Time function of surface subsidence based on Harris model in mined-out area

The surface subsidence is a common environmental hazard in mined-out area. Based on careful analysis of the regularity of surface subsidence in mined-out area, we proposed a new time function based on Harris curve model in consideration of the shortage of current surface subsidence time functions. By analyzing the characteristics of the new time function, we found that it could meet the dynamic process, the velocity change process and the acceleration change process during surface subsidence. Then its rationality had been verified through project cases. The results show that the proposed time function model can give a good reflection of the regularity of surface subsidence in mined-out area and can accurately predict surface subsidence. And the prediction data of the model are a little greater than measured data on condition of proper measured data quantity, which is safety in the engineering. This model provides a new method for the analysis of surface subsidence in mined-out area and reference for future prediction, and it is valuable to engineering application.

老采空区地表沉降预测合理监测模式分析

为研究老采空区沉降监测数据时间间隔对预测精度的影响,本文利用某老采空区地表沉降监测点实测沉降数据,在等时间间隔、非等时间间隔两种情况下建立两种方案、六种沉降预测模式,采用长短期记忆神经网络(LSTM)预测模型对老采空区地表沉降进行预测,以平均绝对误差(MAE)和平均绝对百分比误差(MAPE)作为评价指标,分析不同时间间隔监测数据对预测精度的影响。结果表明,在总监测时长不变的情况下,预测精度随平均监测间隔时长的增长呈先增高后降低的趋势,即并非监测间隔越短,预测精度越高,而是在相应监测间隔范围内存在预测精度最优值。研究成果可为老采空区监测方案设计及沉降预测模式提供借鉴和指导。

基于SBAS-InSAR和PSO-BP神经网络算法的矿区地表沉降监测及预测

针对传统监测技术无法进行长时间矿区地表沉降监测以及现有预测模型过度依赖沉降数据、模型单一等问题,提出一种基于小基线集合成孔径雷达干涉(Small Baseline Subsets Interferometric Synthetic Aperture Radar,SBAS-InSAR)和粒子群优化-反向传播(Particle Swarm Optimization-Back Propagation,PSO-BP)神经网络算法的矿区地表沉降监测及预测模型.首先,利用SBAS-InSAR技术获取矿区地表沉降监测值;然后,选取矿区地表沉降的影响因子与获取的沉降监测值从多因子角度构建PSO-BP预测模型;最后,分析该方法的有效性和合理性.实验结果表明,利用SBAS-InSAR能有效监测矿区地表长时间沉降,随着训练样本的增加,PSO-BP预测值与SBAS-InSAR沉降值残差逐渐减少,算法收敛迭代加快,均方误差降低.与现有监测方法及预测模型的对比,证明了SBAS-InSAR在矿区地表长时间沉降监测中的优势以及PSO-BP模型在矿区地表沉降预测中的有效性和合理性,该方法可作为矿区地表长时间沉降监测和预测的有效手段.

山区复杂地形下地表移动盆地边界角量参数研究

为准确有效地获得山区复杂地形条件下地表运移规律和角量参数,以山西山区某矿20210复杂地形工作面为例,提出了一种“以点求面”的计算模式,在山区复杂地形工作面非主断面处建立地表移动观测网,利用遗传算法在参数优化推导中的优势,优化出本地区的概率积分法预计参数,拟合研究了山区复杂地形下的地表移动变形规律,得到了地表移动盆地边界角量参数。通过优化的参数对地表移动变形进行了概率积分法预计,并与非主断面实测数据进行了对比分析。结果表明:基于遗传算法优化参数得出的概率积分法结果,其误差均在5%以内,验证了预计参数及地表下沉数据的可靠性。该地形条件下地表移动下沉最大值为853 mm,矿区走向移动角为69.0°,上山移动角为73.1°,上山边界角为70.3°,下山边界角为59.4°,充分采动角为59.3°,最大下沉角为83.6°。

