铁法矿区采煤沉陷区地表移动规律研究与应用.pdf

一 ● ■ AD i s s e r t a t i o ni nG e o d e s ya n d S u r v e yE n g i n e e r i n g M o v e m e n t r e g u l a r i t yr e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o no fT i e f a M i n e ’Sm i n i n gs u b s i d e n c es u r f a c e C a n d i d a t e 胁D u n S u p e r v i s o r W a n g L i e P i n g S c h o o lo fE a r t ha n dE n v i r o n m e n t A n h u i U n i v e r s i t yo fS c i e n c e T e c h n o l o g y N o ．1 6 8 ，S h u n g e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，R R ．C H I N A ◆ 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀垄王太堂．或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名兰p 日期加t f 年‘月卵 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文的 规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于塞邀 堡三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适 用本授权书 学位论文作者签名 导师签名 签字日期厶t ／年占月听 整荨黾甄、bt f 年≤黾磊 ．◆ ● ● ● ，●●、， 摘要 摘要 地下煤炭资源的开采，使得矿区的生态环境、建筑物和构筑物之间的平衡遭 到破坏。地表移动参数的最优性质决定了预测的准确性，求取地表移动参数及地 表沉陷趋势的预测是本文研究的主要内容。 本文以铁法矿区3 5 个地表移动观测站实测数据为基础，通过对观测数据的处 理和分析，得到第一阶段地表移动参数，包括下沉系数q 、主要影响半径正切卵、 拐点移动距S 和最大下沉角秒。并对第二阶段所建立的4 个地表移动观测站实测 数据求参，根据3 9 个地表移动观测站求参结果，利用M a t l a b 2 0 0 9 求取地表移动 预计参数，并回归分析了地表移动变形参数提供了参考依据。本文的研究成果对 铁法矿区中深部开采及类似矿区的地表沉陷预测及控制，“三下”采煤具有一定的 理论价值和指导意义。 关键词地表移动参数；概率积分法；O r i g i n 8 ．0 ；M a t L a b 2 0 0 9 分类号P 2 2 o ” A b s t r a c t A b s t r a c t T h ee x p l o i t a t i o no f u n d e r g r o u n dc o a lr e s o u r c e sd a m a g e dt h eb a l a n c eo f e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，b u i l d i n g sa n ds t r u c t u r e s ．S u r f a c em o v e m e n tp a r a m e t e r s ， o p t i m a lp r o p e r t i e sd e c i d et h ef o r e c a s t i n ga c c u r a c y ．C a l c u l a t i n gt h es u r f a c em o v e m e n t p a r a m e t e r sa n dt h eg r o u n ds u b s i d e n c et r e n dp r e d i c t i o ni st h em a i nc o n t e n to ft h i s P a p e r ． T h i sa r t i c l eb a s e do nt h em e a s u r e dd a t ao f3 5o b s e r v a t o r i e si nT i e f am i n i n g 铷哈a ， t h r o u g ht h eo b s e r v a t i o nd a t a ’Sp r o c e s s i n ga n da n a l y s i sa c q u i r e dt h ei n i t i a lo fs u r f ．a c e m o v e m e mp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n ge x p e c t e dp a r a m e t e r s s i n k i n g c o e f f i c i e n tq ，m a i n i n f l u e n c i n g r a d i u s t a n g e dt g p ，i n f l e c t i o np o i n tm o b i l ed i s t a n c eSa I l dMa 【．眦u m l o w e r i n gA n g l e ∥ ．I nt h es e c o n ds t a g eo fr e n e w a la n de s t a b l i s h4s u r f ．a c em o v e m e n t o b s e r v a t o r ym e a s u r e dd a t a , a c c o r d i n gt o3 9s u r f a c em o v e m e mo b s e r v a t o r ya n dr e s u l t s ， u s i n gM a t l a b 2 0 0 9c a l c u l a t e dt h es u r f a c em o v e m e n t p r e d i c t e dp a r a m e t e r ，a n dp r o v i d i n g t h er e f e r e n c ef o rr e g r e s s i o na n a l y s i ss u r f a c em o v e m e md e f o r m a t i o n ．T h er e s u I t so f t h j s p a p e rh a v es o m et h e o r e t i c a lv a l u ea n ds i g n i f i c a n c ef o rm i n ea r e a so fd e e pm i n i n gi n T i e f ac o a lm i n ea n dt h es i m i l a rs u r f a c es u b s i d e n c ep r e d i c t i o n c o n t r o l l i n g ‘‘t h r e e t i m e s ”m i n i n g ． K e y w o r d s S u r f a c em o v e m e n tp a r a m e t e r s ；P r o b a b i l i t yi n t e g r a lm e t h o d ；F L A C 2 D ； M a t L a b 2 0 0 9 C l a s s i f i e dn u m b e r P 2 2 n 目录 mm l_ 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题研究的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 课题研究的背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．