深部厚煤层条带开采沉陷规律研究及应用——以三河尖矿为例.pdf
硕士学位论文 深部厚煤层条带开采沉陷规律研究及应用 以三河尖矿为例 Study and Application on Regularity of Mining Subsidence of Deep and High Seam Strip Mining Taking San He-jian Coal Mine as Example 作 者刘玮璞 导 师谭志祥 教授 中国矿业大学 二○一五年五月 万方数据 中图分类号 TD325 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 深部厚煤层条带开采沉陷规律研究及应用 以三河尖矿为例 Study and Application on Regularity of Mining Subsidence of Deep and High Seam Strip Mining Taking San He-jian Coal Mine as Example 作 者 刘玮璞 导 师 谭志祥 教授 申请学位 工学硕士 培养单位 环境与测绘学院 学科专业 大地测量学与测量工程 研究方向 开采沉陷及变形监测 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一五年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定,同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一, 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权,即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版,可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文;②为教学和 科研目的,学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外,根据有关法规,同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 刘玮璞 在规定的学习年限内,按照研究生培养方案 的要求,完成了研究生课程的学习,成绩合格;在我的指导下完成本 学位论文,经审阅,论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同, 论文撰写格式符合学校的相关规定, 同意将本论文作为学位申请论文 送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 时光荏苒,岁月如梭,三年的研究生生活即将结束。回首三年的求学历程, 期间遇到了无数的困难和障碍,都在老师、同学、朋友及家人的帮助下度过,让 我渐渐长大,慢慢走向成熟,未曾留下些许遗憾。在即将离别之际,对那些引导 我、帮助我、激励我的老师、同学、朋友以及家人表示由衷的感谢。 感谢我的导师谭志祥教授, 在我三年的学习和生活中给予了悉心的指导和无 私的帮助。本论文是在谭老师的悉心指导下完成的,从论文的选题、研究方案制 定、 资料收集、 实验设计、 论文撰写等每一个方面无不凝聚着导师的心血与智慧, 为此导师付出了大量的精力和宝贵的时间。导师渊博的知识,丰富的人生阅历, 积极地人生态度,优秀的人格魅力都深深的感染着我,鼓励着我勇于探索,奋力 拼搏。一日为师,终生为父,师从三载,收获颇丰,在科研上言传身教使我受益 匪浅,生活中以亲身的经历教会了我们许多做人做事的道理,处理人际关系的方 式方法,指引我们向着更加积极的方向前进。在论文完成之际,对导师的无私奉 献表示衷心的感谢和深深的敬意,感谢您三年来的培养和教育,祝导师桃李满天 下,愿您身体健康。 感谢邓喀中教授在论文的选题、内容研究、论文撰写中给予的指导和帮助, 以及三年来在生活学习上给予的关心,感谢邓老师为我们提供了舒适的学习环 境。邓老师对于学术的坚持、勇于探索的精神、严谨的治学态度和乐观的生活态 度是学生终身学习的榜样。在此向邓老师的指导和帮助表示由衷的感谢,愿您身 体健康。 感谢郭广礼教授、吴侃教授、张书毕教授在论文选题、撰写以及修改中给予 的指导、帮助和建议。感谢范洪冬副教授、张宏贞老师、顾伟老师这三年来在生 活、学习上给予的帮助,让我一生受益。感谢测量实验室的周鸣老师、邸庆生老 师在学习实践中的帮助,感谢环测学院刘涛健老师在学业上给予的帮助,感谢矿 大所有帮助过我传授我知识的老师,您们辛苦了。 感谢实验室的李培现博士、王晓华博士、柳聪亮博士、刘辉博士、姚国标博 士、陈炳乾博士、张祥博士、于洋博士、牛海鹏硕士、郭仓硕士、韩晶硕士、钱 进硕士、李斌硕士、王业显硕士、严剑锋硕士、刘晓菲硕士、王江涛硕士等师兄 师姐在学习生活上的帮助,让我更快地融入环测 A407 这个大家庭。感谢同门张 坤硕士、王拂晓硕士、赵伟颖硕士、元亚菲硕士、范雪婷硕士,感谢冯军硕士、 程丹硕士、杨俊凯硕士、赵晨亮硕士、程熙硕士、陈华硕士、王刘宇硕士、庄会 富博士、赵保成硕士、陈宏念硕士等师弟师妹在我研究生期间给予的帮助。感谢 董宝玉、曹书豪、贾蓉、潘显东、丁楠等矿大三年一起走过的好友,感谢大地硕 12 级所有同学伴我度过美好的时光,忘不了与你们在一起的欢声笑语,愿你们 万方数据 明天更美好。 感谢一直默默支持我的父母,感谢你们多年来对我的关心、理解、支持和鼓 励,感谢你们为我付出的点点滴滴,你们永远健康快乐是我最大的心愿,谢谢您 们。 再次向在我多年的求学生涯里给予过我帮助的领导、老师、同学、朋友以及 家人致以最衷心的感谢与深深的祝福。 最后,感谢对我论文进行评审指导以及参加答辩的专家教授,在此向您们致 以诚挚的谢意,您们辛苦了 万方数据 I 摘 要 摘 要 随着采深、采厚的增加,条带开采的地表移动变形规律、尺寸设计及变形预 计存在多种问题。 针对深部厚煤层条带开采研究中存在的问题, 以三河尖矿为例, 分析了深部开采地表移动变形规律并获取了该研究区域的概率积分法预计参数; 同时对条带开采影响因素及尺寸设计计算方法、参数求取进行了总结分析,并采 用数值模拟方法研究了深部厚煤层条带开采沉陷规律, 最后针对东二采区具体情 况,进行了条带开采尺寸设计以及开采沉陷预计分析等工作。论文主要工作及结 论如下 (1)对三河尖矿东四采区铁路观测站实测数据进行分析,获得了该区深部 开采地表移动变形规律、 最终概率积分法预计参数及小尺寸工作面概率积分法预 计参数。并对多个小尺寸工作面下沉系数进行修正,获得该区充分采动条件下的 下沉系数, 为本区及相似条件下深部开采沉陷控制及地表移动参数选择提供了依 据。 (2)目前常用于条带开采预计参数计算的两个经验公式在参数计算中存在 一些不足,尤其在深部条带开采时(采深大于 500m)一些参数值为负值,无法 采用。采用经验公式求取预计参数时,需根据实际情况进行预计参数的选取,选 择合适的参数进行预计,减小对地表移动和变形的预计误差。针对深部条带开采 参数预计存在的问题, 本文以条带开采地表沉陷主要影响因素为参数分别建立了 GA-SVM条带开采预计参数预测模型和GA-GRNN条带开采预计参数预测模型, 通过分析比对选择合适的模型求取预计参数并进行沉陷预计, 为条带开采参数求 取及地表沉陷预计提供方法和依据。 (3)在分析影响条带开采地表沉陷因素的基础上,以三河尖矿地质采矿条 件为原型利用 FLAC3D软件分析采深、采厚、采留宽以及采出率等主要影响因素 对深部厚煤层条带开采地表移动变形的影响, 分别得出不同条件下地表移动变形 规律, 并根据实验数据通过回归分析的方法得到地表最大下沉值 max W、 最大水平 移动值 max U及下沉率q率分别与采深H、采厚m、采宽b、留宽a之间的数学关 系。同时为达到保护地表建(构)筑物的目的,根据地表变形值进行判断确定了 本区域地质采矿条件下的开采尺寸及采厚的范围。 (4)以三河尖矿东二采区为例,根据理论分析和数值模拟得出本区域合理 开采尺寸, 以实测数据和非线性理论相结合的方法得出本区域合理的条带开采概 率积分法预计参数,并进行了地表变形预计和相关分析工作,最终研究成果为实 际开采提供了科学依据。 万方数据 II 该论文有图 73 幅,表 21 个,参考文献 111 篇。 关键词关键词深部开采;条带开采;沉陷预计;非线性模型;数值模拟 万方数据 III Abstract With the increase of mining depth and mining thickness, there are many problems about surface movement and deation regularity, size design and deation prediction of strip mining. In view of the existing problems about study of deep and high seam strip mining, surface movement and deation regularity of deep mining and the parameters of probability integral are studied and obtained based on San He-jian coal mine. The influence factors of strip mining, the s of mining size design and the regularity of mining subsidence of deep and high seam strip mining are analysed and studied, Then the mining size design and subsidence prediction are worked in view of east-2th mining area. The major work and conclusions of this dissertation as follow 1 Through the analysis of measured data of railway observation station of east-4th mining area in San He-jian coal mine, surface movement and deation regularity of deep mining, the final and small size working face prediction parameters of probability integral are obtained. Through the modification of subsidence coefficient of small size working face, the subsidence coefficient of full mining is calculated. These conclusions provide basis for deep mining subsidence control and the choice of surface movement parameters of this region and similar conditions. 