晋城山区煤矿地表沉陷预计模型

为了解决晋城山区煤矿开采地表沉陷预计难题,分析了山区开采岩层及地表移动基本原理,解释了山区地表移动中,坡位(上坡、下坡)、坡势(正坡、反坡)的基本含义,揭示了坡位、坡势对地表移动的影响机制。基于斜面上物体滑移原理,构建了坡位对下沉值的滑移影响函数、坡势对水平移动值的影响函数;通过移动变形值的求导关系,建立了倾斜、曲率、水平变形的表达式,完成了一种新的山区开采沉陷预计正切函数修正模型(TFM)。基于晋城矿区典型地表移动观测站数据,采用曲线拟合方式分析概率积分法(PIM法)和TFM法的适宜性。数据分析结果表明,TFM法比PIM法下沉值拟合精度提高了0.019,水平移动值拟合精度提高了0.412,验证了TFM法的优越性。可为晋城矿区和类似矿区的“三下”压煤开采、矿区生态环境保护提供重要支持。

不同时间序列模型在岩溶山区矿井涌水量预测中的应用

矿井涌水量预测的精度对于煤矿开采安全有着至关重要的作用。文章以老鹰山煤矿为例,分析降雨与矿井涌水量的相关关系,结果表明:同期月及前第1个月降雨量与涌水量相关性具有逐渐减弱的趋势,而与前第2个月至第5个月的相关性有逐渐升高的趋势;基于矿井涌水量及降雨量,建立了单因素季节性时间序列SARIMA模型及多元季节性时间序列SARIMAX模型对矿井涌水量进行预测,预测结果表明:两种模型91.7%的预测值达到B级探明的矿井涌水量,预测精度均较高,SARIMAX模型预测结果的MAPE为18.57%,小于SARIMA模型的25.27%,预测精度更优。

基于改进分段Knothe函数的山区开采地表沉陷动态预计模型

复杂地形地貌等因素的影响下,山区地形下煤炭资源地下开采引起的地表移动变形过程相比平原地区对地表建(构)筑物的影响更为严重,因此准确预计山区地形下采动过程中的地表移动变形是保障建(构)筑物安全的重要前提。基于山区开采沉陷滑移模型,建立了基于改进后Knothe时间函数的山区开采地表沉陷动态预计模型,并采用山西某矿3302工作面的实测地表下沉数据验证该模型的实用性与可靠性。结果表明:Knothe函数的预计模型不能很好地反映地表点下沉完整过程;改进后的Knothe函数的预计结果显著改善,各期预计值中误差相对于实测最大下沉值的相对误差最大值为6.56%,模型预计结果与实测下沉数据具有较好的一致性,满足工程需求。

一种改进灰色GM(1,1)模型在矿区沉降预报中的应用

针对矿区存在不均匀沉降现象,提出了一种马尔可夫-残差灰色GM(1,1)预报方法,推导了新方法建立模型的数学过程,基于新方法对矿区长期监测沉降数据进行预报。结果表明,2020年预测值最大残差为2.64 mm,最小残差为0.87 mm,2021年预测值最大残差为2.61 mm,最小残差为0.96 mm;2020年预测值平均残差为1.73 mm,残差RMS值、STD值分别为1.86、0.73 mm;2021年预测值平均残差为1.57 mm,残差RMS值、STD值分别为1.68、0.65 mm,新方法在矿区沉降预报中具有较高的精度和可靠性,长期监测预报结果可为矿区结构变形提供参考,为安全开采提供依据。

基于概率积分法开采沉陷静态预计的研究

煤炭资源在我国的能源生产中占据主导地位,研究矿区的地下开采以及其地表移动规律,对安全生产和及时预估或者减少因煤矿开采造成的地质灾害都具有重要的意义。因此,实现开采沉陷精确预计是实施矿区环境地质灾害评估与防治的基本方法。采用概率积分法对工作面开采变形的实时监测数据进行预测,并通过工程实例验证其在开采沉陷静态预计中的可行性。