2 课题研究的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 地表移动研究的发展阶段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 ．1 本论文研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 ．2 拟采用技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 地表移动参数的求取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1 最小二乘法 M A R Q U R T 法 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．2 与地表下沉有关的参数估计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ．3 与水平移动有关的参数估计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 3 铁法矿区地质采矿概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 3 ．1 地理位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 3 ．2 铁法矿区地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 3 ．2 ．1 地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 ．2 ．2 煤层赋存情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 3 ．2 ．3 构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 ．2 ．4 水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 3 ．2 ．5 岩浆活动⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 ．2 ．6 工程地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．3 地表现状及特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．4 采空区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．5 地质采矿因素对地表沉陷的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．5 ．1 采厚和采空区面积⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 I l I ■ 目录 II|1 3 ．5 ．2 岩性和地层结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．5 ．3 采煤方法和项板管理方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 矿区地表移动变形规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．1 地表变形监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．1 ．1 建立地表移动观测站⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．1 ．2 地表移动观测站的观测工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．1 ．3 观测站监测信息采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．1 ．4 观测成果的整理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．1 ．5 绘图工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．2 第一阶段地表移动参数的求取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．3 第二阶段地表移动参数的求取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．3 ．1 大明矿E W 4 0 7 观测站地表移动参数的求取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．3 ．2 大明矿E S 7 0 4 观测站地表移动参数的求取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．3 ．3 大隆矿东三7 0 1 观测站地表移动参数的求取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 ．4 晓南矿西二7 0 6 观测站地表移动参数的求取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 4 ．3 ．5 矿区各矿井地表移动变形参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 l 4 ．4 地表预计参数的变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．4 ．1 下沉系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．4 ．2 主要影响角正切⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．4 ．3 开采影响传播角⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．4 ．4 拐点移动距⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 4 ．4 ．5 水平移动系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 4 ．5 角量参数的变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 4 ．6 地表移动规律数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 4 ．6 ．1 确定边界条件及初始应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 4 ．6 ．2 确定岩体力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 4 ．6 ．