2 It is concluded that there is a great error in calculating parameters by commonly used ulas for parameters calculation, especially some parameters’ value is negative on deep strip mining mining depth is more than 500m, and the ulas are not suitable for the application. When using the empirical ulas to calculate the prediction parameters, we should select the appropriate parameters according to the actual situation, in order to reduce the prediction error of the surface movement and deation. Prediction models of GA-SVM and GA-GRNN are established by the Main Factors of Surface Subsidence of Strip Mining in view of the existing problems about parameters prediction of deep and high seam strip mining. Based on the comparison, we can select the appropriate prediction model to calculate the parameters and predict the surface deation. And these provide the scientific basis for the engineering application of strip mining. 3 By analysing the main geological and mining factors of strip mining, with the geological conditions of San He-jian coal mine as the prototype to analyse mining depth, mining thickness, mining width, pillar width and the mining rate how to effect 万方数据 IV the surface movement and deation of the deep and high seam strip mining by FLAC3D, surface movement and deation regularity of different conditions is obtained. According to the experimental data obtained by the different simulation schemes, the mathematical relationship between the maximum subsidence value, the maximum horizontal displacement value, the subsidence rate and the mining depth, mining thickness, mining width, pillar width is obtained by regression analysis. In order to protect the surface buildings, Surface Horizontal Deation, the range of mining size and thickness of the regional geological and mining conditions should be determined based on the surface horizontal deation value. 4 Taking an example of east-2th mining area, the reasonable mining sizes are obtained through the theoretical analysis and numerical simulation, and the prediction parameters are obtained and used to predict the surface deation and orther works through the measured data and nonlinear theory, and the results provide the scientific basis for mining. There are 73 figures, 21 tables, 111 references. Keywords deep mining; srip mining; subsidence prediction; nonlinear model; numerical simulation 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ...........................................................................................................................I 目目 录录 ..........................................................................................................................V 图清单图清单 ........................................................................................................................ IX 表清单表清单 .....................................................................................................................XIII 变量注释表变量注释表 ...............................................................................................................XV 1 绪论绪论 ............................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义......................................................................................................1 1.2 开采沉陷预计的发展及研究现状..........................................................................2 1.3 条带开采的研究现状..............................................................................................4 1.4 深部厚煤层条带开采研究现状............................................................................10 1.5 主要研究内容及技术路线....................................................................................12 1.6 本章小结................................................................................................................13 2 深部开采地表移动变形规律实测研究深部开采地表移动变形规律实测研究..................................................................14 2.1 矿区概况................................................................................................................14 2.2 地质采矿条件........................................................................................................15 2.3 三河尖矿东四采区铁路观测站地表移动规律....................................................16 2.4 工作面下沉系数修正分析....................................................................................22 2.5 地表移动的概率积分法参数分析........................................................................32 2.6 本章小结................................................................................................................35 3 非线性理论在条带开采参数预计中的应用非线性理论在条带开采参数预计中的应用..........................................................37 3.1 条带开采地表沉陷主要影响因素........................................................................37 3.2 非线性理论概述....................................................................................................38 3.3 