多煤层开采沉陷动态预计分析

为探索多煤层开采沉陷动态预计规律,通过对开采沉陷动态预计基本理论的分析,基于Knothe时间函数设计了时间影响参数c的算法,编制了开采沉陷动态预计软件,以济阳煤矿首采区为工程背景,应用该预计软件进行了沉陷动态预计。预计结果与实测数据对比精度可以接受,证实了所建立的Knothe时间函数求参模型的实用性和可靠性。     

开采沉陷动态精准预计的时效Knothe函数方法研究

针对当前开采沉陷动态预计不精准问题,综合利用实测分析和理论研究方法,提出了基于时效Knothe函数的开采沉陷动态精准预计方法,主要取得如下成果：①Knothe时间函数的参数C值在开采过程中呈现近似正态分布,采动结束后C值呈负指数衰减直至趋于定值;②预测时效Knothe函数C值的实验结果表明：就整体性预测而言,AR模型的整体性最好,传统的GM（1,1）模型误差较大,3次指数平滑法的预测结果出现粗差;就单期预测而言,传统的GM（1,1）模型和AR模型对C值的预测存在不稳定性,3次指数平滑法各期预测值误差均小,较稳定。研究成果对研究开采沉陷动态精准预计具有参考意义。     

红旗铁矿改进Knothe时间函数开采沉陷预计模型

针对Knothe时间函数模型对开采沉陷过程的预计结果与沉陷实际发生过程不完全符合的问题,分析了该模型的缺陷,提出了改进的Knothe时间函数开采沉陷预计模型。结合河北省武安市红旗铁矿6300综放工作面地表沉陷实测数据,构建了改进的Knothe时间函数开采沉陷预计模型,并进行了模型精度分析。研究表明:经过累计387 d观测,改进的Knothe时间函数开采沉陷预计模型的预计值与实测值的误差为0.2~73.6 mm,平均误差为35.2 mm,优于BP神经网络模型(误差为8.1~143 mm,平均为49.9 mm)、SVM模型(误差为0.7~105.1 mm,平均为35.8 mm)以及概率积分法模型(误差为18.2~180.5 mm,平均为102.6 mm),对于高精度预计该矿开采沉陷具有一定的作用。     

基于D-InSAR与概率积分法的开采沉陷监测与预计

为掌握采动区附近高等级公路的变形趋势,针对传统开采沉陷监测方法存在诸多缺陷的问题,将合成孔径雷达技术(D-InSAR)与概率积分法相结合,提出了一种矿山开采沉陷监测与预计方法。该方法首先利用D-InSAR技术对兖州某矿9308工作面进行了监测和分析,并将监测结果与路面水准测量数据进行了对比,然后基于D-InSAR的监测值,求取了9308工作面非充分采动下的概率积分法预计参数,再根据三下采煤规程对参数进行修正得到工作面全采时的预计参数,最后利用修正后的参数预计出工作面全采对附近高等级公路的影响程度。结果表明D-InSAR技术高精度的优势可以为开采沉陷预计提供可靠的监测数据,该方法可以为实现矿山开采沉陷监测与预计一体化提供有力支持。     

基于Bertalanffy时间函数的地表动态沉陷预测模型

常规地表沉陷预计是对工作面回采结束、地表沉陷稳定后最终的静态移动变形预计;当涉及建(构)筑物下保护性开采与地面建(构)筑物加固及动态纠偏治理时,需要掌握该地质采矿条件下的地表动态移动变形规律,同时能够解决区域性变采高条件下的地表动态沉陷预计问题。首先对常见Knothe,Logistic,Weibull、分段Knothe、幂函数-Knothe与双曲线等时间函数的曲线形态、各时间段的地表动态下沉、下沉速度与下沉加速度进行了优缺点和适用性分析;其次基于东坡煤矿地表移动变形实测数据,针对特厚煤层综放开采条件下地表移动变形的特殊性,引入Bertalanffy时间函数,并基于此函数改进Bertalanffy三参时间函数;分析了各参数对改进Bertalanffy三参时间函数的影响规律,研究了各参数的物理意义以及与地质采矿条件的内在联系规律;最后将该函数用于平朔井工一矿特厚煤层综放开采条件下的地表动态下沉预计,并进行了拟合优度分析和现场应用效果检验。结果表明:基于改进Bertalanffy三参时间函数的各参数物理意义与地质采矿条件具有内在联系;该地表动态沉陷预计模型可塑性强、有着较好地预测精度和应用广度,能够较好地应用于煤矿地表动态变形的预计工作中;提出基于改进Bertalanffy三参时间函数结合影响函数法,该方法可有效地解决特厚煤层区域性限厚开采,如特厚煤层只采不放、煤层厚度赋存不稳定等区域性变采高条件下的地表动态沉陷预计问题。     