3 模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 4 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 目录 i I l l I 一I I - I i i i 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 作者简介及读研期间主要科技成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 V C O N T E N T S C O N T E N T S C H I N E S E A B S T R A C T ⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I E N G L I S H A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯I I 1I N T R O D U C T l 0 N ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 一T H EB A C K G R O U N DA N DS I G N I F I C A N C EO FR E S E A R C HS U B J E C T S ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．1B a c k g r o u n do f t h es u b j e c tr e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 l 1 ．2S i g n i f i c a n c eo f t h es u b j e c tr e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．2 1 ．2S U R F A C EM O V E M E N T R E S E A R C H D E V E L O P M E N T P H A S E ．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．2 1 ～T H ER E S E A R C HC O N T E N T A N DT E C H N I C A L R O U T E ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 ．1R e s e a r c hc o n t e n to f t h ep a p e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．⋯⋯3 1 ．3 ．2T e c h n i c a lr o u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2S U R F A C EM O V E M E N TP A RA ⅧT E R S C A L C U L A T E D ⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1L E A S TS Q U A R E S M A R Q U R T M E T H O D ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．2S U R F A C ES U B S I D E N C ER E L A T E DP A R A M E T E R E S T I M A T I O N ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ．3T H EP A R A M E T E RE S T I M A T I O NA B O U TM O V I N GH O R I Z O N T A L L Y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．4T H I SC H A P T E R S U M M A R Y ⋯．．．．．．．．⋯⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．9 3G E N E R A LS I T U A T I O NO N G E O L O G YO FT I E F AC O A LM I N E ⋯lO 3 ．1T H EG E O G R A P H I C A L P O S I T I O N ⋯⋯⋯．．j ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．1 0 3 ．2G E N E R A LS I T U A T I O NO NG E O L O G YO FT I E F AC O A L M I N E ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 ．2 ．1S t r a t a ．．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．1 1 3 ．2 ．2G e n e r a ls i t u a t i o no ng e o l o g yo f T i e f ac o a lm i n e ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．1 2 3 ．2 ．3T e c t o n i c ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯1 2 3 ．2 ．4H y d r o l o g i c a lg e o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 ．2 ．5M a g m a a c t i v i t y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 ．2 ．6E n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ～S U R F A C ES I T U A T I O NA N DC H A R A C T E R I S T I C S ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．4G O A F P R O F I L E S ．．．．．．⋯．．．⋯．⋯．．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯．．．．⋯⋯．．．．．．．．2 0 3 ．5T H EI N F L U E N C E O FG E O L O G I C A L M I N I N G F A C T O R ST OS U R F A C ES U B S I D E N C E ⋯．2 7 3 5 ．1A r e ao f c o a lt h i c k n e s sa n dm i n e d o u ta r e a ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 5 一R o c kp r o p e r t ya n ds t r a t as t r u c t u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 V I ● C O N T E N T S I I I I l l_ I U 3 ．5 ．3M i n i n gm e t h o d r o o f m a n a g e m e n tm e t h o d ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．6T H I SC H A P T E RS U M M A R Y ．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．．．2 9 4A N A L y S I SO NM I N I N GS I 瓜F A C E0 FD E F O R M p 盯I O N ⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．1M O N I T O R I N GO FS U R F A C ED E F O R M A T I O N ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．