開采沉陷動態(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計方法可以預計地表充分采動或非充分采動后的各種靜態(tài)指標，如下沉量、傾斜和曲率等，但不能預計地表移動的整個過程。開采沉陷對地表建(構(gòu))物的損害程度不僅取決于各種指標的最終結(jié)果(靜態(tài)值)，也取決于各種指標的變化過程(動態(tài)值)。因此，研究開采沉陷的動態(tài)過程對于沉陷災害的預防和控制具有重要的理論意義和工程應用價值。本文以長壁工作面采煤引起的巖層移動和地表沉陷為

2、主要研究對象，采用現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬、理論分析、數(shù)學建模、實測驗證等手段，對開采沉陷的動態(tài)過程進行了深入的研究和有益的探討，取得了如下一些進展：
　　 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。實測資料驗證，該函數(shù)能很好地擬合沉陷盆地主斷面下沉曲線，與負指數(shù)函數(shù)、雙曲正切函

3、數(shù)模型相比，具有表達形式簡單、參數(shù)容易取得、擬合程度高等優(yōu)點。
　　 2)針對較大深厚比(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，并且地表下沉量遠遠小于關(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術(shù)觀點。
　　 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模

4、型，推導出了傾斜煤層開采時地表最大下沉點在傾斜方向的坐標公式和形態(tài)參數(shù)d的計算公式。
　　 4)提出了可描述地表點下沉過程的時間函數(shù)模型不僅能較好地擬合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下沉的客觀過程。從曲線形態(tài)、速度和加速度三個方面計算分析了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態(tài)過程。
　　 5)改進了knoth

5、e時間函數(shù)模型。模型參數(shù)可采用經(jīng)驗方法和最小二乘法相結(jié)合的方式確定，其中參數(shù)c決定地表點下沉時間的長短，參數(shù)k決定地表點下沉在時間軸上的具體路徑，但參數(shù)的決定因素和物理意義還有待進一步研究。
　　 6)當采煤工作面以速度v0勻速向前推進時，設地表移動的啟動距為10，工作面推進長度為l，則可用工作面推進距離和速度代替改進的knothe時間函數(shù)模型中的時間t。
　　 7)用FLAC3D軟件模擬了某礦區(qū)煤層的開采過程。在計算模

6、型的上表面經(jīng)過開采中心點的走向和傾向剖面線上布置了18個垂直位移和位移速率的檢測點，得出了在走向和傾向剖面線上各檢測點在開采過程中的垂直位移曲線和速度曲線，其曲線形態(tài)與改進的knothe時間函數(shù)曲線十分相似。
　　 8)改進的knothe時間函數(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計模型，建立了主斷面下沉曲線、傾斜曲線和曲率曲線的動態(tài)模型。最后，主要采用南桐礦區(qū)的部分觀測資料進行了驗證，表明在主斷面最終下沉曲線