基于概率积分法与VB语言的采空区地表移动变形预测系统研究.pdf

分类号P642 10710-2010126078 硕 士 学 位 论 文 基于概率积分法与 VB 语言的采空区 地表移动变形预测系统研究 朱 锟 导师姓名职称 赵法锁 教授 申请学位级别 硕士 学科专业名称 地质工程 论文提交日期 2013 年5 月28 日 论文答辩日期 2013 年 6 月 4 日 学位授予单位 长安大学 Study on the Prediction System for the Ground Movement and Deation of the Goaf Based on the Probability Integration and the VB Language A Dissertation ted for the Degree of Master CandidateZhu Kun SupervisorProf. Zhao Fasuo Chang’an University, Xi’an, China I 摘 要 矿产资源是国民经济和社会发展的重要物质基础，科学合理地开采矿产资源， 有效保护生态环境是当前研究的主要任务。矿产资源的开采破坏了地下岩体的平衡 状态，一旦破坏传播到地表，就会引发地表的移动变形，使得地表的建筑物、铁路、 水体等构建筑物产生变形，甚至受到不同程度的破坏，严重影响人类生产、生活及 生态环境，制约矿区内经济社会发展。因此，在开采矿产资矿产资源开采的同时， 对其开采后的引发地表移动变形破坏的预测就显得愈发的重要。 本文采用现阶段我国在大量实践过程中采用的概率积分法为主要的预测方法， 对受到矿山开采形成的采空区影响的地表移动变形进行预测，并且基于 VB 语言编 写程序，利用编写的地表移动变形预测系统进行数值计算，计算水平、缓倾斜、倾 斜煤层的任意工作面开采条件下的下沉值、曲率值、倾斜值、水平应变值、水平移 动值等 5 大地表移动变形指标。并且调用 surfer 软件处理计算结果生成等值线图 以及下沉值的三维可视化图，调用 Grapher 软件生成主断面曲线图，为矿山开采对环 境破坏的预测提供科学依据。同时也避免了手工计算以及绘制的图件存在误差大、 效率低、计算繁琐等缺点。 通过对神东矿区某煤矿矿山开采形成的采空区引起的地表移动变形预测对比， 验证了本文设计的系统在运算精度上符合概率积分法计算的结果。再通过与某煤矿 矿山的地表移动变形实际监测值与本系统预测值对比，验证了本文设计的系统的预 测结果准确，能够较好的对矿山开采引发的地表移动变形破坏做出前期预测。在矿 山开采实际应用中提供一定的参考价值。 关键词开采沉陷原理，移动变形，动态模拟，变形预测系统，VB 语言 II Abstract Mineral resource is an important pillar of the national economy. The exploitation of mineral resources broke the equilibrium state of the underground rock. When the destruction of rock mass spread to the surface and caused movement and deation on the surface, the buildings, railway and the water on the surface will have a deation even more are damaged, which affect human production and living and ecological environment seriously, and constrain economic and social development within the mining area . Therefore, in the exploitation of mineral resources while, the prediction of the movement and deation damage on the surface is all the more important after mining. In this paper, the probability integration , which is verified by a lot of practice at this stage in China , is used as the main forecasting s to predict the movement and deation of the ground affected by the goaf. The author relies on the VB language to program and uses the ground movement and deation prediction system prepared to carry out the numerical calculation. The s above can calculate the 5 surface movement and deation predictors of the horizontal, gently inclined and inclined Coal, including the subsidence value ,the curvature value, the tilt value, the horizontal deation and the horizontal displacement value in any mining face conditions, and has the ability to generate contour maps and three-dimensional visualization maps of the subsidence by using surfer software to handle the results and generate the main section curves by using grapher software. It provided a scientific basis for predicting the destruction of the environment caused by the mining and avoided large errors, inefficient and tedious calculations or other shortcomings in the manual calculations and hand-drawn maps. The author verified this system designed in the paper can meet the probability integration calculation in the operational accuracy by comparing the prediction results , and verified that this system designed in the paper has a accurate predictions results by comparing with the actual monitoring data of the ground movement and deation destruction. The system can make a better predictions for surface deation and destruction caused by the III mine exploitation. Keywords principles of mining subsidence, movement and deation, dynamic simulation, deation prediction system, VB language IV 目 录 摘摘 要要 ......................................