沁水矿区综放开采地表动态沉陷实测规律研究

沁水县是山西省重要的煤炭生产区域之一,地处丘陵山区,综放开采容易造成严重的地表沉陷。为了掌握该区域综放开采地表沉陷动态规律,以晟泰青洼煤业有限公司2103综放工作面为研究区域,建立走向和倾向观测线各1条。采集18期地表移动数据,通过分析获得了该研究区域地表下沉值、下沉速度、超前影响角、最大下沉速度滞后角、最大下沉速度预计系数等地表沉陷动态参数。最后总结了山区煤矿综放开采的地表沉陷特征与防治建议。研究成果可为该区域的矿区生态治理与三下安全开采提供技术支持。

黄土高原山地采煤沉陷对土壤侵蚀的影响

为了测度山地井工采煤区地表沉陷引起的土壤侵蚀因子在空间和数量上的变化,该文以开采沉陷规律和模型为基础,运用数字地形分析、遥感影像融合等技术,揭示了黄土高原煤矿区山地开采沉陷引起的地表坡度、坡长、植被覆盖3大因子在空间上的改变量以及由此导致的土壤侵蚀变化量,并分析了土壤侵蚀的变化机制。研究结果表明:2001-2010年,研究区因开采沉陷导致地表平均坡度减少0.025°,平均坡长因子减少0.139;沉陷区内土壤侵蚀量不变、减小和增大的土地面积分别为3.083、3.412和4.707 km2,沉陷区外土壤侵蚀量减小和增大的土地面积分别为0.143和0.023 km2,土壤侵蚀总量减少78426.95 t,平均减小689.892t/(km2·a);开采沉陷导致坡长因子变化,对土壤侵蚀的影响波及到沉陷区以外的部分地区;山地开采沉陷对土壤侵蚀的影响与平地差异明显,不存在绝对的正向或负向影响,并且在沉陷区内外均可能为正向或负向,其结果与原地貌及沉陷幅度、区位密切相关;沉陷可能导致坡面下游区域的汇水面积和坡长因子变化。该研究结论为山地矿区土壤侵蚀区位、侵蚀量预测提供依据。

山区地表采动沉陷预计的数值模拟

采用能完全考虑岩土体本构关系、岩土体环境以及地表地形的数值模拟方法,对山区含水风积沙地表采动沉陷规律预计进行了研究,编写了地表模型生成的前处理模块和地表移动计算的后处理模块,得出了榆林地区山区含水风积沙地表下的采动沉陷规律.

采动区地表动态沉降预测的Richards模型

针对Knothe时间函数在采动区地表动态沉降预测中存在着较大偏差的问题,提出了地表动态沉降预测的Richards模型。基于开采过程中的地表沉降变形规律,给出了能够反映地表沉降全过程的理想时间函数模型所具有的基本特征,引入Richards生长曲线模型,分析了模型参数与地质采矿条件之间的定性、定量关系,并探讨了模型的适用范围,指出地表发生连续的、渐变的沉降变形时,模型预测效果较好。实例分析表明,Richards模型符合理想时间函数模型的要求,可较好地模拟采动区地表动态沉降过程,能够计算出地表移动持续时间和地表点在某一时刻的下沉值、下沉速度、加速度等动态参数,且模型的可塑性较强,具有较广泛的适用性。

矿山采空区地面塌陷危险性预测

根据收集的矿山数据资料,运用三角函数分析法确定了采空区地面塌陷的影响范围;选取顶板岩性、松散层厚度、开采深度、地形坡度、水文地质条件、采动程度6个因素作为地面塌陷危险性预测的参评子因素,建立了地面塌陷危险性评判模型及评判指标;运用层次分析法量化各评判指标得到综合分析评判指数,将矿区地面塌陷划分为危险区、较危险区和稳定区三级。

厚黄土覆盖山区开采沉陷预计

以铜川矿区 90 5山区地表观测站的观测资料为基础 ,对山区地表移动变形的特征进行了具体分析 ,获得稳定后的走向、倾向主断面移动曲线 ,建立了走向主断面的下沉和水平移动表达式 ,把山区地表移动看作是开采影响分量和开采影响下的山坡滑移分量叠加的结果。用影响函数叠加法确定出该地质条件下的预计参数 ,分离出山区滑移影响参数 P(x) ,并进行了滑移影响的定量分析和移动变形的预计检验 ,预计结果与实际吻合程度较好 ,所提出的参数求取方法和参数可在类似地质采矿条件下参考使用。

