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基于小波变换的矿区面状沉陷多尺度分析与变形规律研究

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基于小波变换的矿区面状沉陷多尺度分析与变形规律研究

作者：柳生凯河北工程大学

学位级别：硕士

在矿区沉陷监测工作中,受自然条件及数据处理方法等因素的影响,采用无人机摄影测量进行矿区地表变形监测会使得面状沉陷的出现信息表达完整性缺失和精度较低的问题,影响矿区地表变形规律的研究分析及沉陷预计。本文将基于无人机摄影测... 详细信息

在矿区沉陷监测工作中,受自然条件及数据处理方法等因素的影响,采用无人机摄影测量进行矿区地表变形监测会使得面状沉陷的出现信息表达完整性缺失和精度较低的问题,影响矿区地表变形规律的研究分析及沉陷预计。本文将基于无人机摄影测量方法获取的内蒙古某矿沉陷监测数据,研究提升面状沉陷信息表达完整性和精度的方法,并进行地表变形规律分析,研究表明:将地形分析方法和小波多尺度分析方法应用至矿区面状沉陷数据处理,能够提升面状沉陷信息表达的完整性和精度,对其进行沉陷预计和变形规律分析后,能够为人们准确认识面状沉陷盆地、优化预计模型以及为该矿区及其类似矿区沉陷区地表建筑物保护和矿区生态环境修复提供一定的指导意义。本文的主要研究成果如下:(1)将两期地面点云采用局部多项式插值构建DEM,并叠加生成不同分辨率的沉陷盆地,然后对不同分辨率的沉陷盆地的坡度、地表粗糙度和地形起伏度进行提取统计和变化规律分析,得出与沉陷盆地分辨率相关性最好的地形因子统计指标为坡度均值、粗糙度最大值和地形起伏度均值;对相关性最好的地形因子统计指标随分辨率的变化趋势进行综合分析,得出沉陷盆地的最佳分辨率为4m。(2)对4m分辨率的沉陷盆地进行小波多尺度分解和阈值去噪,结果表明:初始沉陷盆地的均方根误差为117mm,经过小波处理后的沉陷盆地,其异常的下沉信息得到了有效消除,表面破碎程度和离散程度得到了大幅度削弱,在分解层数为4时精度最好,均方根误差为83mm,相较于原始沉陷盆地提升了29%。(3)对实测面状下沉与概率积分预计下沉的比较分析表明:实测地表下沉在充分采动区域,不会出现预计下沉那样明显的平底区域,其主要原因为:预计时选取等厚煤层,而实际煤层为非等厚;沉陷区所处于的地形变化会在一定程度上影响地表沉降,概率积分模型无法考虑该因素;上覆岩层通常存在概率积分预计时难以考虑的大小不一的断层等地质构造。(4)对实测与预计的倾斜、水平变形等沉陷变形的比较分析表明:预计走向方向倾斜和水平变形为零的区域,实测值则分布比较零散,且与预计值相比均表现出较大的差异;在大量预计水平变形为零的区域,出现了可造成地表建筑物Ⅳ级损坏的实测水平变形,造成该现象的主要原因是:煤层厚度和倾角的变化、地形条件以及能够探明的和难以探明的岩层结构等因素。

关键词：无人机小波变换沉陷盆地分辨率沉陷预计

充填条带开采岩层移动规律及地表沉陷预测方法

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充填条带开采岩层移动规律及地表沉陷预测方法

作者：陈元非中国矿业大学

学位级别：硕士

充填条带开采是解放“三下”压煤的一种有效途径。针对目前充填条带开采岩层移动及地表沉陷控制理论研究的不足,本文基于相似材料模拟、数值模拟、理论分析等研究手段,对充填条带开采岩层移动控制机理、岩层及地表移动变形规律、地表沉... 详细信息