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................................... II 第一章第一章 绪论绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及意义 .......................................................................................................... 1 1.2 研究历史及现状 .......................................................................................................... 2 1.2.1 开采沉陷及其预测研究发展概况 ................................................................... 2 1.2.2 开采沉陷及其预测的研究方法概述 .............................................................. 4 1.3.3 开采沉陷预测软件发展状况 .......................................................................... 5 1.3 研究的内容 .................................................................................................................. 6 1.4 研究的技术路线 .......................................................................................................... 7 第二章第二章 开采引起地表移动变形预测的基本理论及方法开采引起地表移动变形预测的基本理论及方法 ..................................................... 9 2.1 开采引起地表移动变形预测的基本理论 .................................................................. 9 2.1.1 开采对覆岩岩层移动和破坏的演化过程及破坏形式 ................................... 9 2.1.2 开采对地表的移动变形和破坏的形式 .......................................................... 11 2.1.3 地表的移动和破坏的形式中地表移动盆地的特征 ..................................... 13 2.1.4 地表移动变形情况的衡量指标 ..................................................................... 14 2.1.5 地表移动变形预测的内容 ............................................................................. 15 2.2 开采引起地表移动变形预测的基本方法 ................................................................ 16 2.2.1 基于实测资料的经验方法 ............................................................................. 16 2.2.2 影响函数方法 ................................................................................................. 17 2.2.3 理论模拟法 ..................................................................................................... 18 2.3 小结 ........................................................................................................................... 19 第三章第三章 利用概率积分法预测地表移动变形利用概率积分法预测地表移动变形 ....................................................................... 21 3.1 概率积分法预测地表移动变形的基本原理 ........................................................... 21 3.1.1 随机介质模型理论 ........................................................................................ 21 3.1.2 缓倾煤层半无限开采时走向主断面上地表移动变形预测 ......................... 24 3.2 移动盆地内任意点地表移动变形预测 .................................................................... 26 3.3 走向主断面上地表移动和变形最大值及其位置 .................................................... 29 3.4 应用概率积分法进行地表移动变形预测所需的主要参数 ................................... 30 V 3.4.1 各地表移动变形预测计算参数定义 ............................................................ 30 3.4.2 预测计算参数与覆岩性质以及地质、开采技术条件的关系 ..................... 31 3.5 小结 ........................................................................................................................... 34 第四章第四章 地表移动变形预测系统设计地表移动变形预测系统设计 .................................................................................. 35 4.1 系统需求分析 ........................................................................................................... 35 4.2 系统主要功能 ........................................................................................................... 35 4.3 地表移动变形预测系统窗体设置 ........................................................................... 36 4.4 系统主要功能的算法设计 ....................................................................................... 39 4.4.1 预测任意工作面地表移动变形等值线图 .................................................... 