五阳矿浅埋厚煤层开采地表沉陷规律研究及系统开发.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 王云广 指 导 教 师 柴华彬 副教授 专 业 名 称 测绘科学与技术 研 究 方 向 矿区开采沉陷与土地复垦 河南理工大学测绘与国土河南理工大学测绘与国土信息信息工程学院工程学院 二○一二○一二二年年 六六 月月 五阳矿浅埋厚煤层开采地表沉陷规律研究及系统开发五阳矿浅埋厚煤层开采地表沉陷规律研究及系统开发 五 阳 矿 浅 埋 厚 煤 层 开 采 地 表 沉 陷 规 律 研 究 及 系 统 开 发 王 云 广 河 南 理 工 大 学 万方数据 中图分类号中图分类号TD175TD175 密密 级级公开公开 UDCUDC528.4 528.4 单位代码单位代码1046010460 五阳矿浅埋厚煤层开采地表沉陷规律研究 及系统开发 Research on Surface Subsidence Laws of Shallow Thick Coal Mining in Wuyang Coal Mine and System Development 申请人姓名申请人姓名 王云广王云广 申 请 学 位申 请 学 位 工学工学硕士硕士 学科专业学科专业 测绘科学与技术测绘科学与技术 研究方向研究方向 矿区开采沉陷矿区开采沉陷 与土地复垦与土地复垦 导师导师 柴华彬柴华彬 职称职称 副教授副教授 提 交 日 期提 交 日 期 2012.04 答 辩 日 期答 辩 日 期 2012.06 河南理工大学 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文五阳矿浅埋厚煤层开采地表沉陷规律研究及系 统开发，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加 以标注和致谢的地方外， 不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用 影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 万方数据 致致 谢谢 春暖花开，在论文付梓之际，心中充满感激之情。首选衷心感谢我敬爱的导 师柴华彬副教授，论文是在柴华彬老师的精心指导下完成的，从论文的选题、开 题、方案的制定、技术路线的选择直至最后的定稿，各个方面都离不开柴老师热 情耐心的帮助和教导。经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重 水复疑无路,柳暗花明又一村”的欣喜。 近三年的研究生学习，柴老师严谨求是的治学态度、平易近人的学术风格、 勤勤恳恳的工作作风、坚持不懈的科研精神时刻感染着我。授人以鱼不如授人以 渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我转变了懒散的思想观念，树立了正确 的学术目标。您的教诲与鞭策将激励我在科学研究的道路上努力进取，开拓创新。 感谢河南理工大学的陈俊杰教授，他给我讲解论文、解决技术难题、传授经 验，遇到写作困难，提供解决思路，给我积极可行的建议，陈老师治学严谨、诚 信宽厚的为人处世风格，都为我今后的工作树立了优秀的榜样。 感谢师弟张子月、刘瑞斌、宋博等，是他们让我尽快进入开采沉陷的知识领 域，给我团队的归属感和自豪感。 特别感谢潞安集团五阳矿的矿领导和相关科室，没有您们的大力支持和配合， 就没有论文里的基础资料和数据。 感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同事，以及在系统开发中 所引用文献的各位著、编、译者。 最后衷心感谢在百忙之中审阅论文的各位专家、教授致以深深的感谢。 由于时间和作者水平有限，诚信恳求各位专家对本文批评指正。 作者作者 王云广王云广 20122012 年年 4 4 月月于河南理工大学于河南理工大学 万方数据 万方数据 I 摘 要 开采沉陷的准确预计是煤矿安全生产、地表及岩层沉陷控制的前提。从五阳 矿7511工作面浅埋厚煤层开采地表移动观测站的观测数据入手，重点研究了该矿 开采地质条件下的岩移参数、地表沉陷规律、并针对该矿浅埋厚煤开采易出现地 表裂缝的特点，对裂缝形成机理、发育分布规律进行了研究、推导出地表裂缝发 育的极限发育深度和宽度的计算公式和给出了裂缝发育位置的判定原则，从而为 地表裂缝发育和分布准确预计提供了理论依据。在对该矿开采地表沉陷规律研究 的基础上，使用Matlab为平台开发了浅埋厚煤层开采地表陷预计系统,并应用该系 统对该矿7511工作面和7512工作面开采地表沉陷进行了预计。根据预计结果，划 定了开采地表沉陷对地表民房的破坏区域和等级。该预计系统使用方便、预计结 果准确可靠、可视化成果好，能满足五阳矿浅埋厚煤层开采条件下的地表沉陷预 计的需要。同时该系统也能为类似开采地质条件下的煤炭开采进行地表沉陷预计， 为相关采煤工作面设计、土地复垦和综合治理提供技术手段支持和依据。 