充填条带开采是解放“三下”压煤的一种有效途径。针对目前充填条带开采岩层移动及地表沉陷控制理论研究的不足,本文基于相似材料模拟、数值模拟、理论分析等研究手段,对充填条带开采岩层移动控制机理、岩层及地表移动变形规律、地表沉陷预计方法等方面展开分析,主要的研究成果如下:(1)采用相似材料模拟的方法研究了充填条带开采岩层移动动态过程以及上覆岩层破坏情况。结果表明:充填条带开采覆岩下沉曲线在一定覆岩高度以下呈现波浪式的下沉,在向上发育的过程中波浪逐渐消失,形成连续性的下沉盆地;顶板主要以弯曲下沉为主,保持了良好的连续性;充填体有效的限制煤柱的侧向变形,减小煤柱的破坏,对支撑结构的长久稳定发挥积极作用。(2)分析了充填条带开采采宽、留设煤柱宽度、采高和充实率对覆岩及地表移动变形的影响规律。结果表明:充填条带开采煤柱上方的覆岩下沉随覆岩高度增加而增加,充填工作面上方覆岩下沉随覆岩高度增加而减小,在波浪移动带处两者下沉趋于一致;波浪移动带高度随采宽和留宽的增大而增加,不随采高和充实率的变化发生明显变化;覆岩下沉边界随采宽、采高的增大而增大,随充实率增加而减小,不随留设煤柱宽度的变化发生明显变化;地表最大下沉和最大水平移动随采宽、采高的增加而增大,随留设煤柱宽度和充实率增加而减小;地表水平移动系数不随采宽、留设煤柱宽度、采高和充实率的变化发生变化。(3)采用数值模拟的方法分析研究了充填条带开采顶板垂直应力随采宽、煤柱留设宽度、采高和充实率的变化规律,给出了顶板垂直应力计算的公式并进行验证。结果表明该公式预测得到的顶板垂直应力与数值模拟结果相对误差一般小于20%。(4)针对充填条带开采岩层移动及地表沉陷预计问题,采用平面薄板作为顶板力学模型基础,结合顶板垂直应力计算公式,建立了顶板下沉计算方法。通过结合非等厚煤层工作面的概率积分地表沉陷预计方法,建立了充填条带开采地表沉陷预测的理论模型,实现了地表任意点移动变形的预测。为提高预测模型实际工程应用能力,将充填采空区顶板下沉的计算公式与条带开采地表沉陷预计方法相结合,提出了充填条带开采等效计算方法。并对该方法的可行性进行验证。(5)以南屯矿区建筑物下充填条带采煤为例,根据地面建筑物和抽风机房的设防指标,采用充填条带开采等效计算方法,对地下充填条带开采方案进行优化设计和地表变形预测。

关键词：充填条带相似材料模拟数值模拟岩层移动地表沉陷沉陷预计

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祁南煤矿采动覆岩离层注浆地表沉陷控制研究

祁南煤矿采动覆岩离层注浆地表沉陷控制研究

作者：马荷雯西安科技大学

学位级别：硕士

为了安全开采“三下”煤炭,减少地面沉陷,保护矿区环境,多年来国内外采用了多种不同的开采技术措施,其中,条带开采与采空区水砂充填和矸石风力充填最为常用、有效。离层注浆充填是一种控制地表沉陷的新技术,该技术是通过地面布置钻孔向... 详细信息