39 4.4.2 三维下沉图 .................................................................................................... 43 4.4.3 预测走向主断面地表移动变形曲线图 ........................................................ 44 4.5 小结 ............................................................................................................................ 46 第五章第五章 基于基于 VB 语言的地表移动变形预测系统的算法设计语言的地表移动变形预测系统的算法设计 .......................................... 47 5.1 任意开采面对地表移动变形破坏的预测算法及程序实现 ................................... 47 5.1.1 积分区间的划分原理 .................................................................................... 47 5.1.2 计算机 vb 语言实现不规则工作面的三角剖分及确定积分上下限 .......... 49 5.2 积分计算的程序实现 ............................................................................................... 51 5.2.1 积分计算算法 ................................................................................................ 51 5.2.2 积分计算 vb 语言实现实现 ........................................................................... 53 5.3 调用 surfer 生成地表移动变形等值线图和三维可视化图程序实现 ..................... 55 5.3.1 生成等值线图及程序实现 ............................................................................. 55 5.3.2 生成三维下沉图 ............................................................................................. 57 5.4 调用 Grapher 生成地表移动变形曲线图机程序实现 ............................................. 58 5.5 程序算法流程 ............................................................................................................ 59 第六章第六章 地表移动变形预测系统实例应用地表移动变形预测系统实例应用 ............................................................................ 61 6.1 实例一应用 ................................................................................................................ 61 6.1.1 矿区位置概况 ................................................................................................. 61 6.1.2 地层岩性 ........................................................................................................ 61 6.1.3 煤系与煤层 .................................................................................................... 62 6.1.4 主要煤层顶底板岩石工程地质特征 ............................................................ 63 6.1.5 预测采空区范围 ............................................................................................ 64 VI 6.1.6 基于覆岩综合评价系数 P 法的地表移动计算参数 .................................... 65 6.1.7 软件计算地表移动与变形等值线图 ............................................................ 68 6.1.8 生成三维下沉图 ............................................................................................ 70 6.1.9 软件计算走向主断面地表移动与变形曲线 ................................................ 71 6.2 实例一对比分析 ....................................................................................................... 73 6.2.1 利用查表法计算实例一走向主断面地表移动与变形曲线 ........................ 73 6.2.2 对比分析 ........................................................................................................ 80 6.3 实例二应用 ............................................................................................................... 83 6.3.1 矿区基本情况 ................................................................................................ 84 6.3.2 矿区预测参数选取 ........................................................................................ 84 6.3.3 走向主断面地表移动变形预测曲线图 ......................................................... 84 6.4 实例二对比分析 ....................................................................................................... 86 6.4.1 矿区实测数据 ................................................................................................ 86 6.4.2 对比分析 ........................................................................................................ 