基于分段Knothe函数的采空区埋地管道动态力学特性研究

针对穿越采空区埋地管道的动态力学预测问题,本文在概率积分法基础上将煤矿开采距离定义为开采时间与开采速度的乘积,采用分段Knothe函数模型并使用叠加原理,建立了在管-土协同变形期间水平煤层及缓倾斜煤层下埋地管道的动态下沉模型;在此基础上,运用弹性地基梁模型求解管道的挠度并结合分段Knothe函数建立了管道动态力学预测模型。结果表明:通过对比理论计算数据与实测数据可知,基于分段Knothe函数的预测方法能够比较真实地反映埋地管道的动态下沉位移及不断开采对埋地管道下沉变化的客观规律,且通过管道挠度方程能准确预测管道的动态力学行为。

分段Knothe函数优化及其动态求参

为了解决分段Knothe函数在开采沉陷动态预计中时间影响系数c、地表最大下沉速度对应的下沉值Wv以及最大下沉速度对应时间点t均为固定值的问题,对分段Knothe函数中各参数进行了理论和试验分析。结合概率积分法理论知识,推导出以时间为自变量的3个参数的函数关系,并在此基础上对分段Knothe函数进行了优化,得到一种预测精度更高、更具推广性的分段Knothe函数。试验结果表明:优化的Knothe函数解决了优化前Knothe函数中c、t、Wv为固定值的缺陷,弥补了利用相似地质条件拟合出经验公式的不足。通过对比分析优化前后模型的预测结果,得出优化模型中t的预计结果保持在实测最大下沉速度时间范围内。优化后模型最大均方误差和相对中误差分别为0.116 m、3.8%,较优化前模型分别提高了65.1%、51.9%,进一步证实了该优化模型具备一定的实用性和可靠性。

融合D-InSAR与幂指数Knothe时间函数的老采空区地表残余变形预测

煤炭老采空区在我国广泛分布,随着老城改造和城镇化发展,越来越多基础设施不可避免需建造在老采空区,而老采空区地表残余变形预测既是这些工程建设的迫切需求,也是面临的重要难题。本文以河南平顶山某拟建变电站所在老采空区场地为研究区域,融合D-InSAR技术与幂指数Knothe时间函数模型对老采空区地表残余变形进行预测。首先利用合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术分析得到研究区域地表2017年6月~2022年6月的累计变形及逐年沉降量。在此基础上,根据地表累计变形与逐年沉降数据,确定了幂指数Knothe时间函数模型参数取值,建立了描述研究区域老采空区地表动态沉降规律的幂指数Knothe时间函数模型,并基于实测数据对该模型及参数进行验证。最后对变电站所在场地老采空区地表剩余残余变形及未来10年的逐年沉降量开展预测,研究成果可为老采空区工程建设提供依据。

开采沉陷动态预计的分段Knothe时间函数模型优化

针对分段Knothe时间函数在理论上存在的不足,为了扩展其应用范围,改善其在地表动态下沉预计时的精度,通过理论分析和对比研究,对该时间函数存在的理论缺陷进行了深入探讨,并针对存在的问题提出了相应的改进方法,进而构建了一种新的、适用范围更广、预测精度更高的分段Knothe时间函数模型。研究结果表明:该模型的构建解决了原时间函数在分段点处函数值与理论值不一致的问题以及原时间函数值最终不能收敛于1的问题;新的函数模型在应用上也摆脱了原模型对预计参数选取的某些特殊限制,扩展了利用该模型在不同地质采矿条件下进行动态预计的适用性。通过对实测数据的对比预测,证明采用该时间函数模型进行预测的精度比采用原时间函数进行预测的精度有所提高,并且地表下沉的终态预计值在达到最大下沉值后不会再随着下沉时间的增加而改变。

基于Knothe时间函数和InSAR的煤矿区动态沉陷预计研究

以钱营孜矿区的3212工作面为研究对象,采用基于Knothe时间函数的动态沉陷预计模型进行开采沉陷动态预计。计算了不同时间、不同位置的点的动态下沉值,分别与水准测量成果和D-InSAR监测结果进行了对比分析。实验表明,基于Knothe时间函数的动态沉陷预计模型所得到的结果符合开采沉陷导致的地表沉陷规律;其结果与水准测量成果和D-InSAR监测结果吻合;最大误差不超过0.2m,能够满足动态预计的要求。

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。

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。

Knothe时间函数及其在地表动态下沉过程中的应用

基于时间函数预计地表动态移动变形逐渐发展成了一种趋势。为此,详细介绍了原始Knothe时间函数和3种改进的Knothe时间函数,并讨论了这3种Knothe时间函数在地表动态下沉过程中的应用,最后给出了具体实例,结果表明:原始Knothe时间函数和3种改进的Knothe时间函数都有较高的精度,具有实践指导意义。

