常村煤矿采区动态沉陷预测模型研究(1).pdf

万方数据 万方数据 万方数据 关 键 词常村煤矿；Weibull 时间函数模型；参数变化规律；沉陷盆地模型；动态沉 陷预测模型 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 of parameter g is 1→gmax→g1. Finally, an example is given to further verify the reliability of Weibull time function model and its variation law of parameters.. 3 A surface subsidence basin model with a wider range of application and more in line with the actual subsidence is constructed. Through analysis and discussion of model parameters, it is found that the parameter n in the subsidence basin model reflects the shape of horizontal section, is closely related to the bottom of the subsidence basin, and is mainly related to the degree of mining. The value range should be between 1 and 3. Parameter k reflects the attenuation rate, convergence rate and subsidence influence range of the sinking basin, which is mainly related to coal mining , roof management and the thickness of loose layer. The calculation ula of each parameter is given. 4 Combined with the surface subsidence time function and the subsidence basin model, the surface dynamic subsidence prediction model at any time at any point of the gently inclined coal seam strike long-wall working face is constructed. Using S3-13 Changcun coal mine working face multiple time point of the observation point data verification, the results show that dynamic Changcun coal surface subsidence prediction model to predict when the error is small, high precision, not only can reflect the dynamic subsidence process of a single observation points, and can describe the surface subsidence of whole,it shows that the model can predict the surface dynamic subsidence of Changcun coal mine. Key wordsChangcun coal mine；Weibull time function model；Parameter change law； Subsidence basin model；Dynamic settlement prediction model ThesisApplication research 万方数据 目 录 I 目录 1 绪论..........................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义...................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...........................................................................................................2 1.2.1 地表沉陷静态预计方法研究现状....................................................................2 1.2.2 地表动态下沉模型研究现状............................................................................3 1.3 研究内容、方法及技术路线.......................................................................................5 1.3.1 研究内容............................................................................................................5 1.3.2 研究方法............................................................................................................5 1.3.3 技术路线............................................................................................................6 2 常村煤矿地表动态移动变形规律..........................................................................................7 2.1 观测站的建立与观测...................................................................................................7 