关键词关键词开采沉陷，移动和变形，岩移参数，系统开发 万方数据 II Abstract The precise prediction on mining subsidence is a precondition in order to safety production and subsidence control. In this thesis, the author especially focus on strata movement parameters, surface subsidence laws, and finding the reasons of surface crack’s development, the cracks distributing laws, the obtained the calculation ula of the crack’s limit depth and width, given the crack positions judgment principles in the light of the observation data. All of this provided theoretical basis for the precise prediction of mining subsidence. The subsidence prediction software on the shallow thick coal seam was developed with Matlab software on the basis of the surface subsidence laws. The 7511 and 7512 working faces movement and deation were predicted when the system has been finished. The buildings’ damage ranks and areas were got on the result of prediction. The application results show that the system is convenient to use, the calculated results are accurate and reliable, visual effect is good, and can meet the demands of the Wuyang coal mine’s ground movement and deation prediction. Also the system can be use at similar conditions of coal mine for the mining design of the workface, land reclamation and decision making. Key words mining subsidence, movement and deation, strata movement param- eter, system development 万方数据 III 目 录 摘摘 要要 .......................................................................................................................... I I 目目 录录 ...................................................................................................................... IIIIII 1 1 绪绪 论论 ........................................................................................................................ 1 1 1.1 选题的背景及意义 ................................................. 1 1.2 研究现状 ......................................................... 2 1.3 研究内容 ......................................................... 3 1.4 研究方法、技术路线 ............................................... 4 1.4.1 研究方法 ................................................................. 4 1.4.2 技术路线 ................................................................. 4 1.5 本论文主要解决的问题 ............................................. 4 1.6 特色与创新 ....................................................... 5 2 2 五阳矿五阳矿 75117511 观测站及观测成果观测站及观测成果 .............................................................................. 7 7 2.1 矿区概况 ......................................................... 7 2.2 观测站设置及观测 ................................................. 