煤矿地表沉陷观测站设计及观测精度控制分析以潘矿.docx
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煤矿地表沉陷观测站设计及观测精度控制分析以潘矿.docx
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煤矿地表沉陷观测站设计及观测精度控制分析以潘矿
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本科
毕业
论文
煤矿地表沉陷观测站设计及
观测精度控制分析—潘一矿为例
COALMININGSUBSIDENCEOBSERVATIONACCURACYCONTROLDESIGNANDOBSERVATORYWASANALYZED-PANFOREXAMPLEAORE
学院(部):
测绘学院
专业班级:
学生姓名:
指导教师:
2010年6月2日
煤矿地表沉陷观测站设计及观测精度控制分析以—潘一矿为例
摘要
本文针对潘一矿2118综采工作面的实际地形情况,合理地布设了地表移动观测站,设计出了如图2所示的观测站示意图。
其中走向观测线长度为1255m,倾向观测线为975m。
而且在预计的特征点周围适当增加变形监测点,确定最佳方向观测线设计方案以便获得更加准确和详细的数据。
本文从地表岩层移动观测站的建立、求取精度分析、如何提高参数求取精度和实况分析等方面来阐述煤矿地表沉陷观测站设计及观测精度控制分析,并且对煤矿地表沉陷进行监测和实时预报地表下沉情况,为完成该技术项目提供了理论依据。
关键词:
移动观测站,观测精度,观测线,地表沉陷
COALMININGSUBSIDENCEOBSERVATIONACCURACYCONTROLDESIGNANDOBSERVATORYWASANALYZED-PANFOREXAMPLEAORE
ABSTRACT
Aimingatthepanamineral2118terrainfullymechanizedworkingface.Reasonablythesurfacemovementobservatorylaid,Andthedesigndirectionobservationmadeapproximatelineexpected.Inthefeaturepointsareexpectedtoappropriatelyincreasethedeformationmonitoringstationsaround,Determinetheoptimaldirectionobservationlinedesignschemetoobtainmoreaccurateanddetaileddata.
Thisarticlefromsurfacethestratamovementobservatoryestablishandcalculatingprecisionanalysis,howtoimprovetheparametercalculatingprecisionanalysis,livesuchaspectselaboratedcoalminingsubsidenceobservationaccuracycontrolobservatorydesignandanalysis,Andforcoalminingsubsidencemonitoringandreal-timepredictionsurfacesubsidence,Toaccomplishthistechnologyprojectprovidestheorybasis.
KEYWORDS:
mobileobservatory,observationaccuracy,observationline,surfacesubsidence
1绪论
矿山工程实践与地表移动观测站、井下岩体内部移动观测站的大量实测资料一再证实,矿山开采损害的众多事件中,矿山岩体地表的移动与变形都同时间因素密切关联,损害随时间发展与变化,最终趋于稳定状态。
开采结束后经过一定的时间,地表及岩体内部移动与变形最终趋于稳定,人们通称此时的开采沉陷为静态问题,或岩层及地表移动的静态问题。
与静态问题相对应,人们称开采影响最终稳定以前的岩层及地表移动问题为动态问题。
预计开采期间及停采后地表的移动变形有着重要的现实意义。
随着我国煤炭开采强度的增加,地表沉陷问题日益突出,如土地塌陷、建(构)筑物的损害、排水系统的改变、道路坡度的变化,这就迫使人们不仅需要了解地表动态沉陷规律,还必须对开采沉陷动态过程进行趋势预测,以便及时采取有效措施,杜绝事故发生。
1.1 开采沉陷研究现状
地下煤层采出后引起的地表沉陷是一个时间和空间过程。
随着工作面的推进,不同时间的回采工作面与地表点的相对位置不同,开采对地表点的影响也不同。
地表点的移动经历一个由开始移动到剧烈移动,最后到停止移动的全过程。
在工作面推进过程中,地表各处的移动变形值在开采期间要经受动态变形的影响,虽然这种动态变形是临时性的,但它同样可以使建筑物遭到破坏。
在以往的研究中人们特别注重于开采沉陷的最终结果,而放弃了开采沉陷动态过程研究,这对地表建筑物的保护是极其不利的。
20世纪50年代以来,国内学者对开采沉陷动态过程越来越关注,对其的研究也逐渐深入,岩层与地表移动理论研究得到了蓬勃发展,相继提出了层状介质理论、托板理论、关键层理论、损伤力学理论等。
同时,相似材料模型法、有限单元法、边界元法、离散单元法、数值计算软件等也相继用来研究岩层移动与地表沉陷问题,取得了丰硕的成果。
像杨帆,麻凤海等基于水平或近水平煤层的开采问题,根据流变力学理论和薄板弯曲理论来研究覆岩运动的时间、空间过程,但对于急倾斜煤层、特厚煤层开采的地表沉陷动态过程问题涉及较少。
宁永香,崔建国,焦希颖等以Knothe模型的函数为基础,对影响地表动态移动和变形的因素———回采速度和时间影响系数c进行研究。