2.2 岩移资料分析...............................................................................................................8 2.2.1 地表移动变形现状............................................................................................8 2.2.2 实测资料分析..................................................................................................10 2.3 地表移动变形规律.....................................................................................................15 2.4 本章小结.....................................................................................................................15 3 地表沉陷时间函数模型........................................................................................................17 3.1 地表任意点下沉特征.................................................................................................17 3.2 常用时间函数模型及其完备性分析.........................................................................17 3.2.1 Knothe 时间函数模型.....................................................................................17 3.2.2 Logistic 时间函数模型....................................................................................18 3.2.3 Gompertz 时间函数模型.................................................................................19 3.2.4 改进的 Knothe 时间函数模型........................................................................20 3.3 基于 Weibull 时间函数模型的参数简单讨论..........................................................24 3.4 基于实测数据的 Weibull 时间函数模型参数分析..................................................27 3.4.1 常村煤矿地表动态沉陷特征..........................................................................27 3.4.2 基于实测数据的模型参数简析......................................................................27 3.4.3 实例验证..........................................................................................................30 3.5 本章小结.....................................................................................................................33 4 地表沉陷盆地模型................................................................................................................35 4.1 地表沉陷盆地特征.....................................................................................................35 万方数据 目 录 II 4.2 模型的建立.................................................................................................................36 4.2.1 空间坐标系的建立..........................................................................................36 4.2.2 沉陷盆地模型..................................................................................................36 4.3 模型参数的讨论及确定.............................................................................................38 4.3.1 参数 Wm及位置确定.......................................................................................38 4.3.2 参数 a 和参数 b...............................................................................................41 4.3.3 参数 n 和参数 k...............................................................................................42 4.4 