简单地质—开采条件下的采煤沉陷预测程序设计--《西安科技大学》2005年硕士论文
简单地质—开采条件下的采煤沉陷预测程序设计
【摘要】：煤炭资源的大规模开采,引起或诱发的煤矿区地面沉陷、塌陷和山地开裂等地质环境破坏及其诱发的地质灾害称之为采煤沉陷。采煤沉陷已经成为制约煤矿区经济与社会发展的主要因素。本文在全面分析地质、采矿等因素与采煤沉陷关系的基础上,从地质的角度,揭示了采煤沉陷的发生、发展规律,进一步完善了采煤沉陷研究的理论体系及采煤沉陷动态演化预测的理论基础;结合陕西省典型煤矿区实际,用计算机语言 VB 开发出能在开采前对采煤沉陷进行准确预测预报的采煤沉陷动态演化预测系统软件,以仿真模拟随着工作面推进,地表移动变形的发生、发展过程。
本系统可以对近水平煤层或中倾斜煤层在充分采动或非充分采动情况下的地表下沉、倾斜、曲率、水平移动及水平变形等五种移动变形参数进行预测,并能输出主剖面上的地表各移动变形参数的预测曲线图;可以计算出采煤沉陷盆地任意一点的地表移动变形值,并可绘制采煤沉陷盆地地表移动变形等值线;可以对整个采煤沉陷过程进行动态模拟,以曲线图和关系表的形式,输出在一定的地质、采矿条件下,工作面每推进 10m,地表相应的移动变形参数;能够作出在一定时间内不同开采速度条件下的地表移动变形曲线。
通过与教材中的典型算例进行验算,本系统运算精度完全可靠。通过与铜川矿区王石凹井田东部采区 291 工作面地表岩移观测结果的对比,本系统预测精度在允许范围之内,能够满足现场需求。
论文的研究成果,可为煤矿区经济与环境协调发展提供科学依据和技术支持,成为铜川煤矿区确定合理开采强度和对采煤沉陷进行准确预测预报的依据和手段。该成果对其它大型矿区的采煤沉陷控制也将具有一定的参考价值和推广应用前景。
【关键词】：
【学位授予单位】：西安科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2005【分类号】：TD327【目录】：
1 绪论8-15
1.1 问题的提出与研究的意义8-9
1.2 国内外研究现状9-12
1.2.1 采煤沉陷预计的主要理论与方法9-10
1.2.2 新方法在采煤沉陷预计中的应用10-11
1.2.3 采煤沉陷动态演化的计算机模拟11-12
1.3 研究思路与研究内容12-13
1.3.1 研究思路12
1.3.2 研究内容12-13
1.4 研究方法与技术路线13-15
1.4.1 研究方法13-14
1.4.2 技术路线14-15
2 采煤沉陷动态演化预测的理论基础15-31
2.1 采煤沉陷的基本特征15-19
2.1.1 采煤引起地表移动变形的演化过程15
2.1.2 煤层覆岩移动变形的“三带”分布15-16
2.1.3 采煤引起地表移动变形的破坏类型16-17
2.1.4 采煤沉陷盆地及其移动变形特征参数17-19
2.2 采煤沉陷的主要影响因素19-25
2.2.1 采矿因素19-22
2.2.2 地质因素22-25
2.3 影响采煤沉陷预测值的主要参数25-31
3 采煤沉陷动态演化预测系统的设计31-46
3.1 系统需求分析31
3.2 系统主要功能31-32
3.3 系统窗体结构32-35
3.4 主要窗体和模块35-46
3.4.1 误差函数积分35-37
3.4.2 移动变形曲线37-40
3.4.3 坐标初始化40-42
3.4.4 沉陷盆地等值线42-46
4 采煤沉陷动态演化预测功能的实现46-67
4.1 近水平煤层开采地表主断面移动变形预测47-55
4.1.1 充分采动时主断面的移动和变形47-49
