基于GIS与概率积分的矿山“三下”开采沉陷预测研究

南方矿山地质地形复杂、"三下"采煤困难,其地质灾害预测预报更加困难,系亟待解决的技术难题。在概率积分和GIS基本原理的基础上,结合资兴唐洞煤矿24采区和21采区矿山开采等多源数据,对矿区开采地表沉陷进行预计,利用Arc GIS强大的管理和分析功能,将预测结果与实地测绘数据进行对比,实现矿区开采地表沉陷预测预警可视化表达,为类似矿山地下开采沉陷防治提供参考与决策理论。     

顺层岩质斜坡开采沉陷预测模型研究

为有效预测地下采矿诱发山区顺层斜坡的沉陷变形,在分析概率积分法水平地表开采沉陷的基础上,以与岩层、矿体的倾角相同或者相近的顺层岩质坡体为研究对象,建立单元体开采和半无限开采情况下顺层岩质倾斜地表的开采下沉变形预测模型,并给出预测模型的解算过程及步骤。通过2个矿山开采沉陷实例,将预测模型的解算结果分别与现场实测数据、相似模拟试验观测数据进行对比分析,结果表明:预测结果与现场实测下沉量吻合良好,与相似模拟试验观测下沉曲线形状相似,最大下沉量基本一致,符合试验原型的实际情况,预测结果能够反映顺层倾斜地表开采沉陷的情况,预测模型具有较好的适用性。     

胶州湾隧道青岛接线端开挖区地表移动与变形

运用基于概率积分法的沉陷预计软件对隧道开挖区的地表移动与变形进行了详细研究,结果表明运用基于概率积分法的沉陷预计软件计算隧道开挖区地表移动与变形的方法是有效可行的,同时得出地表移动与变形沿隧道横向的一些分布特点及规律,以期为以后城市隧道工程的设计与施工提供指导。     

于广明著《矿山开采沉陷的非线性理论和实践》1993年煤炭工业出版社出版

人们很久以前就认识到了地表沉降是采矿带来的一种灾害问题。为了减少开采损害,全世界很多科学家和采矿工程师把开采沉陷预测和控制视为重要的研究领域。多年来,基于观测到的地表沉陷特征开发了许多种开采沉陷预测方法,包括经验公式、剖面函数法、影响函数法及在简单地质条件下进行相对规则开采的地表沉陷的计算模型。数学模拟和物理模拟为研究不同岩层结构的地层沉陷提供了另一种可能,即可直接模拟和观测地表及岩体内部破坏和移动规律,在这方面,中国学者辽宁工程技术大学于广明博士所著《矿山开采沉陷的非线性理论和实践》一书提供了…     

程潮铁矿西区不同采矿水平下的岩体变形规律分析

 金属矿山不同采矿水平下的岩体变形规律分析,能为矿山地表移动沉陷范围的圈定及安全生产决策提供依据。以湖北鄂州程潮铁矿西区为例,依据近8 a监测所得的地表及深部岩体变形成果,对不同采矿水平下的岩体变形规律进行分析。结果表明：开采－290,－307.5和－325水平时,顶板岩体进入初始冒落阶段;开采－342.5水平时,顶板岩体进入了大量冒落阶段,其崩落是间断发生的;开采－358水平时,地面沉降漏斗均匀扩展,岩层移动表现出很强的连续性;开采－375水平时,围岩进入快速向外扩展阶段,边界线、移动线得到了较大的扩展,下盘沉降漏斗在2010年1月之后变为不均匀扩展,岩层移动出现了突变性;开采－395水平时,围岩进入扩展放缓阶段,边界线、移动线基本未向外扩展,下盘沉陷坑区域变形仍旧非常剧烈,没有减缓的趋势。     

广西某金属矿山采空区沉陷损毁耕地预测及防治

通过对广西佛子矿业有限公司佛子冲铅锌矿古益矿区采空区地面沉陷地质灾害对地表耕地损毁的预测和研究,阐述了地面沉陷损毁耕地的形式及特征,并提出防治措施,为类似金属矿山采空区地面沉陷地质灾害损毁耕地的预测及防治提供参考。     

厚松散层重复开采地表移动变形特征比较与分析

根据某矿厚松散层、大采深、长工作面、机械化采煤条件下2个初采和1个重复开采工作面观测站实测资料,通过移动变形计算和规律分析,获取了基于概率积分法的地表移动变形预计参数,从地表移动持续时间、下沉状态、地表移动盆地特征、概率积分法参数等方面总结了重复开采与初采时地表移动变形规律的差异,为类似地质采矿条件下的重复开采地表移动变形规律分析提供参考。     

