開采沉陷動(dòng)態(tài)過程及基于關(guān)鍵層理論的沉陷模型.pdf

1、“三下”采煤最主要的技術(shù)難題是開采沉陷的防治技術(shù)。目前，以概率積分法為代表的開采沉陷預(yù)計(jì)方法可以預(yù)計(jì)地表充分采動(dòng)或非充分采動(dòng)后的各種靜態(tài)指標(biāo)，如下沉量、傾斜和曲率等，但不能預(yù)計(jì)地表移動(dòng)的整個(gè)過程。開采沉陷對(duì)地表建(構(gòu))物的損害程度不僅取決于各種指標(biāo)的最終結(jié)果(靜態(tài)值)，也取決于各種指標(biāo)的變化過程(動(dòng)態(tài)值)。因此，研究開采沉陷的動(dòng)態(tài)過程對(duì)于沉陷災(zāi)害的預(yù)防和控制具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文以長壁工作面采煤引起的巖層移動(dòng)和地表沉陷為

2、主要研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)值模擬、理論分析、數(shù)學(xué)建模、實(shí)測(cè)驗(yàn)證等手段，對(duì)開采沉陷的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了深入的研究和有益的探討，取得了如下一些進(jìn)展：
　　 1)提出了一種長壁式工作面開采煤層形成的地表下沉盆地及其走向、傾向主斷面下沉曲線的擬合函數(shù)模型。模型中參數(shù)α、b控制沉陷盆地的范圍，參數(shù)wmax、d控制沉陷盆地的深淺及走向、傾向主斷面下沉曲線的形狀。實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證，該函數(shù)能很好地?cái)M合沉陷盆地主斷面下沉曲線，與負(fù)指數(shù)函數(shù)、雙曲正切函

3、數(shù)模型相比，具有表達(dá)形式簡單、參數(shù)容易取得、擬合程度高等優(yōu)點(diǎn)。
　　 2)針對(duì)較大深厚比(開采深度與開采厚度之比大于25)條件下開采煤層形成矩形采空區(qū)的過程，提出了上覆巖層移動(dòng)形成地表下沉盆地的形態(tài)和大小主要決定于離地表最近一層關(guān)鍵巖層的彎曲變形，并且地表下沉量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于關(guān)鍵巖層的厚度，關(guān)鍵層的變形符合彈性薄板彎曲變形的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。
　　 3)用彈性薄板理論的半逆解法分別建立了緩傾斜煤層開采和傾斜煤層開采地表下沉盆地的力學(xué)模

4、型，推導(dǎo)出了傾斜煤層開采時(shí)地表最大下沉點(diǎn)在傾斜方向的坐標(biāo)公式和形態(tài)參數(shù)d的計(jì)算公式。
　　 4)提出了可描述地表點(diǎn)下沉過程的時(shí)間函數(shù)模型不僅能較好地?cái)M合w-t曲線，而且由模型求出的v-t和α-t曲線也要符合地表點(diǎn)下沉的客觀過程。從曲線形態(tài)、速度和加速度三個(gè)方面計(jì)算分析了knothe模型、Gompertz模型、logistic模型、Weibull模型，得出這些模型不能用于描述開采沉陷的動(dòng)態(tài)過程。
　　 5)改進(jìn)了knoth

5、e時(shí)間函數(shù)模型。模型參數(shù)可采用經(jīng)驗(yàn)方法和最小二乘法相結(jié)合的方式確定，其中參數(shù)c決定地表點(diǎn)下沉?xí)r間的長短，參數(shù)k決定地表點(diǎn)下沉在時(shí)間軸上的具體路徑，但參數(shù)的決定因素和物理意義還有待進(jìn)一步研究。
　　 6)當(dāng)采煤工作面以速度v0勻速向前推進(jìn)時(shí)，設(shè)地表移動(dòng)的啟動(dòng)距為10，工作面推進(jìn)長度為l，則可用工作面推進(jìn)距離和速度代替改進(jìn)的knothe時(shí)間函數(shù)模型中的時(shí)間t。
　　 7)用FLAC3D軟件模擬了某礦區(qū)煤層的開采過程。在計(jì)算模

6、型的上表面經(jīng)過開采中心點(diǎn)的走向和傾向剖面線上布置了18個(gè)垂直位移和位移速率的檢測(cè)點(diǎn)，得出了在走向和傾向剖面線上各檢測(cè)點(diǎn)在開采過程中的垂直位移曲線和速度曲線，其曲線形態(tài)與改進(jìn)的knothe時(shí)間函數(shù)曲線十分相似。
　　 8)改進(jìn)的knothe時(shí)間函數(shù)模型分別結(jié)合了基于關(guān)鍵層理論的開采沉陷模型和概率積分預(yù)計(jì)模型，建立了主斷面下沉曲線、傾斜曲線和曲率曲線的動(dòng)態(tài)模型。最后，主要采用南桐礦區(qū)的部分觀測(cè)資料進(jìn)行了驗(yàn)證，表明在主斷面最終下沉曲線