开采沉陷动态预测模型

为了准确预测地下开采引起的地表沉陷,针对Knothe时间函数模型的不足,借鉴岩石流变力学中非定常流变模型的建模思路,假定Knothe时间函数中的时间影响系数不是固定不变的常量,而是与时间有关的变量,从而对Knothe时间函数模型进行了改进。在此基础上,提出了一种新的地表下沉盆地模型,并将该模型与改进的Knothe时间函数模型相结合,建立了一种新的开采沉陷动态预测模型。利用实测资料对模型的合理性进行了验证,结果表明：该模型能够描述开采沉陷随时间的动态发育过程,且预测曲线和实测数据吻合良好,说明模型具有一定的适用性。     

多工作面开采地表沉陷动态预测系统研究

将工作面沿走向划分为若干个开采单元,地表动态移动变形值等于这若干个开采单元单独动态移动变形值的叠加;以Knothe时间函数和概率积分法为基础,建立了多工作面开采地表移动变形预计模型;研究了动态预计模型中单元格的划分方法以及不同坐标系之间的转换关系;设计了多工作面开采地表移动动态预计的算法步骤;通过对比分析预测结果和实测数据,以及展示某矿多工作面开采地表沉陷的预测效果,证实了该算法的可行性和实用性。     

基于Knothe模型的山区开采地表动态下沉预计方法

随着地下煤层的开采,其上覆岩层在重力作用下将产生变形、移动和破坏,岩层内部所产生的移动变形也逐渐传递至地表,引起地表的移动变形。山西大部分可采煤层均位于山区,因此对山区开采沉陷的动态预计研究是必要的,以Knothe时间函数为基础,结合山区滑移影响函数,建立了基于Knothe时间函数的山区开采沉陷的动态预计公式,可预计地表某一点在某一时刻的动态下沉值,并采用山西某矿区的实测地表移动观测资料进行验证。结果表明:预计与实测下沉曲线具有较好的一致性。     

基于D-InSAR技术和灰色Verhulst模型的矿区沉降监测与预计

针对在地形复杂的矿区沉降观测资料不易获取的问题,将合成孔径雷达差分干涉技术（D-InSAR）与灰色Verhulst模型相结合,提出了一种矿山开采沉陷监测和预计方法。该方法首先对覆盖大柳塔煤矿某工作面的12景TerraSAR-X雷达数据进行D-InSAR处理,获取观测站沉降值;然后根据沉降量与时间的关系建立了基于灰色Verhulst模型的预测函数,对开采沉陷发展规律进行分析。试验结果表明：3个测试点D-InSAR监测数据的绝对和相对误差分别为2.8~15 mm,0.9%~6%;结合灰色Verhulst模型预测的绝对和相对误差分别为3.4~18.8 mm,1.2%~5.7%。上述研究结果进一步表明,所提出的方法可有效弥补矿区沉降实测数据的不足,为实现矿区开采沉陷监测和预计的一体化软件设计提供参考。     

融合D-InSAR技术与ArcGIS软件 的矿区开采沉陷监测

合成孔径雷达差分干涉测量技术（D-InSAR）存在卫星重访周期较长的不足,导致矿区开采沉陷监测精度不高,难以适应矿区开采沉陷动态监测的要求。为此,以双鸭山某矿区为例,将D-InSAR技术与ArcGIS软件进行有机结合进行开采沉陷监测分析。首先选择该矿区2014年10-11月3景C波段TerraSAR影像作为干涉影像数据,构成了3个干涉影像对;然后针对In-SAR干涉影像存在的基线误差、大气误差、地形误差以及时间失相关等,以GAMMA软件为平台,通过精细二轨D-InSAR模式,进行干涉影像对配准、基线估计、相位解缠处理,提高D-InSAR干涉影像精度;最后将D-InSAR差分干涉影像与开采平面、开采计划以及水准测量数据进行叠加,分析矿区开采沉陷区域的空间动态分布位置,并将D-InSAR差分干涉影像导入ArcGIS软件对矿区开采沉陷进行定量分析。研究表明：干涉影像对1、2、3的时间间隔分别为11,22,33 d,期间矿区的最大沉陷量分别为40,41,45 mm,平均沉陷量为0.86 mm/d,区内同期水准测量获得的沉陷量平均为0.92 mm/d,可见,融合D-InSAR技术与ArcGIS软件的开采沉陷监测方法有一定的精度。     