为了安全开采“三下”煤炭,减少地面沉陷,保护矿区环境,多年来国内外采用了多种不同的开采技术措施,其中,条带开采与采空区水砂充填和矸石风力充填最为常用、有效。离层注浆充填是一种控制地表沉陷的新技术,该技术是通过地面布置钻孔向在岩移过程中覆岩内部形成的离层空洞充填进外来材料来对上覆岩层起到支撑作用,从而降低覆岩向地面的移动变形速度和地表下沉量。离层注浆充填技术的充填区域在采空区上覆岩层间充填而不同于采空区内充填,因此离层注浆充填工作不会影响井下工作面正常生产。但是,目前对于覆岩离层注浆沉陷控制原理还有待进一步研究,且国内针对覆岩离层注浆控制地面沉陷的工程实例也较少。为此,论文采用理论分析、实验模拟和现场应用相结合的手段,对覆岩离层注浆充填减沉机制开展研究。论文选取淮北矿区祁南煤矿某首采工作面作为研究对象,该工作面上方村庄位于煤层切眼一侧,属于“切眼侧局部压煤”,注浆充填控制宽度和注浆终止时段与已往有所不同,该工面煤层采高3.5m,对于注采匹配的控制极为苛刻,上述典型特点在淮北矿区尚属首次。论文首先从理论上对采动覆岩离层发育和充填层位进行研究,然后,基于相似材料物理实验和数值模拟相结合的手段对覆岩离层注浆充填过程进行模拟,分析总结覆岩离层注浆对地表沉降的控制机制。最后,采用理论、实验、工程三者相结合的手段,对地表减沉效果进行评价。实施覆岩离层注浆充填后,注浆充填减沉率达96%,通过现场实测地表水平变形值最大仅为0.5mm/m,远低于“三下”采煤规程中规定的Ⅰ级损坏水平变形临界值2.0mm/m,地表建(构)筑物没有造成任何破坏,达到了安全采煤目的,取得了显著的技术、经济与社会效益。

关键词：离层注浆充填关键层沉陷预计数值模拟相似材料模拟

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开采沉陷对地表建筑物的损坏评价研究

开采沉陷对地表建筑物的损坏评价研究

作者：姚文华太原理工大学

学位级别：硕士

随着国民经济的快速发展及人民生活水平的日益提高,各行各业对煤炭资源的需求越来越大,这样就会促使更多企业去开采更多存在煤炭的区域,像建筑物下采煤,从而可能引起地表的下沉、移动和变形,使地面建筑物发生倾斜、裂缝、倒塌等现象。 ... 详细信息

随着国民经济的快速发展及人民生活水平的日益提高,各行各业对煤炭资源的需求越来越大,这样就会促使更多企业去开采更多存在煤炭的区域,像建筑物下采煤,从而可能引起地表的下沉、移动和变形,使地面建筑物发生倾斜、裂缝、倒塌等现象。本文以苏村煤矿10101工作面开采对地表村庄建筑物的损坏为研究背景,在总结参考前人相关研究的基础上,对开采引起的地表沉陷做了预计,并结合相关规程规范及有关模糊数学理论对建筑物的受损坏程度等级进行了科学的评估研究。首先,结合苏村煤矿的地质报告及相关图纸资料对苏村煤矿的地质概况和开采方法等做了简明概述;用矿方送来的岩芯,对岩石强度做了室内岩石力学试验,为后面的沉陷预计预备好了前提条件;其次,结合概率积分法及MMSPS系统软件对地表移动变形做了计算预计,为后面的综合评价打下了基础;最后,通过对前面几章相关资料的分析研究,选择了九个主要影响因素作为模糊综合评价的因素集,利用现场实测统计综合评价、专家模糊综合评价及多级模糊综合评价的对比,对地表建筑物损坏等级进行了综合评估。

关键词：概率积分法沉陷预计模糊综合评价损坏等级

厚硬覆岩下巨厚煤层开采转角塔塔线体稳定性演化特征研究

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采矿与安全工程学报 2024年第4期41卷 730-740页

作者：顾伟王允卿中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116

巨厚煤层开采地表塔体稳定性难以保证,明确合理的开采方案已成为巨厚煤层高效开采与塔体稳定问题亟待解决的关键。以崔家沟煤矿转角塔下压煤开采2311工作面为工程背景,研究了厚硬覆岩条件下巨厚煤层开采对地表特殊结构转角塔塔线体稳定... 详细信息