7 2.2.1 观测站设置的目的 ......................................................... 7 2.2.2 观测站的设置 ............................................................. 8 2.3 观测成果 ......................................................... 8 2.4 本章小结 ........................................................ 12 3 3 五阳矿浅埋厚煤层开采地表沉陷规律五阳矿浅埋厚煤层开采地表沉陷规律 ................................................................. . 1313 3.1 概述 ............................................................ 13 3.2 地表移动和变形分布规律 .......................................... 13 3.3 地表裂缝发育及分布规律 .......................................... 16 3.4 地表移动的角量参数 .............................................. 18 3.5 地表裂缝形成的机理 .............................................. 22 3.5.1 地表裂缝的影响因素 ...................................................... 22 3.5.1 地表裂缝形成的机理 ...................................................... 23 万方数据 IV 3.6 本章小结 ........................................................ 25 4 4 五阳矿地表沉陷预计参数的求取五阳矿地表沉陷预计参数的求取 ..........................................................................2727 4.1 概述 ............................................................ 27 4.2 曲线拟合函数 .................................................... 27 4.2.1 走向方向地表沉陷拟合函数 ................................................ 27 4.2.2 倾向方向地表沉陷拟合函数 ............................................... 28 4.3 非线性拟合求参理论模型 .......................................... 30 4.4 拟合求参的程序实现 .............................................. 32 4.5 预计参数的求取 .................................................. 34 4.5.1 预计参数的定义 .......................................................... 34 4.5.2 预计参数的拟合 ......................................................... 35 4.5.3 预计参数可靠性验证 ..................................................... 40 4.5.4 预计精度分析与评价 ...................................................... 42 4.6 本章小结 ........................................................ 42 5 5 开采沉陷预计分析系统开发开采沉陷预计分析系统开发 ..................................................................................4343 5.1 概述 ............................................................ 43 5.2 系统的开发环境 .................................................. 44 5.3 系统功能模块及结构 .............................................. 45 5.4 开采沉陷预计模型 ................................................ 46 5.4.1 地表任意点的移动变形预计模型 ............................................ 