基于D-InSAR技术和改进GM（1，1）模型的矿区沉降监测与预计

针对矿区地下资源大规模开采引发的地表沉陷，以淮北矿业集团袁二煤矿为试验区，联合合成孔径雷达差分干涉测量（D-InSAR）技术与灰色模型（GM（1，1）），建立了描述下沉量与时间关系的改进灰色模型，实现了地表沉降监测和预计的一体化。首先，基于哨兵一号A卫星（Sentinel-1A）影像，采用D-InSAR技术监测地面动态沉降过程，获得了2017年11月16日—2018年1月27日期间的时间序列沉降形变图；然后，依据所获取的各时间序列沉降量，建立了改进GM（1，1）的补偿最小二乘法估计半参数模型（BGM（1，1））和赋相对权重的补偿最小二乘法估计半参数模型（WGM（1，1））方程，实现了沉降值的拟合与预计。试验表明：D-InSAR技术在矿区地面沉降动态监测中具有明显优势，且其监测精度达毫米级；BGM（1，1）和WGM（1，1）预计模型均可弥补经典GM（1，1）模型的不足，结合WGM（1，1）预测的4个试验点的相对误差为1.99%~26.64%，可为矿区地面沉陷动态监测以及后续治理提供理论依据，具有一定的预警作用和借鉴意义。     

开采沉陷动态下沉模型及其参数研究

针对Knothe时间函数在描述动态下沉过程中下沉速度的不足,采用改进的双参数Knothe时间函数建立动态下沉模型,其中的覆岩岩性决定系数c及幂指数k值采用最小二乘法求解,最大下沉值W0通过地表移动观测站实测资料确定。采用拟合决定系数R2评定精度,以淮南某矿1242（1）工作面地表移动观测站实测资料进行模型精度验证,最大下沉点MS29和ML44在各个观测时期的拟合决定系数分别为0.983 6和0.975 7,工作面推进过半时（328 d）倾向和走向观测线上各监测点观测值与预计值的拟合决定系数分别0.995 3和0.958 2,计算结果表明双参数Knothe时间函数模型动态预计1242（1）工作面开采沉陷全过程精度可靠。     

优化分段Knothe时间函数求参方法

针对优化分段Knothe时间函数的参数求取问题,给出了2种求参方法:① 以本矿区,或地质、采矿条件相似矿区的地表监测资料为基础,提出了“反算时间函数对比求参法”,给出了详细的参数求取流程,该法直观、易操作,且具有通用性,可用于其他时间函数的参数求取;② 以采空区达到充分采动尺寸时的地表沉陷规律,及相应概率积分参数为基础,推导了时间参数的“直接计算法”公式,该方法参数意义明确,求参过程简便,能直接应用于编程计算。预计实践表明,采用本文方法求参,动态预测最大相对误差可控制在9%以内,随着开采时间的增加,动态预测精度将会逐渐提高,最终维持在5%左右;根据统计,地表最大下沉值预测相对误差则可维持在6%左右。应用实践证明了论文所给出的求参方法的实用性与可靠性。     

基于Weibull时间序列函数与负指数法的动态沉陷预计

为了探讨采矿过程中受时间和空间影响的地表移动变形的发生发展机理,提出了一种基于Weibull时间序列函数与负指数法的动态沉陷预计方法。该方法以研究描述地表沉陷区观测点下沉变化过程的Weibull时间序列函数为基础,认为Weibull时间序列函数在描述地表观测点沉陷的动态过程时,不仅能较好地拟合下沉-时间（w-t）曲线,而且由此推出的速度-时间（v-t）曲线和加速度-时间（a-t）曲线也能够很好地符合地表沉陷随时间变化的物理过程。基于实测资料确定的负指数法在描述地表移动盆地时具有实践应用性强、预计精度高等特点,给出了走向主断面半无限开采负指数法的下沉预计公式及参数求取方法。根据主断面动态沉陷模型的一般形式,将Weibull时间序列函数与负指数预计函数相结合,建立了充分采动条件下沉陷盆地走向主断面的动态地表下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形模型,并对某煤矿的地表动态沉陷进行了预计,结果表明,预计结果与实测结果具有很好的一致性,可为实现矿区地表动态沉陷预计提供参考。