模型的验证.................................................................................................................44 4.5 本章小结.....................................................................................................................48 5 地表沉陷动态预测模型........................................................................................................50 5.1 动态预测模型的建立.................................................................................................50 5.2 模型讨论.....................................................................................................................51 5.3 模型验证.....................................................................................................................52 5.4 本章小结.....................................................................................................................59 6 结论与展望............................................................................................................................60 6.1 结论.............................................................................................................................60 6.2 展望.............................................................................................................................61 致谢...........................................................................................................................................62 参考文献...................................................................................................................................63 附录...........................................................................................................................................68 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 2019 年 7 月 18 日， 国家统计局发布了 能源发展实现历史巨变 节能降耗唱响时代 旋律，报告显示，建国 70 年来，随着我国能源总量不断发展壮大,用能方式加快变革， 消费结构持续优化改善；受资源禀赋特点影响，煤炭占我国能源消费总量比重始终保持 第一，但总体呈现下降趋势，由 1953 年的 94.4下降到 2018 年最低的 59.0；能源的 生产能力和水平大幅提升，1949 年原煤产量仅为 0.3 亿吨，2018 年原煤产量达到 36.8 亿吨[1]。可见在今后相当长一段时间内煤炭仍然是我国最主要的能源，每年的开采量巨 大。地下煤炭资源采出后，天然应力平衡状态遭到破坏，导致上覆岩层发生移动、变形 和破坏，甚至延伸至地表，直至应力达到新的平衡状态，这种现象称之为开采沉陷[2]。 地表沉陷不仅危及地面建筑、公路、铁路的安全，且容易诱发地质灾害、造成地表水的 流失、地下水漏失和泉流量衰减[3]，从而对环境产生严重的破坏。 随着我国基础设施的建设以及人类活动增强， 建筑物下、 铁路下和水体下的 “三下” 煤炭资源量占比逐年增大。据原中国统配煤矿总公司 1982 年的不完全统计，我国“三 下”压煤量达到近 140 亿吨，其中铁路下压煤量为 18.9 亿吨，占整个“三下”采煤量的 13.5左右[4-6]。就山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿而言，井田范围内铁路 专用线压煤量达到近 3500 万吨，占常村煤矿可开采储量的 4.7。根据国家相关产业政 策，应积极贯彻开发与节约并重的方针，促进煤炭资源综合开发和合理利用；铁路下所 压煤炭资源应遵循煤炭资源优化利用，保护对象安全，保护生态环境和企业经济与社会 效益的总原则，凡技术上可行、经济上合理，丢弃后带来用不可采或其他严重后果的， 必须进行回采。因此，科学研究地表动态移动变形特征和规律以及地表沉陷时空预测模 型显得尤为重要，这将有助于解放“三下”压煤量，提高煤炭资源回采率，延长矿井服 务年限；并且可以保护建筑的安全，减少经济损失，促进矿区良性生态循环，减小环境 损害，从而完善绿色矿山建设。 矿山开采引起的地表沉陷一直是矿山防治的技术难点，而“三下”压煤问题则是最为 棘手的，所以开采沉陷预计对指导安全生产至关重要。对于沉陷变形较为敏感的地面线 性建筑，如铁路、公路等而言，不仅受下沉量和下沉范围的大小控制，下沉速度和下沉 加速度会对其产生更大的影响， 以概率积分法为代表的地表沉陷静态预计方法已不能满 足实践开采需求。因此，本文以潞安矿区常村煤矿为背景，通过现场实测、数据采集与 分析、理论计算以及软件处理相结合的方式，系统的对常村煤矿地表任意点动态沉陷过 程、地表沉陷盆地模型以及动态沉陷预测模型进行研究，并提出相应的理论计算公式。