1 ．1E s t a b l i s hs u r f a c em o v e m e n to b s e r v a t o r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．1 ．2O b s e r v a t i o nw o r ko f s u r f a c em o v e m e n to b s e r v a t o r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．3 2 4 ．1 ．3C o l l e c t i o no fo b s e r v a t o r y ’Sm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n ⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．1 ．4T h ef i n i s h i n go f o b s e r v a t i o nr e s u l t s ．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．3 3 4 ．1 ．5D r a w i n gw o r k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯．．．．⋯．．3 3 4 ．2C A L C U L A T I N GO FS U R F A C EM O V E M E N TP A R A M E T E R SO NT H EF I R S TS T A G E ⋯⋯．．3 5 4 ．3C A L C U L A T I N GO FS U R F A C EM O V E M E N TP A R A M E T E R SO NT H ES E C O N DS T A G E ⋯．．3 5 4 ．3 ．1C a l c u l a t i n go f D a r n i n go r eE W 4 0 7 ’Ss u r f a c em o v e m e n tp a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3 ．2C a l c u l a t i n go fD a m i n go r eE S 7 0 4 ’Ss u r f a c em o v e m e n tp a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯4 3 4 ．3 ．3C a l c u l a t i n go fD a l o n go r ee a s tt h r e e7 01 ’Ss u r f a c em o v e m e n tp a r a m e t e r s ⋯⋯．⋯⋯4 8 4 ．3 ．4C a l c u l a t i n go f X i a o n a no r ew e s tt w o7 0 6 ’Ss u r f a c em o v e m e n tp a r a m e t e r s ⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．3 ．5M i n ep i t ss u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o r m m i o np a r a m e t e r s ．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯5 l 4 ．4C A L C U L A T I N GO FS U R F A C EM O V E M E N TP A R A M E T E R S ’E X P E R I E N C EF O R M U L A ⋯．．5 2 4 ．4 ．1R e l a t i o n s h i po fS i n k i n gc o e f f i c i e n t q m i n e d - o u ta r e as i z e ．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．4 ．2M a i ni n f l u e n c i n g A n g l et a n g e n t t 9 1 3 ．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．4 ．3M i n i n gi n f l u e n c es p r e a d A n g l e 0 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．5 6 4 ．4 ．4I n f l e c t i o np o i n tm o b i l ed i s t a n c e S ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 4 ．4 ．5M o v i n gh o r i z o n t a l l yc o e f f i c i e n t b ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 4 ．5T H EC H A N G ER U L EO FA N G U L A RP A R A M E T E R S ⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯．⋯⋯．⋯6 2 4 ．6S U R F A C EM O V E M E N TR E G U L A R I T YN U M E R I C A LS I M U L A T I O N ⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 4 ．6 ．1B o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h ei n i t i a ls t r e s s ⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯．6 3 4 ．6 ．2D e t e r m i n er o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r s ．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 4 ．6 ．3S i m u l a t e dr e s u l t s ．．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．．6 9 4 ．7T H I SC H A P T E RS U M M A R Y ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 C O N C L U S I O NA N DP R O S P E C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 R E F E R E N C E S ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．7 2 V l I ● C O N T E N ’I 。S T H A N K S ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 A U l H O R I N T R O D U C T I O NA N DM 队I N T E C H N O L O G I C A L A C H I E V E M E N T SD U R I N GG R I N D I N G ⋯⋯．．．．．．