4.1.2 非充分采动时主断面的移动和变形49-55
4.2 中倾斜煤层开采地表主断面移动变形预测55-57
4.2.1 充分采动时主断面的移动和变形55-56
4.2.2 非充分采动时主断面的移动和变形56-57
4.3 采煤沉陷盆地主断面地表移动变形动态演化模拟57-58
4.4 采煤沉陷盆地预测58-60
4.4.1 沉陷盆地任意点移动变形预测58-59
4.4.2 沉陷盆地移动变形等值线绘制59-60
4.5 考虑时间因素的地表移动变形预测60-67
4.5.1 地表动态移动变形60-61
4.5.2 主要预测公式61-62
4.5.3 预测示例62-67
5 采煤沉陷动态演化预测系统的应用67-72
5.1 铜川王石凹井田地质概况67
5.2 291工作面地质与采矿条件67-68
5.3 开采引起地表移动变形的观测及预测68-72
6 结语72-74
6.1 主要结论72-73
6.2 主要创新73
6.3 研究展望73-74
参考文献75-77
附录部分源程序代码77-85
攻读学位期间发表的论文85-93
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关注微信公众号1．“三带”的定义?；答：冒落带是指用全部垮落法管理顶板时，回采工作面；裂缝带：在采空区上覆岩层中产生裂缝、离层及断裂，；2.地表移动盆地边界的确定（此题答案不确定）；一、地表移动盆地边界的划分；地表移动盆地划分成如下三个边界：；(一)移动盆地的最外边界；移动盆地最外边界是以地表移动和变形都为零的盆地边；(二)移动盆地的危险移动边界；危险移动边界是以盆地内的
1．“三带”的定义?
答：冒落带是指用全部垮落法管理顶板时，回采工作面放顶后引起煤层直接顶板岩层产生破坏的范围。
裂缝带：在采空区上覆岩层中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层。 弯曲带：又称整体移动带，位于裂缝带之上直至地表。
2.地表移动盆地边界的确定（此题答案不确定）
一、地表移动盆地边界的划分
地表移动盆地划分成如下三个边界：
(一)移动盆地的最外边界
移动盆地最外边界是以地表移动和变形都为零的盆地边界点所固定的边界。这个边界由仪器观测确定。考虑到观测误差一般取下沉为10mm的点为边界点。所以，最外边界实际上是下沉为10mm的点圈定的边界。（图中ABCD）
(二)移动盆地的危险移动边界
危险移动边界是以盆地内的地表移动与变形对建筑物有无危害而划分的边界。 （图中A’B’C’D’）
不同结构的建筑机能承受最大变形的能力不一样，所以各种类型的建筑物都应有对应的临界变形值。在确定移动盆地内危险移动边界时，用相应建筑物的临界变形值圈定，会更接近于实际。
(三)移动盆地的裂缝边界
裂缝边界是根据移动盆地内最外侧的裂缝圈定的边界。
3.地表移动观测站设计内容有哪些？
答：观测站设计包括便携设计说明书和绘制设计图两部分工作。
设计说明书应包括下列内容：
1) 建立观测站的目的和任务
2) 设站地区的地形、地物及地质采矿条件
3) 观测站设计时所用的开采沉陷参数
4) 观测线的位置及长度的确定，测点及控制点的数目、位置及其编号
5) 工作测点和控制点的构造及其埋设方法
6) 观测内容及所用仪器，与矿区控制网的联测方法，精度要求，联测的起始数据，定期观
测时间、方法及精度要求，有关地表采动影响的测定，编录方法。
7) 经费估算：包括观测站所需材料、购地、人工等费用的预算
8) 观测成果的整理方法与分析步骤，所需获得的成果
4.水平煤层(或沿煤层定向主颁)非充分采动时主断面内下沉曲线特征?