86 6.5 小结 ........................................................................................................................... 89 结论与展望结论与展望 .............................................................................................................................. 91 1 结论 .............................................................................................................................. 91 2 展望 .............................................................................................................................. 91 参考文献参考文献 .................................................................................................................................. 93 附附 录录 ...................................................................................................................................... 95 攻读学位期间取得的研究成果攻读学位期间取得的研究成果 ............................................................................................ 113 1．发表的论文 ............................................................................................................... 113 2．参加科研项目 ........................................................................................................... 113 致致 谢谢 ..................................................................................................................................... 114 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 随着国民经济的持续发展，矿产资源作为工业的重要物质基础，关系到国民经济以 及社会发展、人民生活的各个方面，人们越来越依赖于矿产资源无法替代的作用。在国 民经济和社会发展中所起的作用是不可估量的，其所利用的程度能够衡量一个国家的经 济发展状况。 以陕西省煤炭资源为例，陕西省含煤面积 5.7 万平方公里，约占全省国土面积的 27.7，主要分布在榆林、渭南、咸阳、延安、铜川、宝鸡等 6 市，按成煤时代和地域 划分为陕北侏罗纪、陕北石炭二叠纪、陕北三叠纪、黄陇侏罗纪、渭北石炭二叠纪五大 煤田， 全省预测煤炭资源量 3800 亿吨。 截止 2012 年底， 全省累计探明储量 1689.7 亿吨， 保有资源储量 1641.6 亿吨，居全国第四位，有煤炭矿区 225 个，煤炭资源潜在经济价值 8 万多亿元。全省煤炭矿山占有资源储量 350 多亿吨，占全省保有资源储量 20左右。 陕西省现有煤炭矿山 527 个，年生产原煤 4.6 亿吨，完成矿业产值 1800 多亿元，实现利 税 800 多亿元，煤炭资源作为陕西经济发展的重要支柱产业，在全省整个国民经济中占 有重要的地位。预计到“十二五”末，陕西省煤炭资源产能将达到 6 亿吨。 由此可以看到，矿产资源对国民经济的发展有着举足轻重的作用，对于矿产资源的 开发，首先要将矿产资源开采出来，才能为人类所利用。但是，由于矿产资源的开采， 矿山开采活动强烈改变了矿区内部的应力平衡系统，影响了开采区域周围岩体的稳定 性， 导致矿区成为地质应力变化最集中的表现区域， 使其岩层发生移动、 变形甚至破坏。 如果开采面积达到了一定的特定范围之后，岩层所产生的移动变形将扩展至地表，引起 地表移动变形等地面塌陷、地裂缝、崩塌等地质灾害。 所谓的开采沉陷[1]，英文称为 Mining subsidence，就是指，将资源开采出来后，改 变了采空区或开采工作面周围的原始应力的平衡，岩体的应力平衡被打破后，其需要寻 求一种另外的组合分布，已到达一种全新的平衡状态。在此过程中，岩体或者地表会产 生一定的移动变形或者非连续性的破坏，反映到地表就形成开采沉陷。 当岩体的移动变形破坏传播到地表，引发地表的移动变形后，地表的建筑物、铁路、 水体受到开采的影响，其原有状态将会发生改变，更严重可能会发生破坏，此类改变和 第一章 绪论 2 破坏定义为采动损害[1]。开采沉陷所引发的损害是突发的地质灾害，其引发的一系列的 地质灾害，最终可能会产生包括房屋或耕地受到破坏、道路发生裂缝或者产生变形、地 下水干枯等影响，还可能会发生泥石流、山体滑坡等次生灾害，更为严重可能会诱发地 震，对矿区内居民的正常生产、生活秩序造成了严重影响。 为了减小开采沉陷对地质环境、人类生活的的影响，煤矿开采应该尽可能利用科学 的生产方式，更加注重保护环境。据此有学者提出了煤炭的“清洁生产”[2]，所谓“清 洁生产”其理念是指在开采之前给定损害，开采中限制开采，防患于未然。其中“给定 损害”是指人类以及环境能够承受最大的对环境的开采破坏预先做出评估。 “限制开采” 指的是地表的各类生态环境不因为地下的开采而发生各种地质灾害的为了达到此目的， 需要在开采时候限制开采的强度。 “清洁生产”所要达到的最终目标是能够合理利用各 类资源，并且将资源开采对生态环境的影响程度减小的最低，将开采后对环境的破坏治 理转变为在开采前对破坏的提前防范。在可持续发展的前提下，达到社会发展与环境最 佳的优化组合。 鉴于以上情况，如何有效准确地对开采沉陷进行预测，快速、准确、直观的对 地表移动变形进行计算，成为开采沉陷预测的关键问题。要解决好这个问题，涉及 了许多方面的因素，但最重要的需要对开采沉陷的机理、预测、防范进行深入的研 究。 1.2 研究历史及现状 1.2.1 开采沉陷及其预测研究发展概况 开采沉陷学其所研究的问题涉及到多个领域[3]，主要涉及采矿学科、测量学科、地 质学科、统计学科、岩石力学学科和计算科学学科等，以地下矿产资源地下开采而引起 发岩层或地表的移动变形为其学科的研究内容。国内外的诸多研究学者进行了系统的、 大量的研究，已形成了一个系统的学科。 自从 1838 年， 比利时人哥诺特提出了利用某些相应点的层面方法可以确定采空区工 作面上边界与下边界所能影响到的范围的 “垂线理论” 。之后，在此研究的基础上，一 系列的理论被各国学者提出。德国的凯因斯特提出了“水平移动算式理论” ，裴约尔提 出了“拱形理论” ，依琴斯凯提出了“二等分线理论”[4]，史米茨、巴尔斯、凯因霍尔斯 长安大学硕士学位论文 3 特等学者提出的“连续影响分布的影响函数”理论。申结合经验，阿维尔建立了“指数 函数形式的剖面方程”[5]。 1931 年德国的高等学校开设了开采沉陷学这门课程。1949 年德国学者 Niemczyk.o 出版了其著作Bergschadenkunde[6]，本书是开采沉陷学的第一本具有代 表性的著作。该书通过大量的实测资料，分析总结出了一套系统的地表移动的规律，并 且， 将此规律利用移动变形曲线来表示出来。 在此两年前， 苏联学者阿威尔辛出版了 煤 矿地下开采的岩层移动一书[5]，作者在该书中阐述了当开采煤层属于水平和倾斜煤层 情况开采时