巨厚煤层开采地表塔体稳定性难以保证,明确合理的开采方案已成为巨厚煤层高效开采与塔体稳定问题亟待解决的关键。以崔家沟煤矿转角塔下压煤开采2311工作面为工程背景,研究了厚硬覆岩条件下巨厚煤层开采对地表特殊结构转角塔塔线体稳定性的影响。研究结果表明:对于转角塔塔线体结构,水平移动和倾斜对各项力学性能影响最大。覆岩中硬覆岩占比过大导致沉陷系数取值存在特殊性。利用实测数据训练后的沉陷参数反演预测模型预测值准确度高。通过开采方案中限厚开采段长度及位置因素阐明了塔线体稳定性演化特征。其中限厚开采段长度及位置存在阈值,小于阈值均不能满足塔线体稳定性要求。不同采深下塔线体稳定性演化特征相似,但取值范围呈现非线性关系。研究对于相似塔下压煤开采、煤炭采出率提高以及沉陷控制具有指导意义。

关键词： “三下”采煤塔线体厚硬覆岩沉陷预计地表变形监测

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固体充填综采地表沉陷预测方法研究

固体充填综采地表沉陷预测方法研究

作者：刘瑞斌河南理工大学

学位级别：硕士

本文通过现场考察、资料收集、理论分析、室内试验,并结合数值模拟,对固体充填综采覆岩移动规律和地表沉陷控制进行了初步的研究。论文分析了垮落法开采与固体充填综采覆岩不同的破坏特征,总结了固体充填地表下沉变形的主要影响因素,采... 详细信息

本文通过现场考察、资料收集、理论分析、室内试验,并结合数值模拟,对固体充填综采覆岩移动规律和地表沉陷控制进行了初步的研究。论文分析了垮落法开采与固体充填综采覆岩不同的破坏特征,总结了固体充填地表下沉变形的主要影响因素,采用力学分析得出了顶底板移近量的计算公式。通过FLAC3D数值模拟手段分析了不同采深、采厚、开采尺寸、充填率、压缩率等不同充填开采条件下的固体充填综采地表沉陷变形的不同影响,得出了固体充填综采地表沉陷规律。通过对固体充填综采地表沉陷影响因素的分析,建立了等效采厚模型,结合“三下”开采规程地表变形限值的分析,得出了最小充填率的计算式。对首采面充填开采工作成果进行分析,选取了T3292充填工作面的预计参数,计算出了该工作面的等效采厚,运用概率积分法预计了充填工作面充填综采后的地表移动变形情况。研究结果表明:固体充填综采可有效控制覆岩破坏,对地表减沉效果显著。本文的研究成果对唐山矿后续充填开采及其它类似矿区充填开采具有一定的理论指导和工程借鉴意义。

关键词：固体充填综采影响因素数值模拟地表移动变形等效采厚最小充填率沉陷预计

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无人机倾斜摄影测量开采沉陷监测方法研究

无人机倾斜摄影测量开采沉陷监测方法研究

作者：陈鹏飞太原理工大学

学位级别：硕士

由于地下采矿活动引起地表的沉陷变形,对其进行沉陷监测的手段经历了长期变化的过程,从传统的水准导线测量、GPS监测,到目前较多使用的三维激光扫描监测、D-InSAR监测等多种手段,这些监测手段从观测方式上由全野外到少野外测量,观测效... 详细信息