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 地表沉陷动态沉陷预测模型的预测结果可用来判别铁路下开采的可能性，估算铁路维修 工作量和材料用量，安排合理的维修计划[7]；同时可为郭庄煤矿铁路专用线下工作面后 期开采过程中地表抗采动措施及工作面优化设计提供理论基础，为铁路专用线在开采过 程中的安全运营提供保障，从而改善煤炭运输现状，节省运输成本。 1.2 国内外研究现状 开采沉陷预计主要包括两个方面静态预计和动态预计。其中，静态预计是指地表 下沉达到稳定后，对沉降区域进行移动变形预计，主要反映地表沉陷形态特征；目前， 静态预计的理论方法发展较为成熟[8-15]；动态预计则是指开采过程中，对地表下沉全过 程进行描述，主要反映的是地表任意点的下沉变化过程。 1.2.1 地表沉陷静态预计方法研究现状 开采沉陷预计方法很多，按建立预计方法途径可分为三类经验公式法、影响函数 法和理论模拟法[2]。 经验公式法建立在大量实测数据基础上，目的是为了避免简化的预测模型与实际地 质模型存在较大偏差的弊端。常见的经验公式法有典型曲线法、函数剖面法等。典型 曲线法的核心内容是使用无因次的典型曲线来表达下沉盆地的主断面，其适用条件较为 苛刻，只能用于矩形或近似矩形工作面[6]。我国最早在峰峰矿区和平顶山矿区建立过典 型曲线[16]。 张慧生[17]、 程占博[18]等利用典型曲线法对开采沉陷进行预测取得了较好的预 测结果。 剖面函数法是采用相应的地表移动变形公式来描述地表下沉盆地剖面形状的方 法，其本质是典型曲线的解析表达式。文献[6,19]给出了国外较为典型的剖面函数法 前苏联的柯尔宾柯夫分析了顿涅茨煤田的地表移动观测数据，提出了柯尔宾柯夫剖面函 数；波兰上西里西亚水平煤层开采时的下沉盆地剖面函数；美国的 Syd S.Peng 教授提出 了双曲正切剖面函数模型[20-21]。我国运用最广的是负指数函数法，最早是由唐山煤研所 测量研究室依据现场实测数据提出的[16]。 理论模拟法是基于力学模型和弹性（塑性）理论的预计方法。理论模拟法在计算时 以岩体力学模型和数学假设的抽象概念为基础，依赖大量的复杂的岩体力学、物理力学 参数，需进行大量工作[22]。常见的理论模拟法有连续介质力学法、物理模拟法、数值 模拟法等。邹友峰，何满朝[23]将条带开采工程岩体概化为具有开挖孔洞分层各向同性线 弹性半空间体， 并由此提出了地表沉陷预计新方法以及条带开采沉陷预计的三维层状介 质理论。郭增长[24]通过研究极不充分开采地表移动的基本特征，采用离散介质碎块体随 机移动物理模型，提出了适合极不充分开采地表移动和变形的概率密度函数法。常占强 [25-26]将松散层视为随机介质，将基岩视为弹性板，并考虑了开采程度的影响，由此建立 万方数据 1 绪论 3 了厚松散层条件下空间问题地表移动与变形新的预计模型。顾伟[27]通过相似材料模拟、 数值模拟研究，对厚松散层下开采覆岩和松散层移动机理进行了深入研究，建立了土体 压缩模型。胡海峰[28]则通过相似材料物理模拟、计算机数值模拟对土岩比复合介质开采 条件地表移动变化规律展开研究，提出了基于土岩比参数的地表变形预测方法。 影响函数法是介于经验方法和理论方法之间的一种预计方法，它的理论基础是分布 函数。影响函数法认为在地下开采任意单元点，都会在该点周围产生地表沉陷，基于 叠加原理，地面的任意一点的下沉都是每个微小单元体开采影响之和[29]。影响函数法最 早由凯因霍尔斯提出，后由李特维尼申提出随机介质理论，我国学者刘宝琛、廖国华[30] 在此基础上创建了概率积分法，目前是我国应用最成熟、最广泛的一种沉陷预计方法。 近年来，国内外学者在影响函数法方面研究成果颇丰。G.Ren[31]针对 RMIT 大学沉陷预 测的广义影响函数方法（GIFM）的最新发展，以澳大利亚新南威尔士 Hunter 煤田为例， 说明了 GIFM 方法在多煤层长壁开采中沉陷预测的适用性。Yi Luo[32]利用影响函数法本 质的合理性和灵活性， 提出了一种改进的影响函数法， 并验证了它的适用性。 Yinfei Cai[33] 在原有影响函数法基础上考虑地形变化，采用新的非对称影响函数来模拟单元沉降，提 高了沉降计算的真实性及精度。吴侃、郭增长、戴华阳、王金庄等[34-37]对开采程度不足 导致的模型误差进行了研究，提出概率积分法在非充分开采条件下仍然可以使用，但预 计参数必须进行修正，同时采用下沉率代替下沉系数进行沉陷预计。概率积分法预计精 度直接取决于参数的准确性， 如何利用合适的方法准确预计参数是实际运用中的关键问 题[38]。查剑峰、李培现、王磊、沈震等[39-42]运用不同的方法对概率积分法预计参数进行 反演，得到了较高精度预计参数。 由于经验公式法建立在大量的实测数据基础上，其适用范围有限，使这种方法在实 践运用中受到很大限制；理论模拟法是把岩体抽象为力学或是数学理论模型，所用函数 一般均由理论研究得到，参数都是复杂的物理力学参数，一般需要通过实验才能获取， 所以该方法的工作量非常大，在实践运用过程中存在很大的困难；影响函数法是经验公 式法向理论模拟法过渡的一种预计方法，与经验公式法相似，影响函数法也是建立在观 测研究基础上，但是影响函数法可通过预计参数的调整，运用于不同的条件下的预计， 具有良好的适用性，并且概率积分法理论成熟，易于计算机实现，是我国目前运用最成 熟、最广泛的预计方法。 1.2.2 地表动态下沉模型研究现状 地下开采引起的地表沉陷变形是一个复杂的时间和空间变化的四维问题，是时间和 空间的连续函数[43]。传统的预计方法都是基于地表移动稳定后的终止状态，无法处理开 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 采过程中动态变化问题[44]。为了减小沉陷变形造成的危害，应提前做好预计工作，确定 地表移动变形值的大小和分布范围。地表移动动态预测的核心问题是确定地表移动过程 的时间函数[45]。 1952 年，波兰学者 Knothe[46]利用土体压实的基本假设进行了地表移动和变形时间 过程研究，提出了地表下沉速度与地表下沉值和时间的关系函数，即 Knothe 时间函数。 Sroka[47]在研究固体矿物开采时的地面沉陷中，考虑了开采产生的空间收敛，建立了双 参数 时间函数，即 Sroka-Schober 时间函数。 Kowalski[48]在 Knothe 时间函数和 Sroka-Schober 双参数时间函数基础上进行改进，提出了新的时间函数广义时间函 数。西班牙学者 C.Gonzlez Nicieza[49]在 Knothe 时间函数基础上，引入正态分布函数， 建立了正态分布时间函数，并运用于阿斯图里亚煤田的地表动态沉陷预测，证明了该时 间函数的精度。 目前，我国地表下沉动态预计最常用的方法是 Knothe 时间函数，国内学者们在此 基础上作了大量深入研究。1999 年，崔希民[45,50-51]在 Knothe 时间函数的基础上，确定 了时间影响系数的计算方法，分析了 Knothe 时间函数的理论局限性，给出了地表下沉 时间函数的理想分布形态， 并结合概率积分预计法建立了地表移动随时间变化过程的计 算方法。