⋯．⋯．．⋯．．．．．．．．⋯．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．7 4 V I I I 绪论 I I 1 ．1 课题研究的背景及意义 1 ．1 ．1 课题研究的背景 1 绪论 铁法矿区位于辽宁省北部的调兵山市境内，是辽宁省重要的煤炭生产基地， 已有七对生产矿井。由于煤炭的开采，地表已发生较为严重的沉陷与变形，形成 了大小不等的多个沉陷区块，不仅对矿区及周围的环境产生了不良的影响，还给 矿区人民的生活和生产带来了不便。在一定程度上也影响了矿区及调兵山市的环 境和经济发展，特别是对给调兵山市的发展和城市规划造成了极大的影响。 随着煤炭需求量的增大，铁法矿区的开采及生产能力也在稳步提高，开采面 积在不断扩大，因采矿所带来的一系列环境问题，如水量、水质问题、地表变形 与沉陷问题等日益突出，同时也致使工农之间、城乡之间、企业之间等的矛盾在 不断地发生和逐步地升级，为了缓解这一矛盾，辽宁省国土资源厅和铁岭市、调 兵山市国土资源局等各级领导对此特别重视，曾多次开展这方面的研究或矿山环 境治理工作，取得了一定成果。 虽然过去开展过这方面的工作，但是没有系统进行过研究和分析，对矿区地 质环境的发生、发展情况等还没有了解清楚，特别对矿区内主要环境问题如地表 沉陷、水环境等问题的产生与地质条件的关系方面，还没有进行细致的分析，因 此，对铁法矿区进行系统研究地表环境问题的产生、发展规律以及对主要环境问 题进行监测，建立地表环境监测网络十分必要，并且是当务之急。 铁法矿区通过多年的开采，已对矿区地质环境产生了严重的影响，将成为危 害矿区安全生产以及矿区人民的生命和健康的主要原因之一，为此，我们在充分 调查的基础上，为了减少矿区地质环境灾害的发生，全面掌握矿区地质环境的现 状而进行本项目。它将具有重大的社会意义和环境意义，同时也具有一定的经济 效益。综上所述，本次课题研究具有必要性和迫切性。 1 ．1 ．2 课题研究的意义 通过对矿区采煤沉陷地地表移动观测站的监测工作，查明矿区地质灾害类型， 确定采煤沉陷的形成机理及影响因素，预测采煤沉陷地地表移动与变形发展趋势， 为进一步做好矿区科学合理的开发煤炭资源提供科学依据。 开采地下资源引起的地表移动 沉陷 问题越来越受到人们的关注。地下开采 安徽理工大学硕士学位论文 引起的地表沉陷，严重的还会危及人民生命财产的安全。因此，较全面地了解煤 炭开采对地表沉陷的影响，对研究矿区地表移动规律有着重要的切实意义。 本文研究的意义如下 1 为矿区建筑物下开采提供较准确的地表移动参数； 2 为矿区采煤塌陷影响因素提供参考依据。 3 为矿区今后开采工作面的合理布局及煤炭的合理开采提供基础数据。 1 ．2 地表移动研究的发展阶段 地下开采矿物资源时，开采面积达到一定的数值，岩层将产生移动并发展到 地表，引起地表的移动、变形和破坏。这种现象从人类开始利用地下资源时就被 观察到了。早在1 5 世纪，关于允许开采深度的问题就已被比利时人写进了法律。 1 8 世纪下半叶，已能对移动范围进行估计，这就是所谓的“法线理论“ 和“自然 斜面理论”。另一方面杜马特 D u m o n t 提出了一个下沉量W 的算式，即 W m C O S a ，这里为采厚，为煤层倾角。本世纪2 0 至3 0 年代，斯奇米茨 S c h m i t z ， 凯因斯特 K e i n h o s t 矛l l 巴斯 B a l s 研究了开采影响的作用面积及分带，这可以作为 影响函数法的初级阶段。值得指出的是，凯因斯特首先提出了水平移动的算法， 即，这里为地表点到开采中心的连线与铅垂线的夹角。以上可以称为岩层移动发 展的第一阶段I I J 。 第二次世界大战后，生产的发展及其对煤炭需求量的增大，使地表移动问题 更为突出。许多学者开始对地表移动计算进行深入探索。前苏联学者阿维尔辛通 过塑性理论和经验方法提出了下沉剖面方程成指数函数形式，并提出了水平移动 与地表倾斜成正比的著名观点，这一观点至今被许多资料所证实。波兰学者克诺 特 K n o t h e ，1 9 5 0 提出了几何理论，布德雷克解决了克诺特提出的下沉盆地中的 水平移动及水平变形问题，这一理论现在称为布德雷克一克诺特理论[ 2 1 。其高斯 型的影响曲线对近水平煤层的下沉描述十分成功。另一波兰学者李特维尼申 L i t w i n i s z y n ，1 9 5 4 对岩层移动计算理论有较大贡献。他把岩层移动过程作为一个 随机过程，推证下沉服从柯尔莫哥洛夫 K o r m o r o p o b 方程，这一理论被称为随机 介质理论，依据这一理论发展了至今在我国广泛应用的概率积分方法【3 】。另外， 沙武斯托维奇 S a l u s t o w i c z ，1 9 5 3 根据弹性基础梁理论得到了地表下沉盆地的表达 式。6 0 年代初，英国学者拜瑞 B e r r y 和沃利斯 W a l e s 根据弹性理论分别讨论了均 质岩层平面和横观各向同性平面以及三维条件下的地表移动表达式，但由于参数 确定方面的困难，应用较少。此期间英国大量研究和发展了应用典型曲线计算地 2 绪论 I II I I 表移动的方法。美国学者沙拉蒙 S a l a m o n ，1 9 6 0 对地表移动也有一些研究，他几 乎与拜瑞同期研究弹性理论求解地表移动。上述阶段可认为是岩层与地表移动研 究的第二阶段【4 1 。 随着计算机技术的发展，岩层与地表移动的数学模型发展很快，从7 0 年代至 今，人们将经典理论 第二阶段发展的理论 的算法编成计算程序，使得过去难以 计算的问题成为可能【5 1 。值得一提的是，三种主要的数值分析法 有限元法、边界 元法和离散元法 均在岩层移动计算中得到了应用。岩层移动计算正向着自动化、 智能化、复杂化和直观化方向发展。在自动化方面，可以根据已有的观测资料反 求参数、计算不同采矿方案下的地表移动变形；在智能化方面，根据计算理论和 专家经验设计的专家系统可以辅助决策；在复杂化方面，不仅能对倾斜煤层、岩 层内部进行计算，而且对复杂地质条件 如有断层 下的移动变形也能计算，同时 还能给出应力分析的结果；在直观化方面，计算结果能直接以曲线图甚至三维图 的方式给出，十分直观，一目了然。目前正在深入研究的这些方面可作为岩层移 动发展的第三阶段【6 1 。 与波兰、前苏联等国相比，我国岩层与地表移动研究起步较晚，分阶段的特 征不明显，实际上解放后我国才进行这一方面的研究工作。刘宝琛、廖国华将随 机介质理论引入我国，并发展和完善了这种计算方法忉。刘天泉、周国铨等一批 学者对我国此项事业的发展做出了贡献‘引。在我国已形成了概率积分法，典型曲 线法，负指数函数法等多种计算方法并存的“百花齐放“ 的局面。在大量的地表 移动观测资料的基础上制定出了自己的规程，可以毫不夸张的说，我国在岩层与 地表移动的理论研究和实际应用方面都取得了巨大的成绩，并在国际上占据应有 的地位【9 】。 1 ．3 研究内容及技术路线 1 ．3 ．1 本论文研究的内容 本文针对铁法矿区采煤沉陷地移动与变形的具体情况进行分析研究，其主要 内容有 1 对矿区地质灾害类型进行实地的调查、统计和整理； 2 对矿区各矿井采空区分布进行调查整理并绘制成图； 3 通过对矿区地表移动观测站所观测的数据进行整理与计算，得出矿区地表 移动概率积分预计参数统计值 安徽理工大学硕士学位论文 4 对矿区采煤沉陷形成机理与影响因素进行系统分析； 5 对矿区地表移动与变形发展趋势进行预测及规划。 1 ．3 ．2 拟采用技术路线 图l 为本文的技术路线图。 2 地表移动参数的求取 1 1 2 地表移动参数的求取 2 ．1 最小二乘法 M a r q u r t 法 预计模型求定与水平移动和变形相关的参数。严格来说，求实测参数应该用最优 化方法，但实践表明，用曲线拟合最4 , - 乘法求得的参数能够满足工程的需要。 最小二乘逼近拟合法的数学模型如下 首先选取参数6 ， f 1 ～7 的初始值包‘们。6 ， o ’即为概率积分预计参数的初始 值。则有匆 6 『 。 △，，式中，A 。第f 个参数的修正值。 将厂 五；B 在 五；拜0 1 ，趣们，．．砖。’ 附近按台劳级数展开，并假定岛‘。’与岛足够 近似，使A ，足够小，并可在展开式中略去的二次及二次以上的项，则有 ／ 五；白A ⋯剐 岛