研究表明:
当工作面推进速度小时,最大动态变形值较大,随着推进速度的增大,动态变形值减小,可以推断,与适当的地面保护措施相结合,快速开采可能是减小地表采动损害的一种可行开采方法;此外,时间影响系数c较小时,下沉迟缓,最大动态变形值较小,随着时间影响系数c的增大,地表最大动态变形值增大,当时间影响系数较大时,一定要注意地面建筑物的防护措施,以减小地表采动损害。
王华宁,曹志远以形状随时间变化的物体———时变体为研究对象,将损伤理论与时变力学结合,引入与时变过程相关的损伤参数,形成损伤时变力学分析方法,利用此方法对某地下煤层开采过程进行计算机仿真分析,给出形状时变引起的损伤场与地表移动的动态演化过程,相比非时变的常规分析和施工分析能更好地模拟连续施工,为工程施工分析与预测提供更加科学和有效的手段。
将开采引起的上覆岩层移动过程分为4个时段,采用不同的岩体移动力学模型模拟不同时段的岩层移动,建立了采动岩体动态力学模型,该模型不但能计算动态岩层和地表移动,而且能计算离层发育位置、岩体破裂高度及顶板岩体周期断裂步距,与现有的岩体移动力学模型的重要区别在于该模型考虑了岩体在垮落过程中,梁的位置、弹性基础及作用在梁上的载荷处在不断变化之中,体现了采动岩体动态移动过程,更真实地反映了采动岩体移动破坏的时空变化规律。
麻凤海,杨帆等应用有限单元法和离散单元法数值分析手段,研究了开采引起的立井和地表变形,经与实际观测对比,看出数值模拟方法在研究地层沉陷大位移、大变形以及移动的动态过程等问题上是一个切实可行的方法。
它的优点是其它方法不可替代的,随着研究工作的不断深入,数值模拟方法会在地层沉陷等研究领域显示出更大的优越性。
由于开采沉陷涉及学科较多,而以前的研究多在某单一学科的基础上建立起来的。
因此,要准确认识开采沉陷机理,就必须把整个采动影响视作一个系统,多学科相互交叉配合,由下至上地研究采动覆岩内部和地表移动,分析出岩层移动的力学过程,找出控制岩层移动的力学规律,为减缓开采沉陷提供理论基础。
1.2开采沉陷预计方法研究现状
开采沉陷预计是矿山开采沉陷学科的核心内容之一,它对开采沉陷的理论研究和生产实践都有重要意义。
对于开采沉陷的静态预计,国内外学者已经做了大量深入细致的研究,提出了许多实用有效的理论和方法,如连续和随机介质理论,概率积分法、典型曲线法和剖面函数法、数值计算方法等。
但在动态预计研究方面,虽然我国学者也做了大量的工作,但该研究仍在探索之中。
如赵斌、刘文涛等通过对采场覆岩变形规律的研究,从岩石流变力学的角度,建立了岩移的流变力学模型,确定了地表动态移动下沉值与时间的函数关系式,并指出地表动态移动过程与覆岩岩性、开采条件及方式、岩层结构等多种因素有关,不同的开采地质条件应表现出不同的流变力学参数,选择单一的流变模型显然不能满足实际需要,应结合实测资料对相关系数进行估算,可以有效地对开采地表变形进行预计,有助于确定地表受采动的影响程度。
栾元重、王华生等针对地表移动的非平稳监测数据,提出了用DM(n,h)模型和指数平滑法进行地表移动趋势项建模及精度分析等问题,指出用DM(n,h)模型是实现动态监测数据在线预测的一种有效方法,预测精度高,且不依赖于地质条件及变形体移动的成因,而指数平滑法在拟合方面精度较高,但预测精度一般。
范洪冬、邓喀中等利用三次指数平滑法对开采沉陷参数进行了动态预计,此方法在做动态预测时具有数据存储量小、预计速度快、计算简便、易于掌握、可利用预测误差来校正新的预测值等优势。
同时,可以较好地模拟观测结果,在实践中取得了较好的预计效果,但没有考虑影响地面变形的诸多因素。
吴侃、靳建明应用时间序列分析法对开采沉陷动态过程的概率积分法预计参数进行分析,建立了动态预计模型,用该模型可对参数的未来值进行预计,然后利用预计结果进一步预计地表的移动变形,解决了开采沉陷的动态预计问题。
应用此法,地表下沉的相对预计误差一般为4%左右,与传统方法相比,预计精度可提高5~15个百分点。
文献从非线性理论入手,采用分形方法对地表动态沉陷的数据进行了分析和研究,得到了地表下沉的分形增长规律及其功率谱特征,充分证明了地表下沉的非线性特性分形插值曲线,对深部煤层开采具有重要的指导作用。
崔希民、宁永香等以Knothe时间函数为基础,结合概率积分法建立了地下开采引起地表移动动态过程的计算模型,可以预计出地表动态下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形值,有助于确定最小有害采动影响的开采布置,减小采动损害,提高建筑物防护水平,解决建筑物下压煤开采的有关问题,但Knothe时间函数的一阶导数、二阶导数在开采的初始时刻并不等于零,表明Knothe时间函数本身不完全与地表移动的实际过程吻合,具有应用的局限性。
余学义、党天虎等以Knothe理论为基础,通过Zero模型,建立覆岩移动变形的流变模型,分析地表动态移动变形特性,给出地表动态下沉盆地的移动变形预计理论及其参数,并就开采速度对动态移动变形的影响进行了分析,得出开采引起覆岩、地表动态移动变形的极大、极小值呈非对称分布。
数值计算方法是随着计算机技术的发展而建立起来的一种方法,它可以解决某些理论研究的计算过于复杂而实际无法计算的问题。
数值计算已成为岩石力学和工程领域应用最普遍的重要手段之一。
近年来,随着计算机技术的的发展,数值计算方法在开采沉陷动态过程预计中得到广泛应用。
目前,常用的计算方法有有限单元法(FiniteElementMeth2od,FEW)、离散单元法(DiscreteElementMethod,DEM)、边界元法(BoundaryElementMethod,BEM)、拉格朗日元法(FastLagrangianAnalysisofContinua,FIAC)等。
这些方法被应用于开采沉陷动态过程的研究
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