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《中国矿业大学》 2012年
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深部开采地表沉陷规律及预测方法研究

李培现  
【摘要】:随着煤炭资源开采向深部延伸,深部开采沉陷规律及预测方法成为开采沉陷研究者关注的热点,对此进行研究,具有重要的理论和实际意义。本文在现场实测、相似模拟和数值模拟分析的基础上,结合力学理论,明确了深部开采覆岩和地表移动机理与规律,构建了深部开采地表沉陷预测方法,为深部开采地表沉陷预测及建(构)筑物损害评价提供了技术方法,主要工作及成果如下: (1)建立了基于遗传算法的概率积分法参数反演方法,解决了大采深长周期任意形状多工作面开采地表移动观测站概率积分法参数反演问题。与直接搜索算法相比,该法适用于任意形状、多工作面概率积分法参数反演,且计算精度、效率更高。 (2)在分析研究现场实测资料基础上,明确了深部开采覆岩和地表移动机理与规律:随着采深的增大,地表下沉具有缓慢、周期长、活跃期不明显、主要影响角正切增大、开采影响传播系数先增大后减小等特点。基于徐州矿区实测资料,建立了地表移动参数、概率积分法参数与地质采矿条件的关系式,为深部开采地表移动参数选择提供了依据。 (3)针对数值模拟计算分析中岩体力学参数难选问题,构建了基于BP神经网络的智能力学参数反演方法,该方法采用正交设计确定合理的BP神经网络训练样本,建立了基于BP神经网络的地表下沉与覆岩力学参数之间的数学模型。解决了数值模拟计算中,覆岩力学参数选取难的问题,为获得可靠的数值模拟结果提供了依据。实例证明了该方法的合理性和可靠性。 (4)根据采矿进程,将深部开采归纳为初采为深部开采、倾斜煤层多水平深部开采、多煤层重复深部开采三种方式。采用相似材料和数值模拟方法对岩层及地表移动规律分别进行了研究,获得了采动程度、煤层倾角、采深、多煤层开采对深部岩层及地表移动的影响机理和规律:倾斜煤层多水平开采时地表最大下沉值随着煤层倾角的增大而减小;地表移动边界角随着煤层倾角的增大呈线性增大;多个煤层重复开采时地表下沉率较单一煤层开采增长较多,开采引起的地表移动范围增大等,这些规律对于深入认识深部开采覆岩及地表移动机理和规律奠定了基础。 (5)在分析基岩和松散层力学特性及移动机理基础上,将覆岩分为基岩和松散层两部分,结合弹性理论,建立了下沉空间的双介质传递模型。该模型包括:1)基本顶初次破断前的四边固支的弹性薄板模型;2)基本顶初次破断后的winkler地基上的四边简支弹性薄板模型;3)松散层内任意形状不均匀下沉空间的三维扩散模型。研究为大采深开采覆岩及地表移动计算提供了新方法。 (6)以概率积分法基本原理为基础,采用直接对开采空间积分的方法,构建了任意形状、变采厚、多工作面开采地表移动变形极大值的计算方法,解决了任意形状、变采厚、多工作面开采地表移动变形极大值的计算问题。开发了矿区开采沉陷预测分析计算软件,该软件集成了概率积分法和沉陷空间的双介质传递模型,为深部开采沉陷预测分析提供了基础。 以薛湖煤矿首采工作面为例,采用所建立的遗传算法进行松散层内移动参数的反演,取得了良好的效果。以双介质下沉空间传递预测模型进行预测计算,获得了地表移动变形的极大值等值线,预测结果和实测结果吻合,表明采用所建立的双重介质预测模型和方法进行大采深地表移动的计算是可靠的。 (7)针对深部开采地表移动缓慢、周期长、采动极不充分、预测精度低的特点,采用PSO-SVM方法时序寻优的特点,建立了基于PSO-SVM的深部开采沉陷长时序的预测预报方法,该方法可建立地表下沉前期观测数据和未来预报结果之间的非线性关系,获得可靠的长时间序列地表动态下沉预报结果,对深部极不充分开采条件下,长时序地表移动变形预测预报,确定地表动态下沉过程及稳沉时间具有实际意义。 (8)结合徐州矿区庞庄煤矿张小楼井对刘集镇主镇区保护煤柱的设计以及三河尖矿7143工作面开采沉陷预测分析项目,运用所获得的大采深地表移动规律进行了刘集镇主镇区保护煤柱设计;采用双介质模型进行三河尖矿房屋及堤坝下采煤移动变形预测。工程应用表明本文所获得的结论和方法可以作为深部压煤开采设计及地表沉陷预测计算依据,为指导徐州矿区“三下”采煤工作提供了科学的依据。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TD325.2

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