答：判别：水平煤层开采时的采动程度可用走向充分采动角φ3来判别。当用φ3 角作的两直线交于岩层内部而未及地表时，此时地表为非充分采动。
（一）下沉曲线
下沉曲线表示地表移动盆地内下沉的分布规律。设沿主断面方向为x轴，下沉曲线为
在讨论分布规律时，先要确定下沉曲线上的三个特征点：
1．最大下沉点o：下沉值最大。在水平煤层开采时，在采区中央正上方。
2．盆地边界点A、B：据走向边界角δ0作边界点A、B，此处下沉值为零。
3．拐点E：拐点是指下沉曲线凹凸的分界点。拐点从理论上讲应位于工作面开采边界的正上方，但由于工作面边界附近的顶板并不切煤壁冒落或呈阶状弯曲，存在悬顶距，因此在四周没采情况下，拐点E不在工作面开采边界的正上方而是略偏向采空区一侧。在地表达充
分采动条件下，拐点处的下沉值约为最大下沉值的一半。
下沉曲线分布规律：在地表最大下沉点O处下沉值最大，自盆地中心至盆地边缘下沉值逐渐减小，在盆地边界点A、B处下沉值为零。
5.什么叫起动距？
答：通常把地表开始移动时工作面的推进距离称为启动距。
6.什么叫超前影响、超前影响角,超前影响距?
答：超前影响：在工作面推进过程中，工作面前方的地表受采动影响而下沉，这种现象称为超前影响
超前影响角：将工作面前方地表开始移动（即下沉10mm）的点与当时工作面的连续，此连线与水平线在煤柱一侧的夹角。
超前影响距：开始移动的点到工作面的水平距离l称为超前影响距
7．什么叫地表移动预计？
答：在地下开采之前，按地质采矿条件估算地表的各种移动和变形值。现在只能进行简单条件下的地表移动预计。预计最大下沉值可能偏差约±10％，其他变形最大值为±30～50％。对于复杂条件，如急倾斜矿层开采，多矿层开采，存在有地质构造破坏、矿层不稳定和开采空间不规则等情况，预计的偏差更大。
12、响地表移动变形的主要采矿因素有哪些？
1.覆岩力学性质、岩层层位的影响；
2、松散层对地表移动特征的影响；
3.煤层倾角的影响；
4、开采厚度与开采深度的影响；
5．采区尺寸大小的影响；
6.重复采动的影响；
7.采煤方法及顶板管理方法的影响。
18、描述岩层与地表移动常用的5个指标是什么？它们之间有什么关系？并说明最大值发生的位置.
答：的定量指标有：下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形。
倾斜是下沉的一阶导数，当x＝0是地表倾斜值最大。
曲率是下沉的二阶导数，是倾斜的一阶导数。当x＝±0.4r时，地表曲率值最大。 水平变形是水平移动的一阶导数。当x＝±0.4r时，地表水平变形值最大。
19、煤炭资源的开采，一方面给人们提供了矿产资源，另一方面也带来了一系列的环境和生态问题，试回答主要表现在哪些方面？
答：回答要点
（1）使地面标高降低，耕地淹没、盐渍化、沙漠化，在山区引起坡体滑移。
（2）地表沉陷使位于沉陷区的建（构）筑物、铁路、公路、桥梁、隧道、堤坝、输电线路等人工建（构）筑物损害、倒塌，影响人民的生命财产安全和交通运输安全。
（3）地下开采使含水层水位下降，地面河流、水库干涸，使水进入井下，淹没矿井。
（4）在岩溶发育区，地下开采使地面出现大量塌陷坑、塌陷漏斗。
（5）开采引起矿区局部地震，震级R2～3级，引起当地居民极大的恐慌。随着开采深度的增加，地震发生的频率、震级均将增大。
（6）矿山开采和加工过程中产生的的大量粉尘和排放的SO2、NOx等有害气体，危害矿区工农群众的身体健康，导致呼吸系统病变，影响动植物的生存和生长，污染水体、土壤和环境
20、下沉系数？
答：充分采动时，地表最大下沉值与开采高度的比值称为下沉系数。
