损害GIS可视化评价系统”，为矿区防护和治理建筑物损害提供科学依据，并提供可视化操作平台。

深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new研究内容建立沉陷区建筑物、地表变形、地面高程等空间信息管理数据库(典型区域示范研究)；建立沉陷区建筑物损害评价指标体系及相应的标准，确定损害评价模型；进行基于GIS技术的沉陷区建筑物损害评价空间分析方法的研究；系统结构设计；专业模块开发；建筑物损害可视化评价的应用。深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new建筑物损害评价系统主界面数据处理CAD图形处理空间分析可视化评价计算沉陷预计深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new数据管理子系统界面深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new建筑物损害评价结果深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new沉陷区建筑物损害评价结果

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深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new6.2沉陷区地表公路桥梁损害GIS可视化评价深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new系统主界面CAD图形处理桥梁评价可视化公路评价沉陷预计深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new沉陷区公路损害评价结果深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new沉陷区公路损害评价可视化查询深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new沉陷区公路损害评价热连接查询深部开采沉陷环境资源损害量化评价体系研究new沉陷区公路评价三维可视化表现

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