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适宜倾角变化的开采沉陷一体化预测模型研究

蔡来良  
【摘要】:在我国新出的十二五规划中,煤炭资源的需求量巨大,可能突破40亿吨每年,而且约75%的产量都来自西部,这就对我国西部矿区的环境保护提出了新的挑战。矿区地表沉陷是地下煤矿资源开采对地质环境破坏传递到地表的表现,能够准确地在煤炭资源开采前预计出地表沉陷量,对环境损害的评估和制定应对措施都有很重要的作用。针对目前开采沉陷预计技术体系的地域性限制大,预计模型单一等不足,提出了考虑任意煤层倾角和地表起伏的一体化开采沉陷预计技术体系的构想,并系统地研究了该技术体系的必要组成部分。为了进一步研究煤层倾角对地表沉陷的影响规律,设计并开展了基于煤层倾角变化的系列相似材料模型试验9台,在该实验中利用近景工业摄影测量技术,对模型进行变形监测,获取了优质的实验数据,并针对开采沉陷研究的数据需求,开发了一套实用的实验数据处理程序;通过对数据统计分析,全面掌握了煤层倾角对开采沉陷的影响规律,研究发现,煤层倾角是地表变形曲线非对称性发生的主要原因,同时煤层倾角的变化也导致了采空区变形向地表传递方式的改变,岩体内部变形是地表变形特征形成的内在原因。 通过对规律的分析,研究了基于倾角变化的开采沉陷预计模型,首先,研究了概率积分法对不同倾角煤层开采引起的地表变形预计的适宜性:利用非线性拟合原理,基于试验数据,成功地求取了不同倾角煤层开采概率积分法预计参数。对参数的分析发现,当煤层倾角较大时拐点偏移距值大幅度地偏离了常规范围,失去了原有的物理意义,只是一个纯粹的数学参数;通过分析,发现常用的缓倾斜煤层等影响计算原理不再适宜急倾斜煤层开采沉陷预计;现有的概率积分法,不能解决急倾斜煤层顶板和底板同时出现变形,并传递到地表造成两个下沉中心的问题。第二,对于以上几点问题,提出了新的预计方法,设计了一种新的采空区等影响变换方法,该方法实现了急倾斜煤层开采垮落带岩石向下山方向滑移滚动的模拟,同时对传统的概率积分微元进行扩展,设计了新的概率积分法微元,来解决顶底板同时出现变形的问题。通过实例和实验数据,证明了该新方法的正确性。 通过数字高程模型和开采沉陷预计模型的耦合研究,提出了开采沉陷预计数据组织处理的统一模式,并提出一种基于最小二乘的煤层产状和地表地形的空间分析方法,把山区地表变形预计模型嵌入整个技术体系中,实现了矿区广范适应的开采沉陷一体化预计技术体系的构想;研究了开采沉陷预计系统中,数据操作,数据可视化,计算性能的提高等关键技术,为该技术体系的计算机实现奠定了基础。将该技术体系用于部分矿区,效果良好。 该论文有图80幅,表14个,参考文献134篇。


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