46 5.4.2 地表裂缝发育的预计模型 .................................................. 48 5.5 系统功能模块实现 ................................................ 50 5.5.1 主断面拟合求参 Matlab 计算程序 .......................................... 50 5.5.2 任意点地表变形移动预计程序 ............................................. 52 5.5.3 地表移动变形矩阵数据转换成三维坐标的 Matlab 实现 ........................ 53 5.6 系统主要功能 .................................................... 54 5.6.1 地表任意点的移动变形预计及可视化 ........................................ 57 5.6.2 地表裂缝发育的预计 ..................................................... 61 5.7 本章小结 ........................................................ 61 万方数据 V 6 6 工程应用工程应用 .................................................................................................................. 6363 6.1 工程概况 ........................................................ 63 6.2 地表沉陷预计及可视化 ............................................ 63 6.2.1 预计参数确定 ............................................................ 63 6.2.2 地表移动变形的预计 ...................................................... 64 6.3 地表及建筑物损害等级评定 ........................................ 66 6.3.1 损害等级评定的标准 ...................................................... 66 6.3.2 损害等级评定 ............................................................ 67 6.4 地表裂缝预计 .................................................... 70 6.4.1 地表裂缝深度和宽度预计 .................................................. 70 6.4.2 地表裂缝范围预计 ........................................................ 71 6.5 本章小结 ........................................................ 72 7 7 结论与展望结论与展望 .............................................................................................................. 7373 7.1 主要结论 ........................................................ 73 7.2 展望 ............................................................ 73 参考文献参考文献 .................................................................................................................... 7575 作者简历作者简历 .................................................................................................................... 7979 学位论文数据集学位论文数据集.......................................................................................................... 8181 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 选题的背景及意义 近年来，随着我国煤炭资源不断开采，开采沉陷区面积也在逐年增大。统计 结果显示，目前，全国煤矿累计塌陷面积多达 45 亿 m 2，加上过去一些矿区对已有 的采煤塌陷地疏于治理，造成的损失已经超过 500 亿元，而在一些煤炭资源型城 市，如鹤岗、鸡西、双鸭山等采空塌陷情况尤为严重 [1]。