改进的Knothe时间函数开采沉陷动态预计模型研究

针对Knothe时间函数描述开采沉陷中的地表动态下沉过程的不足,在原Knothe时间函数的基础上,增加了影响时间变化的幂指数参数和反映岩层移动非线性特征的参数,以淮南某矿1613 (1)工作面地表移动观测站实测数据进行模型验证。结果表明,该模型精度能够满足淮南矿区开采沉陷预计工作的需要,即基于改进的Knothe时间函数模型构建的岩层移动动态演化过程,能够更客观真实地反映岩层下沉量、下沉速度的客观变化规律。

开采沉陷动态预计的正态分布时间函数模型研究

使用常用的Knothe时间函数进行煤炭开采所引起的地表动态下沉预计时,其反映的地表下沉速度和下沉加速度与地表实际下沉规律不相符,基于此,可引入一种新的时间函数—正态分布时间函数,对该时间函数值的变化范围和变化规律进行了详细对比,给出了正态分布时间函数用于地表动态预计时参数的确定方法,并利用该时间函数对某矿区地表下沉实测数据进行了对比预测。研究表明:正态分布时间函数的下沉速度和下沉加速度与地表动态下沉规律是相吻合的;当进行不同精度的动态预计时,合理选择函数的形态参数非常重要;在某些矿区,利用正态分布时间函数进行动态预计比使用双参数Knothe时间函数进行预计更符合地表移动的变化规律,预计结果也更为可靠。

基于优化时间函数的走向主断面动态预计模型与算法

针对现有开采沉陷动态预计精度较低的问题,为了提高预计精度,使动态预计成果能够真正在指导矿区生产及采空区土地利用中发挥重要作用,笔者提出以静态预计概率积分模型为基础,采用优化后的分段Knothe时间函数,构建了走向主断面动态沉陷预计理论模型并设计了相应的计算机编程算法,该模型时间函数各参数意义明确,求取方便,不需借助其他监测数据。具体包括:研究确定了在任意给定的预计时刻各动态开采单元时间函数值的计算方法;结合各单元时间函数值,推导了不同开采速度下地表动态移动变形计算公式;给出了时间函数及地表移动的计算步骤和编程算法。采用笔者提出的模型及算法编制了预计程序,并将其应用到预计实践中。结果表明:当给定的预计时间足够长,动态下沉预计与静态预计结果相一致,并且在拐点偏移距处所对应的倾斜值达到了理论最大值,这与理论揭示完全吻合,这表明,采用该模型同样可以进行地表移动稳定后的静态预计,由于算法的差异,相比而言则需要花费更多的时间,但实现了动静态预计一体化的计算设想;另外,通过对官地煤矿29401工作面开采进行动态预计,并抽样对比、统计预计结果和实测数据,得出其走向主断面上点的动态预计相对精度在6%以内,证明了模型和算法的可靠性。

Knothe时间函数参数影响分析及其求参模型研究

对Knothe时间函数参数的影响进行了分析,在Knothe时间函数未达到收敛以前,对于同一时间点而言,c值越小,Knothe时间函数值也越小,c值越大,Knothe时间函数取值也相对越大,特别是在t∈[0,0.2]时,不同的参数对Knothe时间函数值影响较大。根据开采沉陷地表移动变形的一般规律和采空区达到充分采动时的尺寸,建立了一种新的Knothe时间函数求参模型——概率积分求参法。通过对比分析平安煤矿、富力煤矿和孙村煤矿的实测c值与采用该模型的计算c值,验证了该模型的正确性;并以29401工作面上方走向观测线的多期实测下沉数据为例,对该模型进行了实例应用,通过对比分析实测数据和预测结果,进一步证实了本文所建立的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。

Knothe模型改进及充填开采岩层移动动态过程分析

Knothe模型是岩层移动动态预测最常用的时间函数模型,但该模型与岩层移动动态演化过程客观规律并不完全相符.通过分析Knothe模型岩层移动预测缺陷,增加表征时间影响函数变化和岩层移动非线性特征的双参数,建立了Knothe时间函数改进模型;基于弹性力学理论,建立充填开采岩层移动的小挠度弯曲变形薄板模型;将Knothe函数改进模型与建立的充填开采岩层移动模型相结合,构建了岩层随时间移动的动态演化过程函数表达式,并将演化过程划分为初始期、活跃期及衰退期.以新汶矿区翟镇煤矿2205工作面矸石充填开采实测数据为样本,开展了充填开采岩层移动动态过程实例验证分析.结果表明:在第22.9个月,地表最大下沉点的下沉速度达10.526mm/月;岩层总移动时间为38.9个月,其中初始期为20.5月、活跃期为5.1月、衰退期为13.3月.基于Knothe改进模型构建的岩层移动动态演化过程的函数表达式能够更客观真实地反映出岩层下沉量、下沉速度、下沉加速度的客观变化规律.

