矿区开采沉陷范文

矿区开采沉陷范文（精选9篇）

矿区开采沉陷 第1篇

地理信息系统是采集、贮存、管理、分析和描述地球表面与空间和地理分布有关数据的空间信息系统, 已在我国许多行业中得到了广泛的应用[1]。但是, 现有的GIS在矿区开采沉陷中的应用系统, 没有完全突出GIS在矿区开采沉陷中进行实时观测、预计分析和三维空间可视化显示的巨大优势, 尤其是这类软件在设计上还不完善, 故针对上述问题, 以开采沉陷为研究内容, 采用Visual C++6.0来设计一个专题地理信息系统, 称为矿区开采沉陷地理信息系统[2] (Mining Subsidence Geographic Information System, MS-GIS) 。

1设计思路和方法

根据模块应尽量采用功能内聚和减少耦合的原则, 考虑到开采的先后顺序, 即:开采前对将出现的沉陷进行预测, 采动过程中对开采方案优化、选择和调整, 对开采后造成的环境破坏作正确的影响评价。该系统总体结构如图1所示。主控模块利用Visual C++6.0设计成单文档应用程序, 以主菜单形式通过消息传递来控制和调用系统各个模块。

1.1数据输入管理

此模块下分为数据输入、数据查询、数据修改3个子模块。对矿山开采沉陷功能的实现, 要用到矿山测量数据 (包括钻孔资料和地表移动变形观测数据) 、煤层开采方法、地质采矿条件、覆岩岩性和地质构造、矿山日常生产用图、地表建筑物现状和土地利用现状以及当地的风俗民情等各种数据。数据的采集和输入如图2所示。

1.2空间查询分析

空间查询分析用来对矿区地理空间进行叠置分析。即:将同一地区、同一比例尺的2组或者更多的多边形要素的数据文件进行叠置, 或根据2组多边形边界的交点建立具有多重属性的多边形或进行多边形范围的属性统计分析。如井上下对照图即可以采用叠置方法。

1.3矿图设计绘制

主要实现各种矿图的编辑、修改和打印[3]。在绘出等值线和三维图后, 可以对其作进一步处理。在等值线图上, 可以计算出塌陷区的面积, 在三维图上可以计算出塌陷区的体积。

1.4移动变形预计

将已知的地质采矿条件和矿区的实际地质采矿条件作为输入层, 采用概率积分法预计。开采沉陷预计参数有:地表下沉系数、主要影响角正切、地表水平移动系数、拐点偏移距与采沉的比值。这些预计参数的准确性将决定地表移动变形的预计精度。

(1) 移动变形预计模块划分。

将其分为:预计模型建立、预计参数计算、预计结果输出3个子模块。

(2) 预计参数的确定方法。

可以根据开采沉陷预计参数经验值, 结合实际情况进行修正计算。具体地表预计参数有[4]:地表下沉系数q、主要影响角正切tan β、地表水平移动系数b、拐点偏移距与采沉的比值S0/H。

(3) 预计结果的输出。

在此模块中, 输入所需的地质采矿条件, 包括地表下沉系数、主要影响角正切、地表水平移动系数、拐点偏移距与采沉的比值、工作面的大小、采深、采厚以及预计点的坐标和方向, 就可以预计出包括任意点沿任意方向的下沉值、水平移动值, 曲率值和倾斜值的剖面线图及等值线图, 并能够进行三维的静态和动态演示。

1.5采煤方案设计

根据矿区地质条件调查和对以往的资料或相似矿区的资料进行专家分析论证, 得出各种预计参数库, 选用合适的预计方法进行开采沉陷预计, 进行可行性论证后提出采煤方案。

1.6移动变形监测

移动变形监测模块分为观测站设计、观测数据处理、变形规律分析3个子模块。利用该模块可及时了解工作面在推进过程中地面主要建筑物、构筑物和井筒的移动变形, 准确掌握地下开采对地面建筑物和主要设施的影响, 总结地质条件下地表的移动和变形规律。

1.7环境影响评价

主要用来对开采沉陷将产生的环境影响作科学的分析、预测、比较和评价, 并对不同的开采方案进行优化, 以最大限度地减少经济损失, 为实施综合治理提供依据。环境影响评价模块应分为:建筑物影响评价、水体影响评价、铁路影响评价、环境影响评价模块、沉陷区综合治理。

2关键技术

2.1图形文件转换技术

AutoCAD本身是一种完整的图形编辑系统, 它具有紧凑的图形数据库, 当前存储着有关 (.DWG) 文件格式的图形。但是, 在编程时不能直接利用其图形信息, 因为它们不是紧凑的二进制数表示形式。AutoCAD规定了一种与当前图完全等价的通用ASCII码格式的文件, 称为图形交换文件 (Drawing exchange File, DXF) , 以实现AutoCAD与其他应用软件之间的图形数据交换[5]。