不断增加的采煤沉陷区 导致大量优良农田生产能力下降甚至无法耕种、地表建筑物因地表变形影响正常 使用甚至损毁严重不能使用、沉陷区地表长期积水、山体滑坡、生态环境遭到破 坏、环境污染、工农矛盾紧张等一系列重大经济社会问题。 另一方面，我国经济社会发展正处于工业化、城镇化建设阶段，国内生产总 值逐年提高。在这种情况下，我国在未来相当长的时期内，经济社会对煤炭资源 的需求是刚性的，也就是说煤炭资源的开采量与需求量都将持续增长，这也就意 味着我国煤矿开采沉陷区域将逐年扩大，同时随着诸多开采条件相对较好的矿区 煤炭资源储量的减少或枯竭，为解放地下更多的煤炭资源，新建或规划设计的矿 井将不可避免的向“三下”或更深部煤层进军。 在此情况下，如何做到既安全、合理、高效的解放地下更多的煤炭资源，尽 可能的做到少浪费或不浪费，又科学、妥善的缓解甚至是解决经济快速发展时期 地表建（构）筑物的保护问题，水体下、铁路下安全采煤以及开采沉陷区土地的 复垦和合理利用问题。维持社会经济建设又好又快发展，做到既解决社会发展对 能源的巨大需求的现实需要，又较好的保护了矿区的生态环境，是摆在煤炭开采 企业和政府相关职能部门面前的一项亟待解决的重大课题。 五阳矿建矿于 1956 年， 已有 56 年的采矿历史， 累计为社会奉献了 6000 多万 吨的优质配焦煤。目前，五阳矿原建井设计采区内的煤已全部采完。为延长矿井 服务年限，解放更多的煤炭资源，创造更大的经济价值和社会价值。五阳矿被迫 进行矿井西北方向村庄下的浅埋厚煤层七五采区进行煤炭开采。 经实地探查， 该区域有 10499 万吨的煤炭储量，若对该区域的煤炭资源成功开采，必将产生明 显的经济效益和社会效益。 五阳矿七五采区煤层厚度大， 按照文献[2]的划分， 属于典型的浅埋煤层开采。 七五采区地表为村庄，且没有该区域地表移动规律的系统系统研究，故在大规模 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 开采该采区的煤炭资源时，必须对该采区的开采沉陷规律进行认真、全面的研究 总结，并有针对性的进行开采地表沉陷预计系统的开发，以全面预计整个七五采 区开采的地表沉陷规律，为相关保护措施的制定提供科学的理论支撑。同时该研 究成果也可作为类似地质开采条件下的矿区参考和借鉴，这对于进一步掌握地表 沉陷规律及为地表沉陷规律的研究提供了新的例证。 论文选题来源于河南省科技厅重点科技攻关项目 （102102210196） 、 煤炭工业 协会科研计划 （MTKJ2010-375） ， 基础资料来源于河南理工大学与潞安环能股份公 司合作研究课题 （潞安矿区岩层与地表移动规律及参数综合研究） 。 论文主要针对 五阳矿浅埋厚煤层开采地表沉陷规律、岩移动参数进行了研究，在此基础上开发 了开采沉陷预计分析系统。论文研究成果对于指导五阳矿“三下” （建筑物下、铁 路下、水体下）压煤高效、安全开采、提高资源回收率，控制地表沉陷，保护地 表村庄建筑物等，均具有十分重要理论价值和现实意义。 1.2 研究现状 我国对开采沉陷地表移动的规律研究比国外晚， 上世纪 50 年代以后， 我国学 者对开采沉陷地表移动变形逐渐深入和活跃。经过几十年的努力，业已积累了大 量的实测资料并在借鉴、消化吸收、国外先进技术经验的基础上，国内逐渐形成 了完整的知识体系和预计方法， 较好的服务了我国采煤沉陷区的预计和治理工作。 国内在浅埋厚煤层开采沉陷规律研究及系统开发方面的研究成果主要有陕 煤集团张家峁矿业有限公司的郑永飞、郭佐宁、王碧清等对通过对张家峁煤矿 15201 试采工作面大采高综采面地表移动进行了实测，揭示了浅埋煤层大采高 6.3m在工作面推进过程中地表岩层的移动规律，并分析了由于上覆松散层厚度 变化时周期来压期间的破坏和动载机理,得出了浅埋煤层大采高综采面开采后地 表岩层移动规律,为类似煤层赋存条件的矿井开采提供了理论基础 [3]。 中国矿业大 学的张聚国、栗献中研究发现浅埋煤层矿压显现规律不同于普通埋深煤层，他们 采用地表变形观测、理论分析的方法研究浅埋深煤层开采地表移动变形规律，研 究结果表明工作面覆岩不存在“三带” [4]。西安科技大学的汤伏全、姚顽强、夏 玉成等对薄基岩下浅埋煤层开采地表沉陷预测方法进行了研究，得出了矿区薄基 岩下浅埋煤层综采工作面上覆基岩的断裂下沉机理,以及基岩控制层破断与工作 面周期来压及地表沉陷之间的动态关系 [5]。侯忠杰、谢胜华等对地表厚土层浅埋 万方数据 1 绪 论 3 煤层开采进行了模实验研究 [6]，他们通过相似材料模拟实验，掌握了厚粘土层下 浅埋煤层开采的矿压显现规律。宣以琼对薄基岩浅埋煤层覆岩破坏移动演化规律 进行了研究 [7]，确立了薄基岩浅埋煤层覆岩采动破坏“两带”高度的动态变化特 征，提出了长壁工作面开采防水突水溃砂的调控技术，为薄基岩浅埋煤层推广高 效开采技术及保护环境奠定了基础。张恩强、彭文庆对浅埋煤层分层开采覆岩移 动规律进行了模拟研究 [8]，他们根据模拟结果，分析了随着工作面采动和推进， 上覆岩层的破断过程、特征与来压特点。 在开采沉陷区裂缝研究方面淄博市国土资源局张店分局姚娟等以兖州矿区 为例，根据实地观测数据，研究了开采沉陷区地表裂缝的发育、分布特征、宽度 以及深度的变形规律，她们通过研究得出了地表移动变形极值（裂缝最大深度和 宽度）相对于工作的位置 [9]。西安工业学院何晖、王云虎等研究了渭北沉陷区地 表裂缝规律对村镇民房的影响 [10]。吴侃、李亮等确定了煤层高强度开采引起的非 连续变形对地面建构筑物的破坏程度，对开采引起的地表土体裂缝极限发育深 度进行了探讨 [11]。 