无荷条件下原状膨胀土膨胀特性分析

为了探讨无荷条件下膨胀率与初始含水率和膨胀时间的关系,采用WZ-2型膨胀仪,通过室内无荷膨胀率试验对4组不同初始含水率的延吉盆地原状膨胀土进行了研究。试验结果表明:试样初始含水率越低,无荷膨胀率越大。各不同初始含水率下膨胀时程曲线都有着明显的规律性,可将曲线分为三个阶段:等速膨胀阶段、减速膨胀阶段和稳定阶段。试样的膨胀变形主要发生在试验的前30 min内,用Knothe时间函数模型对各组试验前30 min内的数据进行拟合,构建了膨胀时程方程,并详细分析了方程中的未知参数的物理意义及其影响因素。其中,参数a为试样的最终无荷膨胀率,其值的大小与试样初始含水率密切相关。参数b为初始膨胀速率参数,由于受多个因素的影响,其值的确定需要进一步的研究。最后,通过误差比较可知,基于Knothe时间函数模型构建的膨胀时程方程的拟合效果要优于多元回归分析。以上结论为进一步研究延吉膨胀土的膨胀机制奠定了理论基础。

山区开采地表动态移动变形规律

我国约有1/3的煤矿位于山区,开采造成的山区地表移动变形与平原地区有较大区别。为探究山区开采地表移动变形的时空特征,揭示山区开采地表动态移动变形规律,首先通过分析山区地表移动变形特征,确定了山区开采滑移影响函数,并应用叠加原理构建了顾及山区地形与平原因素的山区地表移动变形预计模型;然后结合Knothe时间函数,推导了山区开采地表动态移动变形预计公式;最后分析了正坡、反坡2种模型的地表动态移动变形规律。采用山西某矿的现场实测数据对山区地表移动变形预计模型进行了验证,取得了较好的一致性。山区开采地表动态移动变形规律的分析,为最大限度确保矿区地表建(构)筑物免于地表动态移动变形破坏提供了技术依据。

采空区残余倾斜变形对路基稳定性的影响分析与评价

地下开采导致的地表残余倾斜对采空区公路路基的稳定性有重要影响。针对采空区公路路基的稳定性评价,笔者提出了基于概率积分法和Knothe时间函数的地表残余倾斜的计算方法,分析了路基稳定性的条分法计算原理及残余倾斜对路基稳定性的影响机理,推导了基于解析法的路基最不利滑动面计算公式,使用C#语言编制了路基稳定性系数计算软件,并通过工程实例,对提出的方法和软件进行了验证,分析了地表残余倾斜、路基边坡坡率对路基稳定性的影响。

基于Matlab的矿区地表移动与变形计算方法研究

运用开采沉陷理论、概率积分法、Knothe时间函数和坐标转换理论,基于Matlab编程语言对煤矿采空区地表移动变形值计算方法进行了探讨,主要得到了以下几个方面的成果:采空区上方地表移动与变形计算;预计时刻地表下沉与变形动态值预计;地表下沉等值面图和三维可视化效果图的自动绘制;采空区上方地表任意方向下沉与变形剖面图绘制;地表移动变形分布规律分析。本文的程序运行成果与矿区数字地形图一起作为G IS的输入数据进行矿区地表历史DEM的反演,对生产矿井开采技术可行性分析、地下保护煤柱设计以及矿区生态环境损害评价分析将起到至关重要的作用。

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W0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(328d)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。

一种基于TerraSAR数据的矿区InSAR最大可检测动态形变梯度模型

受传感器本身的限制及噪声、大气延迟等影响,InSAR技术可检测的最大形变梯度存在极限。为准确预计InSAR技术在矿区形变监测中的检测能力,以65个矿区的地质采矿资料为基础,结合Knothe时间函数和概率积分模型,利用不同空间分辨率的TerraSAR数据,建立矿区InSAR最大形变梯度动态检测函数模型。该模型无需事先获取SAR影像,利用矿区现有的地质采矿资料即可判断InSAR在矿区不同开采阶段的可检测区间。以陕西大柳塔矿区为例,采用2012-11-21~2013-01-26的7景TerraSAR数据进行模型验证,结果表明,该模型不仅能够准确预测InSAR技术在矿区不同开采阶段的检测区间,同时可以确定InSAR技术在矿区不同开采阶段的地表可检测边界,可为InSAR技术在矿区中的推广应用提供重要参考。