2000 年，吴侃[52]基于概率积分法，采用时间序列分析法，求取了开采沉陷动 态过程的预计参数，并建立了较高精度的动态预计模型。2003 年，常占强[53]通过对比 论证后，发现 Knothe 时间函数在描述地表下沉全过程时，存在较大缺陷，因此，在分 析地表点下沉规律后，提出了改进的 Knothe 时间函数分段时间函数。2005 年，徐洪 钟[54]针对 Knothe 时间函数的不足， 结合 Logistic 生物增长模型， 提出了可描述地表动态 下沉的 Logistic 时间函数模型，并验证了该时间函数的实用性和可靠性。2006 年，范洪 冬[55]为了能准确获取动态预计参数，引入了三次指数平滑法，该方法在进行预测时，具 有数据储量小、 预计速度快以及预计精度高等优点。 2009 年， 刘玉成[56-57]为了改进 Knothe 时间函数在下沉速度和下沉加速度方面的不足，提出在原函数基础上加上一个幂指数， 构建了新的时间函数模型Weibull 时间函数模型；并于 2010 年，对 Weibull 时间函数 模型进行了详细的阐述，证明了该时间函数能完整的描述地表动态下沉过程[58]。2011 年，朱广轶等[59]在分析国内外开采沉陷动态时间函数的基础上，运用概率积分法对地表 沉陷随时间和空间的变化规律进行了研究，提出了动态地表移动变形的坐标-时间函数。 2014 年，胡青峰[60-61]对 Knothe 时间函数参数进行分析，结合概率积分法理论，给出了 影响参数 c 的计算方法概率积分求参法，该方法中各变量物理意义明确，且易于计算 机编程计算。2015 年，王军保[62]借鉴岩石流变力学中非定常流变模型的建模思路，对 Knothe 时间函数进行了改进，基于此，提出了新的地表下沉盆地模型，并将改进后的时 万方数据 1 绪论 5 间函数与下沉盆地相结合，建立了新的开采沉陷动态预测模型。2016 年，张兵[63]、李 春意[64]基于正态分布函数，结合地表动态沉陷规律，构建了新的地表下沉时间函数正 态分布时间函数，并给出了模型中各参数的物理含义，通过实例验证了该模型预计结果 的可靠性。2019 年，张凯，胡海峰[65]讨论了正态分布时间函数的完备性，分析了该时 间函数的缺陷，并通过采用整体偏差修正的方法来提高预计精度，再利用生长函数模型 对正态分布时间函数进行了优化，通过实测对比分析，验证了优化后的时间函数模型可 用于高精度矿区预测。李春意[66]基于云驾岭煤矿现场实测数据，分析了采区间的时空相 关性以及地表动态沉陷和超前影响的演化规律，得到了地表最大下沉速度表达式，建立 了基于多因子的非充分采动地表移动延续时间的经验公式。 1.3 研究内容、方法及技术路线 1.3.1 研究内容 本文以潞安矿区常村煤矿为背景，通过现场实测、数据采集与分析、理论研究以及 软件处理相结合的方式，对以下几个方面进行了研究 （1）常村煤矿地表动态移动变形规律 建立地表观测站，并按规程进行水准观测，获取可靠观测数据；实地调查地表移动 变形现状，计算分析实测数据；结合实地调查和计算结果，分析地表移动变形规律。 （2）地表沉陷时间函数模型研究 对常用时间函数模型进行分析，讨论这些时间函数在时间和空间上的完备性；基于 Weibull 时间函数模型以及常村煤矿实测数据对该时间函数模型参数进行讨论分析，提 出该时间函数模型参数的物理意义以及变化规律；依据实测数据对 Weibull 时间函数模 型的适用性和精确度进行验证，同时证明模型参数变化规律的可靠性。 （3）地表沉陷盆地模型研究 针对缓倾斜煤层走向长壁式工作面移动盆地的水平断面近似椭圆这一事实，建立下 沉盆地模型方程表达式，并论证其可靠性；对该方程中的参数进行讨论分析，提出每个 参数的计算表达式；选取多个观测点对表达式的可靠性进行验证。 （4）地表沉陷动态预测模型研究 结合时间函数模型以及地表下沉盆地模型，给出缓倾斜煤层走向长壁式工作面地表 任意点任意时刻的下沉量表达式，并对其适用性以及精度要求进行论证。 1.3.2 研究方法 （1）现场调查，资料收集通过现场调查，收集现场实际观测数据，作为后续研 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 究的基础数据资料； （2）理论计算根据计算公式对所需数据进行理论计算； （3）软件处理通过 Origin 对数据进行处理分析，Matlab 对模型进行分析并绘制 相关图件； （4）对比分析通过实测与预测对比分析，验证模型的适用性计可靠性。 1.3.3 技术路线 论文的技术路线如图 1.1 所示。 图 1.1 技术路线图 万方数据 2 常村煤矿地表动态移动变形规律 7 2 常村煤矿地表动态移动变形规律 2.1 观测站的建立与观测 地表的移动与变形是煤层采出后上覆岩层移动与变形在地表的反映，正确掌握地表 的移动变形规律，对安全指导生产和保障铁路专线安全运营具有重要意义。而岩层与地 表移动过程十分复杂，它是许多地质因素和采矿因素综合影响的结果。认识岩层与地表 移动变形这一复杂过程，目前主要方法是实地观测。通过对观测资料的综合分析，找出 各种因素对移动过程的影响规律，再运用这些规律解决开采沉陷中的问题，可对将要回 采工作面引起地表移动与变形做出准确率较高的预测。 常村煤矿位于山西省屯留县东部，郭庄煤矿铁路专用线从常村煤矿井田范围通过， 据常村煤矿提供的相关资料显示，影响郭庄铁路专用线运营的回采工作面总共 7 个，如 图 2.1 所示，其中 S3-13 工作面已回采完毕，2105 工作面正在回采，其他均未开采，为 了准确预测未采工作面采动过程中对铁路的影响，郭庄煤矿在 S3-13 工作面布置了 57 个观测点，编号分别为 157，每个观测点布置间隔为 25m，测线总长度为 1595.2m，具 体布置形式如图 2.2 所示。 结合 S3-13 工作面的开采规划和现场实地踏勘情况，于 2016 年 8 月完成了观测站 测点的制造和埋设工作。工作面南接 S3 轨道下山下部延伸段，东邻 2105 工作面，西临 老军庄保护煤柱。S3-13 工作面于 2016 年 9 月开始回采，至 10 月中旬推进 98m 后，工 作面暂停回采；2016 年 12 月恢复回采，12 月份推进进度为 120m 和 141m 时分别暂停 9 天和 25 天；2017 年 1 月恢复回采，至 5 月推进 288m 后，暂停回采；5 月 26 日恢复 回采，至 2018 年 4 月回采完毕；主采二叠系山西组 3 ＃煤，平均采厚 5.82m，煤层倾角 为 5～7，平均采深约为 487m，上覆基岩主要为泥岩、砂岩以及砂质泥岩，该区属厚 冲积层覆盖区，第四纪表土层（黄土层）厚度为 48～95.9m，平均约占煤层上覆地层厚 度的 14.3％；工作面走向推进总长度为 1032m，倾向长度 228m，为走向长壁式工作面， 平均推进速度为 3.2m/d，采煤方法为综采放顶煤开采，全部陷落法管理顶板[67]。 郭庄煤矿与铁运处分别进行了 14 次和 28 次水准观测，经过对比分析，两个部门的 观测数据都为水准观测数据，且同期下沉值基本一致。但由于铁运处的观测数据频次较 高且