中国矿业大学的李亮等研究了以三维激光扫描数据为基础的小 波分析在沉陷区地表裂缝信息方法，较好的进行了裂缝位置的判别，为裂缝信息 的提取研究提供了另一种思路 [12]。 地表开采沉陷预计系统开发方面北京科技大学的王喜富等对矿区铁路沉陷 预计、治理专家系统进行了研究 [13]。中国矿业大学的曹丽文、姜振泉对人工神经 网络在煤矿开采沉陷预计中的应用进行了研究 [14],提出了利用人工神经网络技术 进行开采沉陷定量预测的新方法。朱长春开发了开采沉陷地表变形计算与分析软 件系统 [15]，该软件系统能够根据相应的参数计算一般条件下的地面变形计算。罗 亮、 曾涛等用 GIS 三维可视化技术对矿山开采沉陷进行了模拟计算 [16],设计了某地 的仿真实验，得到了沉陷预计云图以及三维可视图。 1.3 研究内容 论文在整理、分析研究五阳矿 7511 工作面地表移动观测站观测成果基础上， 分析五阳矿 7511 工作面浅埋厚煤层开采地表沉陷岩移参数、 分析移动变形规律和 裂缝发育规律，并对开采沉陷预计分析系统进行了开发。主要研究内容如下 （1）根据五阳矿 7511 观测站的实测数据，求取相应的岩移角量参数（如 边界角δ0、 β0、 γ0、 λ0；移动角δ、β、γ、λ；裂缝角δ′、β′、 γ′、 λ′； 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 4 最大下沉角θ、充分采动角ψ等）和动态移动参数； （2）运用曲线拟合理论，通过对地表移动观测站实测数据的拟合求取 7511 工作面的概率积分法预计参数； （3）预计地表任意点的移动变形； （4）划分地表移动变形对工作面上方民房的破坏等级； （5） 对五阳矿七五采区浅埋厚煤层开采地表裂缝发育极限深度、 极限宽度进 行预计，并划定地表裂缝发育范围； （6）采用 Matlab 编程软件，开发开采沉陷预计系统。 1.4 研究方法、技术路线 1.4.1 研究方法 （1）整理、分析地表移动观测站的观测数据，绘制地表变形移动的实测曲线 图，并求取相应的岩移角量参数； （2） 以概率积分法为地表沉陷预计公式和以弹性力学中的莫尔-库伦破坏准则 推导的裂缝发育理论公式为模型，Matlab编程软件为开发平台，进行开采地表沉陷 预计系统的开发。 （3） 将系统应用到工程实例中， 以验证系统设计的合理性及各系统功能模块 的可靠性。 1.4.2 技术路线 以地表移动观测站观测资料数据为基本，以开采沉陷概率积分法预计公式及 裂缝预计公式为理论模型，以Matlab编程软件为开发平台，并适当借利用Surfer、 AutoCAD软件（利用这些软件提供的数据接口，按照相应的数据格式要求，实现 数据的导入或导出）所提供的数据交换接口，开发简洁、实用、功能丰富的开采 地表沉陷规律预计系统，并将所开发的系统应用到具体的实测数据中，以此检验 系统的可靠性和准确性。本论文的研究方法和技术路线如图1-1所示。 1.5 本论文主要解决的问题 （1）分析五阳矿 7511 地表移动观测站观测数据，求取地表岩移角量参数。 万方数据 1 绪 论 5 （2）求取开采沉陷预计的概率积分法预计参数，对 7511、7512 工作面开采进行 全盆地地表沉陷预计。 （3）7511、7512 工作面开采地表裂缝发育预计，裂缝区域 的划定。 （4）空间叠加分析预计成果，划分地表变形移动对地表民房的破坏等级 和范围的等级及影响范围。 （5）地表沉陷预计系统的开发和应用。 图图 1 1- -1 1 本文的技术路线图本文的技术路线图 Fig.1-1 The technical route chart of the article 1.6 特色与创新 （1）研究了五阳矿 7511 工作面浅埋厚煤层开采的地表裂缝发育规律。研究 发现，五阳矿 7511 工作面地表裂缝发育是因为煤层埋藏浅、开采厚度大、工作面 推进速度快、地表水平移动大等原因引起的；从裂缝时间上划分，地表裂缝一般 都有一个完整的发育周期，该周期可划分为四个阶段，分别为积累期、产生期、 扩展期和闭合期；研究中还发现，由于地表裂缝具有吸收水平变形的能力，两条 裂缝一般不会紧密相邻，而是存在一定的距离间隔，这个间隔基本上同老顶周期 来压垮落距相当。 （2） 根据五阳矿浅埋厚煤层开采地表裂缝的分布规律和裂缝形成机理， 推导 实测数据分析、绘图 拟合计算概率积分参数 主断面地表移动预计 全盆地移动移动预计 预计模型求参 角量参数计算 参数精度、可靠性分析 地 表 覆 岩 性 绘制主断面拟合图 数 值 计 算 立 体 图 绘 制 等 值 线 绘 制 裂 缝 预 计 叠 加 分 析 打 印 输 出 裂 缝 发 育 计 算 地表 裂缝 分布 研究 裂 缝 分 布 规 律 地表裂缝预计 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 6 出了地表裂缝位置、方位、宽度和深度的计算公式；开发的开采沉陷预计分析系 统实现了地表裂缝的预计和可视化分析功能。 万方数据 2 五阳矿 7511 观测站及观测成果 7 2 五阳矿 7511 观测站及观测成果 2.1 矿区概况 五阳煤矿是山西省潞安环保能源开发股份有限公司所属的一座大型现代化矿 井，其前身是始建于煤矿 1956 年的潞安煤矿。目前，该矿生产能力达到 190 万吨 /年。五阳煤矿位于潞安矿区北东部边缘，属长治市襄垣县管辖（如图 2-1） 。五 阳煤矿交通条件便利。太焦铁路线自北而南横穿井田，矿区铁路专用线与五阳站 相接。邯长、太焦铁路在长治北站交会。太焦线北接石太、同浦线，南接陇海线。 榆黄公路自本井田穿过，西距 208 国道 1