预测模型的建立....................................................................................................39 3.4 GA-SVM 与 GA-GRNN 预测模型......................................................................41 3.5 条带开采下沉系数预测模型................................................................................45 3.6 条带开采水平移动系数与主要影响角正切计算预测模型................................50 3.7 预测模型总体分析................................................................................................54 3.8 本章小结................................................................................................................55 4 深部厚煤层条带开采地表移动规律的数值模拟研究深部厚煤层条带开采地表移动规律的数值模拟研究..........................................56 万方数据 VI 4.1 数值模拟概述........................................................................................................56 4.2 FLAC3D有限差分程序简介 .................................................................................56 4.3 数值模拟模型的建立............................................................................................57 4.4 数值模拟方案........................................................................................................59 4.5 模拟结果及分析....................................................................................................60 4.6 开采厚度及开采尺寸分析....................................................................................71 4.7 本章小结................................................................................................................72 5 工程应用工程应用 ..................................................................................................................74 5.1 研究区概况............................................................................................................74 5.2 工作面开采设计....................................................................................................75 5.3 地表开采沉陷预计................................................................................................77 5.4 工作面采动影响分析............................................................................................82 5.5 本章小结................................................................................................................82 6 结论与展望结论与展望 ..............................................................................................................83 6.1 结论........................................................................................................................83 6.2 不足与展望............................................................................................................84 参考文献参考文献 .....................................................................................................................85 作者简历作者简历 .....................................................................................................................92 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 .................................................................................................93 学位论文数据集学位论文数据集 .........................................................................................................94 万方数据 VII Contens Abstract......................................................................................................................III Contens......................................................................................................................VII List of Figures............................................................................................................ IX List of Tables..........................................................................................................XIII List of Variables.......................................................................................................XV 1 Introduction...............................................................................................................1 1.1 Research Background and Significance...................................................................1 1.2 Progress and Present Research of Mining Subsidence Prediction...........................2 1.3 Present Research of Strip Mining............................................................................4 1.4 Present Research of Deep and High Seam Strip Mining.......................................10 1.5 Main Research Contents and Technical Route......................................................12 1.6 Summary................................................................................................................13 2 Study of Surface Movement and Deation Regularity of Deep Mining......14 2.1 General Situation of Mining Area..........................................................................14 2.2 Conditions of Geology and Mining .....................................................................15 2.3 Surface Movement Regularity for the Railway Observation Station of East-4th Mining Area in San He-jian Coal Mine ..