基于覆岩层状结构特征的开采沉陷分层传递预计方法

煤系覆岩层状结构作为煤炭赋存的显著而重要的地质特点,不仅影响着开采沉陷的发展过程,也决定着沉陷后地表最终形态。以陕北榆神矿区2^(-2)主采煤层区域地质赋存条件和小保当井田典型钻孔资料为主要依据,以砂岩层数、砂岩平均厚度、砂泥比等3个覆岩层状结构关键特征为变量,构建了18组覆岩层状结构数值模型。通过数值模拟实验,揭示了它们对下沉系数的影响规律,建立了相应的量化关系。从变形传递叠加的角度,提出了基于覆岩层状结构特征的开采沉陷分层传递预计方法的原理和前提条件,构建了开采沉陷分层传递走向主断面下沉、水平移动与变形预计模型。工程实例验证了该方法较概率积分法具有更高的整体预计精度,可为中国西部煤矿区开采沉陷的防治提供更好的技术支持。

基岩裸露山区煤层倾角对地表移动规律的影响研究

为了分析基岩裸露山区煤层倾角变化对地表移动规律的影响,根据重庆松藻矿区石壕煤矿某工作面的地质、地貌和采矿条件为原型,利用Auto CAD与Sufer软件建立山区地表模型,并采用FLAC3D建立裸露基岩山区不同倾斜煤层开采数值模型。根据模拟结果分析得到:1在采空区边缘区域,地表下沉量与水平移动受山区地表滑移的影响较大,地表斜坡坡度越大,其影响越大;在山顶和山谷区域,地表下沉变化较为平滑;2倾斜煤层开采与水平煤层开采走向方向地表下沉、水平移动特征与规律一致;3随着开采煤层倾角的增大,地表最大下沉量将变小,指向上山方向的地表水平移动值增大;采空区上覆岩层下沉量、地表下沉量沿工作面中心的对称性越不明显,各覆岩层最大下沉量越往下山方向偏移。

高潜水位矿区生态系统演变趋势研究:以淮南潘谢矿区为例

为了有效地应对高潜水位矿区煤炭资源开采后带来的生态环境问题,以淮南潘谢矿区为研究区域,应用遥感技术分析了耕地、水体分布以及景观格局,分析了生态系统结构的变化,得出了矿区生态系统结构总体变化规律以及不同生态系统相互转化规律。应用开采沉陷预测技术,基于矿区生态系统结构的变化规律,预测了生态系统演化趋势,得出的结论为:耕地面积逐年减少,矿区煤炭资源完全开采结束时,矿区的生态景观将由水域占绝对主导优势,矿区由陆地生态系统向水陆复合生态系统演变,土地利用模式将优化。

采动区框架结构建筑物变形分析

为了量化采动区建筑物受煤矿开采的影响程度,优化抗采动影响加固设计,需分析采动区建筑物的受力和变形特征。结合工程实例,分析计算了采动区某框架结构建筑物所在区域的地表变形量,根据建筑物自身的变形损坏情况运用建筑力学基本原理分析鉴定建筑物受损的原因,再采用拟合试算的方法计算建筑物变形量,对经计算的2个变形量进行了比较和分析。结果表明:采动区的地表下沉值为65 mm,而建筑物基础的位移为30 mm,地表变形值和建筑物的实际变形量不一致,为量化采动区建筑物的附加荷载并进行相应的加固设计提供新的方法,使建筑加固的成本降低约30%。

基岩裸露山区倾斜煤层开采地表沉陷规律研究

为掌握松藻煤矿采动地表移动变形规律及开采沉陷参数,该矿在2316工作面上方建立了地表移动观测站。通过系统分析观测站实测资料,研究得到了基岩裸露山区倾斜煤层开采地表移动变形规律及特点,并求取了相应的动态地表移动参数、岩移角参数,以及概率积分法地表沉陷预计参数,为松藻煤矿适中街区建筑群下采煤的实施提供了科学依据。