深部開采地表沉陷規(guī)律及預(yù)測(cè)方法研究——以徐州礦區(qū)為例.pdf

1、隨著煤炭資源開采向深部延伸,深部開采沉陷規(guī)律及預(yù)測(cè)方法成為開采沉陷研究者關(guān)注的熱點(diǎn),對(duì)此進(jìn)行研究,具有重要的理論和實(shí)際意義。本文在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、相似模擬和數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合力學(xué)理論,明確了深部開采覆巖和地表移動(dòng)機(jī)理與規(guī)律,構(gòu)建了深部開采地表沉陷預(yù)測(cè)方法,為深部開采地表沉陷預(yù)測(cè)及建(構(gòu))筑物損害評(píng)價(jià)提供了技術(shù)方法,主要工作及成果如下:
　　(1)建立了基于遺傳算法的概率積分法參數(shù)反演方法,解決了大采深長(zhǎng)周期任意形狀多工作面開采地

2、表移動(dòng)觀測(cè)站概率積分法參數(shù)反演問題。與直接搜索算法相比,該法適用于任意形狀、多工作面概率積分法參數(shù)反演,且計(jì)算精度、效率更高。
　　(2)在分析研究現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料基礎(chǔ)上,明確了深部開采覆巖和地表移動(dòng)機(jī)理與規(guī)律:隨著采深的增大,地表下沉具有緩慢、周期長(zhǎng)、活躍期不明顯、主要影響角正切增大、開采影響傳播系數(shù)先增大后減小等特點(diǎn)?；谛熘莸V區(qū)實(shí)測(cè)資料,建立了地表移動(dòng)參數(shù)、概率積分法參數(shù)與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系式,為深部開采地表移動(dòng)參數(shù)選擇提供了依

3、據(jù)。
　　(3)針對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算分析中巖體力學(xué)參數(shù)難選問題,構(gòu)建了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能力學(xué)參數(shù)反演方法,該方法采用正交設(shè)計(jì)確定合理的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本,建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地表下沉與覆巖力學(xué)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。解決了數(shù)值模擬計(jì)算中,覆巖力學(xué)參數(shù)選取難的問題,為獲得可靠的數(shù)值模擬結(jié)果提供了依據(jù)。實(shí)例證明了該方法的合理性和可靠性。
　　(4)根據(jù)采礦進(jìn)程,將深部開采歸納為初采為深部開采、傾斜煤層多水平深部開采、多煤層重復(fù)

4、深部開采三種方式。采用相似材料和數(shù)值模擬方法對(duì)巖層及地表移動(dòng)規(guī)律分別進(jìn)行了研究,獲得了采動(dòng)程度、煤層傾角、采深、多煤層開采對(duì)深部巖層及地表移動(dòng)的影響機(jī)理和規(guī)律:傾斜煤層多水平開采時(shí)地表最大下沉值隨著煤層傾角的增大而減小;地表移動(dòng)邊界角隨著煤層傾角的增大呈線性增大;多個(gè)煤層重復(fù)開采時(shí)地表下沉率較單一煤層開采增長(zhǎng)較多,開采引起的地表移動(dòng)范圍增大等,這些規(guī)律對(duì)于深入認(rèn)識(shí)深部開采覆巖及地表移動(dòng)機(jī)理和規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。
　　(5)在分析基巖和

5、松散層力學(xué)特性及移動(dòng)機(jī)理基礎(chǔ)上,將覆巖分為基巖和松散層兩部分,結(jié)合彈性理論,建立了下沉空間的雙介質(zhì)傳遞模型。該模型包括:1)基本頂初次破斷前的四邊固支的彈性薄板模型;2)基本頂初次破斷后的winkler地基上的四邊簡(jiǎn)支彈性薄板模型;3)松散層內(nèi)任意形狀不均勻下沉空間的三維擴(kuò)散模型。研究為大采深開采覆巖及地表移動(dòng)計(jì)算提供了新方法。
　　(6)以概率積分法基本原理為基礎(chǔ),采用直接對(duì)開采空間積分的方法,構(gòu)建了任意形狀、變采厚、多工作面開

6、采地表移動(dòng)變形極大值的計(jì)算方法,解決了任意形狀、變采厚、多工作面開采地表移動(dòng)變形極大值的計(jì)算問題。開發(fā)了礦區(qū)開采沉陷預(yù)測(cè)分析計(jì)算軟件,該軟件集成了概率積分法和沉陷空間的雙介質(zhì)傳遞模型,為深部開采沉陷預(yù)測(cè)分析提供了基礎(chǔ)。
　　以薛湖煤礦首采工作面為例,采用所建立的遺傳算法進(jìn)行松散層內(nèi)移動(dòng)參數(shù)的反演,取得了良好的效果。以雙介質(zhì)下沉空間傳遞預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算,獲得了地表移動(dòng)變形的極大值等值線,預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合,表明采用所建立的雙

7、重介質(zhì)預(yù)測(cè)模型和方法進(jìn)行大采深地表移動(dòng)的計(jì)算是可靠的。
　　(7)針對(duì)深部開采地表移動(dòng)緩慢、周期長(zhǎng)、采動(dòng)極不充分、預(yù)測(cè)精度低的特點(diǎn),采用PSO-SVM方法時(shí)序?qū)?yōu)的特點(diǎn),建立了基于PSO-SVM的深部開采沉陷長(zhǎng)時(shí)序的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法,該方法可建立地表下沉前期觀測(cè)數(shù)據(jù)和未來預(yù)報(bào)結(jié)果之間的非線性關(guān)系,獲得可靠的長(zhǎng)時(shí)間序列地表動(dòng)態(tài)下沉預(yù)報(bào)結(jié)果,對(duì)深部極不充分開采條件下,長(zhǎng)時(shí)序地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),確定地表動(dòng)態(tài)下沉過程及穩(wěn)沉?xí)r間具有實(shí)際意義。