21. 最大下沉角？
答：在非充分采动条件下,在移动盆地倾向主断面上,采空区中点和地表最大下沉点在基岩面上投影点的连线与水平线在下山方向的夹角。
22、主要影响半径？
23.开采沉陷预计？
答：开采沉陷预计：对一个计划进行的开采，在开采进行以前，根据其地质采矿条件和选用的预计函数、参数，预先计算出受此开采影响的岩层和（或）地表的移动和变形的工作，称为开采沉陷预计。
24.试分析曲率变形对地表建筑物的影响。
答：曲率变形表示地表倾斜的变化程度。建筑物位于正曲率（地表上凸）和负曲率（地表下凹）的不同部位，其受状态和破坏特征也不相同。前者是建筑物中间受力大，两端受力小，甚至处于悬空状态，产生破坏时，其裂缝为倒“八”字形；后者中中间部位受力小，两端处于支撑状态，产生破坏时，其裂缝为“八”字形。
曲率变形引起的建筑物上附加应力的大小，与地表曲率半径、土壤物理力学性质和建筑物特征有关。一般是随曲率半径的增大，作用在建筑物上的附加应力减小；随建筑物长度的增大、底面积增大，建筑物产生的破坏也加大。
25.分析煤层倾角对覆岩和地表的移动形式、破坏发展过程以及破坏分布状态的影响。
28．什么叫充分采动角？画图说明水平煤层开采时采动程度的判定方法。
答：在充分采动条件下，在地表移动盆地的主断面上，移动盆地平底的边缘(在地表水平线上的投影点)和同侧采空区边界连线与煤层在采空区一侧的夹角称为充分采动角。
超充分采动 非充分采动
36．什么叫充分采动角？画图说明倾斜煤层开采时的采动程度的判定方法。
37．开采沉陷预计时用到的地质采矿条件有哪些？并结合工程实践叙述一下开采沉陷预计的意义和作用。
38.边界角？
答：在充分或接近充分采动条件下，移动盆地主断面上的边界点和采空区边界点连线与水平线在煤壁一侧的夹角。
39.分析煤层倾角对覆岩和地表的移动形式、破坏发展过程以及破坏分布状态的影响。
倾角的变化，对上覆岩层的移动和破坏形式有很大影响。倾角不同，覆岩的移动形式、破坏形态和地表移动盆地的形态均有较大的差异。
（一）对地表移动盆地形态的影响
? 水平和近水平煤层开采时，以采空区对称椭圆；
? 倾斜煤层开采时，偏向下山方向的非对称椭圆；
? 倾角越大，非对称性越明显；当接近90度时，又称为对称椭圆；
（二）对覆岩移动形式和破坏形态的影响
? 倾角在0~35度时：法向弯曲和崩落，冒落带、导水裂缝带形态呈马鞍形。
? 倾角在35~54度时：法向弯曲，岩层面的剪切移动和岩石的下滑，覆岩破坏形式呈
? 超过54度后，冒落到采空区内的煤和岩块除呈单块滚动外，还会成堆地沿煤层倾斜
方向滑动。
? 超过75度后，底板岩层产生滑移，底板一侧的地表也会出现许多裂缝或形成台阶盆
41．简要说明地表下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形的含义与单位。
答：下沉：地表点移动和变形。以本次和首次测得的标高差表示。
倾斜：地表下沉盆地沿某一方向的坡度叫倾斜。也叫斜率。其平均值以两点间的下沉差除以点间的距离表示。
曲率：下沉盆地剖面线的弯曲度叫曲率。其平均值以相邻两线段倾斜差除以两线段中点的距离。
水平移动：地表下沉盆地点沿某一水平方向的位移叫水平移动。以本次与首次测得的从改点至控制点水平距离差来表示。
水平变形：下沉盆地内两点间的单位长度的水平移动差叫水平变形。其平均值以两点间水平移动差除以两点间距表示。
42.移动盆地的危险移动边界
答：盆地内的地表移动变形对建筑物有无危害划分的。
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