由于地下采矿活动引起地表的沉陷变形,对其进行沉陷监测的手段经历了长期变化的过程,从传统的水准导线测量、GPS监测,到目前较多使用的三维激光扫描监测、D-InSAR监测等多种手段,这些监测手段从观测方式上由全野外到少野外测量,观测效率也大大提升,但其监测范围、精度及效率依然不能满足矿区沉陷全面监测的需求。现阶段无人机低空摄影测量的出现,以其高机动及实时性大大提高了监测的效率,其高精度的数字成果应用于各个监测领域,包括对山区滑坡、泥石流、塌陷等进行监测,并能够全方位多视角监测沉陷区域。针对矿区开采引起的地表沉陷,本文结合地下开采掘进进度及无人机地表沉陷监测数据,以实测资料为依据,探讨无人机开采沉陷监测的可行性,分别从以下几方面讨论:(1)对无人机摄影测量的垂直摄影与倾斜摄影进行了理论对比与分析,从垂直摄影测量的影像畸变改正、影像金字塔建立、相对定向、自由网平差方面与倾斜摄影测量的同名点匹配、多相机联合平差、点云生成、表面重建、纹理映射等方面说明与探讨了倾斜摄影的优势。(2)进入沉陷区试验前,对无人机航测方案进行了设计。第一部分是对像控点布设方案的设计,结合两种较经典的稀疏与密集布设方案,验证了两种方案下无人机数字成果的精度,以得到一套合理的像控点方案。第二部分是对后差分技术引用及证明,对两套数据分别是否引用后差分技术进行数字成果对比,验证后差分技术的精度与优势。并在同等方案下对比了倾斜与垂直摄影的DEM精度,由此得出最佳的倾斜航摄方案。(3)将倾斜航摄方案引入沉陷区,获取了与地下开采活动相对应的两期地面无人机倾斜数据,并用水准仪实测了两期地面观测站数据;对两期无人机倾斜数据进行数据处理形成两期DEM并生成下沉盆地,利用该矿经验参数进行沉陷盆地预计形成预测沉陷盆地;利用实测观测线数据定量分析了倾斜摄影获取的沉陷盆地,利用预测沉陷盆地对倾斜摄影获取的沉陷盆地进行了定性分析。总结以上研究及验证表明:利用倾斜摄影对开采沉陷区域进行沉陷监测,与水准导线实测地面下沉值对比发现,在下沉关键点部分倾斜摄影沉陷盆地与地面实测下沉值基本吻合,中误差达到102mm;与沉陷预计得到的沉陷盆地对比发现,在下沉趋势上,倾斜摄影沉陷盆地与矿区预测沉陷盆地下沉趋势一致。

关键词：开采沉陷沉陷监测倾斜摄影 DEM 沉陷预计

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近水平煤层条带开采实测纠偏方法适用性研究

采矿与安全工程学报 2011年第2期28卷 273-278页

作者：赖文奇许家林中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

为了掌握近水平煤层条带开采沉陷实测纠偏方法的适用性,分别就采出率、采宽和采深等开采条件对该方法准确性的影响进行了研究.采用UDEC离散元数值模拟软件,基于条带采区内前2个已采条带工作面各自沉陷稳定后的实测沉陷数据,通过特定的... 详细信息

为了掌握近水平煤层条带开采沉陷实测纠偏方法的适用性,分别就采出率、采宽和采深等开采条件对该方法准确性的影响进行了研究.采用UDEC离散元数值模拟软件,基于条带采区内前2个已采条带工作面各自沉陷稳定后的实测沉陷数据,通过特定的平移叠加方式预计后续若干未采条带的累积沉陷值.实验结果表明:在采出率分别为38.5%,45.5%和55.6%,采宽分别为45,60,75 m以及采深分别为400,600 m等多种开采方案中,通过该方法所得后续5个工作面沉陷预计结果与实际模拟结果基本一致.通过误差分析证明该方法具有较高准确性和较广泛的适用性.

关键词：条带开采沉陷预计实测纠偏采出率采宽采深

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关键层理论在开采沉陷中的应用现状与进展

矿业科学学报 2017年第3期2卷 209-218页

作者：陈超胡振琪中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所北京100083

在简述关键层理论的产生背景、发展历程与应用现状的基础上,分析了关键层理论应用于开采沉陷研究的必要性,重点介绍了关键层理论在开采沉陷研究(关键层对地表沉陷的影响、开采沉陷预计、采动地裂缝、地表减沉与采空区稳定性评价等)中的... 详细信息

在简述关键层理论的产生背景、发展历程与应用现状的基础上,分析了关键层理论应用于开采沉陷研究的必要性,重点介绍了关键层理论在开采沉陷研究(关键层对地表沉陷的影响、开采沉陷预计、采动地裂缝、地表减沉与采空区稳定性评价等)中的应用现状与进展。分析表明,将关键层理论应用于开采沉陷有助于研究地表沉陷动态过程与采动地裂缝形成机理,并提高沉陷预计精度及地表减沉效果。同时,还讨论了现有研究的不足,进而提出今后的研究方向与待解决的问题。

关键词：关键层理论开采沉陷沉陷预计地裂缝地表减沉