基于GIS的地下开挖沉陷计算的有限层法及数据场表达

地学数字化与可视化构建的主要平台GIS已在许多岩土工程领域得到应用。地下硐室开挖和矿山采掘引起的地表沉陷是一种较为严重的工程灾害,基于“3S”技术对地表沉陷及其沉陷损害进行实时预测预报和评价,其效果和意义都是显著的。给出了一种用于地下开挖地表沉陷计算和岩土体应力分析的方法即有限层法,给出了该方法的位移模式、应变矩阵、弹性矩阵、单元该刚度矩阵和应力矩阵等,并就该方法与GIS集成中的数据模型和数据组织方法进行了探讨,同时还给出了基于GIS的沉陷损害评价系统的多语言集成模式和数据可视化方法,并通过系统应用的工程实例对该方法的可靠性进行了验证。     

考虑底板岩层移动的急倾斜煤层开采沉陷预计

分析了急倾斜煤层开采岩层和地表移动特点,总结了急倾斜煤层开采地表下沉盆地的4种类型,并对这4种下沉盆地的形成原因进行揭示。给出了急倾斜煤层开采沉陷预计建模的4条原则,并针对该原则提出了一种基于概率积分法的急倾斜煤层开采沉陷预计模型,该模型能清楚地解释急倾斜煤层开采煤层顶底板岩层移动和地表下沉的相互关系。建立了预计方法的坐标系,分析了预计参数的物理意义,并给出了预计参数的变化规律。编制了基于本文方法的计算机程序,并利用矿区观测站实测数据对本方法进行了验证。实验结果表明,本文方法对于倾角大于70°的急倾斜煤层开采沉陷预计效果较好,能为矿区的环境保护,地表移动预警起到决策支持作用。     

采动地表土体沉陷对桥梁桩基影响试验研究

因地下煤层开采引发的地表土体沉陷,对其上方公路或铁路桥梁桩基产生严重危害,甚至引发整个桥梁失稳破坏。基于采动引发的地表沉陷规律和地表沉陷预计概率积分法原理,研制了一套模拟地表沉陷土体桩基载荷试验系统。采用该系统对位于地表不同沉陷位置的4根模型桩开展了试验研究;试验实测了桩身轴力、桩侧摩阻力及桩–土相对位移在地表沉陷过程中的变化;试验实测地表沉降量和概率积分法计算值二者吻合较好,证明了该试验系统模拟地表沉陷的可靠性;试验发现4根试验模型桩桩身轴力和桩侧摩阻力的变化均与所在的地表沉陷曲率变化相关,地表沉陷曲率变化越大,则桩身轴力和桩侧摩阻力变化就越大;桩–土相对位移分析表明,地表沉陷曲率越大,则桩–土相对位移越大,且可能产生桩侧负摩阻力,加剧桩体下沉,引发上部桥梁结构产生不均匀沉降,甚至破坏。研究结果对于采动区桥梁桩基的保护与加固具有重要参考价值。     

官庄铁矿深埋破碎矿体开采岩体变形测试分析

 以大量实测资料为基础,分析官庄铁矿北区深埋破碎厚矿体开采引起的围岩变形和地表移动规律。实测结果表明,官庄铁矿北区地表下沉属于连续下沉,岩层破坏主要是缓慢型破坏。分析过程中,把几种实测分析方法和数值分析法有机结合在一起,形成岩体移动变形综合研究方法,对地下开采引起的岩体移动机制进行具体分析。分析中所采用的实测分析类方法包括蠕变试验分析、地表移动观测分析、围岩变形监测分析、原岩应力量测分析;数值分析类方法包括ANSYS和FLAC。结合官庄铁矿工程实例,通过具体测试分析,探讨深部开采岩体移动变形规律及特点,即深部开采覆岩移动变形具有均匀、整体压缩变形等特点,地表移动连续且周期较长。实践证明,所采用的综合研究方法是分析岩体移动和地表下沉机制的有效途径。     

软岩地层深部开采地表下沉分析

针对软岩地层深部地下大面积开采岩体移动变形预测问题，利用弹塑性力学理论建立了相应的预测分析理论模型。用所建立的弹性理论模型对某铁矿地表移动变形进行了计算分析，并将理论预测结果和实测资料进行了对比。文中用弹塑性有限元法分析了不同弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等物理力学参数对地表下沉的影响；对软岩地层深部开采地表移动进行了计算分析。结果表明，弹性模量对地表下沉影响较大，而其他参数影响较小。结果表明，弹塑性力学方法适用于分析软岩地层大面积开挖岩体移动预测问题。     

软岩地层地下铁矿开采岩体移动影响范围及变化趋势分析

 在我国官庄东矿北采区,采用分段崩落法进行回采,虽然矿区地表建筑物远离设计的地表移动影响范围,但仍受到影响。结合官庄东铁矿北采区进行分析,对深部开采引起的动态岩体移动变形问题进行具体计算,分析深部开采的岩体移动变形规律及特点,实际观测和理论分析均表明,深部开采工作面的覆岩破坏,具有整体移动变形均匀的特点;软岩地层深部铁矿开采引起的地表移动变形发展缓慢且周期较长。     

程潮铁矿西区地下开采引起的地表变形规律初探

 以湖北鄂州程潮铁矿西区为例,依据近6 a的地表水平位移、沉降位移变形监测成果,对地下开采引起的地表变形规律进行分析。结果表明：程潮铁矿西区从地表塌陷至今,等值线、移动线和陷落线在矿区东北端扩展最多,并且在2010年1月,设置的关卡门至措施井往西约150 m的矿区公路(以下简称矿区公路)、粉矿堆场及运输隧道东南端处的地表岩体突然加速,究其原因是矿区水平应力得到较大程度的释放,特别是东北端,使得矿区公路和粉矿堆场处深部岩体开始形成弯曲折断面,目前进入沿着高陡倾角的拉张裂缝向采空区的倾倒滑移破坏阶段,地表岩体以快速变形为主,而运输隧道东南端处的深部岩体只是发生弯曲变形,地表岩体在经历较短时间的快速变形之后,又线性稳定增长,进入倾倒破坏阶段。其成果能为其他类似的金属矿山工程提供可借鉴的规律。     

金属矿滨海基岩开采岩石力学理论与实践

三山岛金矿新立矿区是我国第一个进行滨海采矿的金属矿山,大量高强度海下开采势必破坏矿岩稳定性,有必要研究金属矿海底基岩开采相关岩石力学问题。从矿山开采工程实际出发,研究滨海矿床矿岩力学特性和海底黏性土微观结构与渗透性能,开发金属矿滨海基岩开采相似物理模拟试验平台,得出滨海基岩开采合理安全隔离层厚度,并进行数值模拟对比验证分析,验证试验模拟的准确性。采用正交试验方法,以岩体稳定性为原则建立目标函数,获得滨海基岩开采最佳采场结构参数。对阶段中盘区回采顺序进行优化,得出"隔二采一"的最佳开采顺序。分析矿岩性质和矿床产状等开采技术条件,提出岩层微扰框架式上向分层充填采矿技术。新立矿区为期3a的现场滨海开采试验和现场监测结果表明:合理安全隔离层厚度、低沉降框架式上向分层充填法和现场实时监测为海底基岩开采提供了技术保障。     

综放面地表变形预计参数综合分析及应用研究

为了给兖州矿区综放面地表移动变形预计提供更加科学的依据，在实测资料基础上，通过理论研究和数理分析：（1）获得下沉系数与采宽／基岩厚的关系式，并获得水平移动系数、主要影响角正切、拐点偏移距系数与宽深比之间的系列关系式；（2）指出当开采宽度增加到一定程度（采宽／基岩厚=1．0左右）后，地表下沉系数增加明显；（3）随着宽深比的增大，水平移动系数的变化是一个先减小、后增大的过程，当宽深比0．5左右时，水平移动系数最小：（4）获得适合兖州矿区的综放面边界上方预计下沉值的修正公式。     

温家沟矿采煤引起的地表沉陷预测

采用概率积分法对温家沟煤矿采煤引起的地表变形进行了预计,得出采后地表移动变形最大值。根据变形值分析了开采对地表建筑物和附属物的影响,为制定地表塌陷防治措施和生态恢复措施提供了依据。     

Fuzzy models for analysis of rock mass displacements due to underground mining in mountainous areas

The displacement and deformations of rock mass due to underground mining has often resulted in major disasters throughout the world, frequently inflicting heavy losses of life and damage to property. And these disasters have motivated the development of rock mass mechanics. The prediction of displacement of rock mass and their surface effects is an important problem of the rock mass mechanics in the excavation activities especially the coal and metal mining in mountainous areas. Based on results of the statistical analysis of a large amount of measured data in mining engineering, the fundamental fuzzy model of displacements and deformations of rock mass is established by using the theory of fuzzy probability measures. The theories of both two- and three-dimensional problems are developed and applied to the analysis of engineering problems in excavation and underground mining in mountainous areas. The agreement of the theoretical results with the field measurements shows that our model is satisfactory and the formulae obtained are valid and thus can be effectively used for predicting the displacements and deformations and the safety evaluation of the buildings on the ground.     

基于D-InSAR技术的葛亭煤矿地面沉降监测研究

为了为矿区安全开采和塌陷区环境综合治理提供科学依据,利用精细的D-InSAR技术对7景ENVISAT ASAR影像进行处理,获得了2004～2005年和2008～2009年葛亭煤矿多期地面沉降分布图。然后将D-InSAR结果导入GIS中做后处理,叠加0.25m分辨率的数字正射影像图(DOM)和开采平面图等来分析地面沉降,并以剖面图、3D可视图等进行显示。通过多期结果的相互验证,并与水准资料进行了比较。结果表明,D-InSAR结果可以清楚可靠地给出矿区沉降区域分布和演化,并且获得的矿区沉降范围和位置与实际基本吻合,沉降幅度较小的区域在数量级上和水准资料一致,而最大沉降量出现偏差,这是由于高形变梯度引起了干涉图的完全失相关,超出了D-InSAR技术形变探测的能力范围。