2.2三维模型构造及平面和剖面图形的自动绘制

三维显示通常采用截面图、等距平面、多层平面和立体块状图等多种表现形式, 大多数三维显示技术局限于CRT屏幕和绘图纸的二维表现形式, 人们可以观察到地理现象的三维形状, 但不能将它们作为离散的实体进行分析, 如立体不能被测量、拉伸、改变形状或组合。借助三维显示技术, 通过离散的高程点形成等高线图、截面图、多层平面图和透视图, 可以用各种计算机程序迅速高效地完成这些最初人工完成的工作。

2.2.1三维模型的构造

原始的钻孔数据和对于预计过程中在走向和倾向上所计算出任意方向上的一系列数据都是离散的, 这些数据需要经过预处理才能绘制出理想的曲面和三维图形。原始的钻孔数据是不规则散列数据, 应采用三角网法绘制曲面[6], 方法是对三维散列数据的定义域按最优准则作三角剖分, 然后在每个三角形上作双三次分片插值, 最后将所有的三角分片曲面拼接成一张连续曲面。

三角剖分的最优化方法是进行区域剖分, 区域剖分应避免出现狭长的三角形。寻找最佳的三角形方法是先给出任一初始剖分, 再作一次或数次优化处理。

三角曲面片的光滑插值:已给一组三维数据 (Xi, Yi, Zi) , i=1, 2, , N, 构造一个曲面Z=S (X, Y) 来进行插值, 即满足S (Xi, Yi) =Zi, i=1, 2, , N, 对数据点 (Xi, Yi) 要求互相不重合且不共线。插值曲面undefined, 其中φi (X, Y) 为双三次多项式函数, 满足φi (Vi) =δij (i, j=1, 2, , 10) 。用重心坐标表示的双三次Lagrange插值函数为:

undefined

由于预计过程中计算出的数据能形成规则的矩形格网, 可采用双三次B样条法绘制曲面。

双三次B样条用矩阵表示为:Q (u, w) =UMSPMTSWT, 其中, u, w为参数。

undefined

Pij (i=0, 1, , m;j=1, 2, , n) 是特征多面体的各顶点的位置向量。

2.2.2平面和剖面图形的自动绘制

三维模型构造完成后, 可以用曲面求交的方法[7]来实现, 具体方法是:在范围内给出任意一个大小的水平面, 它与三维曲面的交线就是平面图;在一个范围内作任意一个垂面与三维曲面相交, 就可以求剖面图。求得平面和剖面图形后, 调用相关的属性及图例库, 对相应的图形进行填充, 并标出相关地物图例。

2.3数据结构设计

运用最普遍的三维数据结构是具有拓扑关系的三维边界表示法和八叉树表示法。由于八叉树和四叉树的结构非常相似, 所以八叉树的存储方式可以完全采用四叉树的有关方法。

八叉树编码方法是将三维空间区域分成卦限 (octants) , 且在树上每个节点处存储8个数据元素。如图3和图4所示, 三维空间区域分成若干卦限且相应八叉树节点有8个数据元素。三维空间每个元素称为体元。当卦限中所有体元的类型相同时, 这类型值存入相应的节点数据元素中, 空间的空区域表示为体元类型“void”。将非均的卦限再进一步细分, 节点相应的元素指向树中下一个节点。生成八叉树的程序同四叉树, 测试每个卦限的体元后决定是否连续细分, 直到区域只含均匀的卦限。这时树上每个节点有0～8个直接后代。八叉树算法是用来建立多边形网格、曲面和实体的, 当这些多边形网格、曲面和实体用八叉树建立后, 就可以用Visual C++6.0 编写的应用程序对其进行操作。

2.4数据库设计

Visual C++6.0中ODBC (开放数据库连通性) 允许用户的应用程序与许多不同类型的数据库相连接。它有一个标准的API (应用程序可编程接口) 来使用各种数据库[8], 例如:Oracle、SQL Server、Microsoft Access、Microsoft FoxPro、dBase、Paradox、Text Files等。ODBC标准中的API和SQL语法提供了一种与DBMS通信的方法, 使用时用户不用考虑与ODBC连接的DBMS在后台是怎样完成工作的, 只需要ODBC的标准接口提供函数层, 允许用这些与ODBC的组件即可。ODBC应用程序的实现可以按下面的步骤进行:配置ODBC环境;分配一个连接句柄;连接数据源;查询数据和数据源 (执行SQL) ;取回查询结果;断开与数据源的连接;释放ODBC环境。

3结语

开采沉陷预计是在煤炭开采过程中控制岩层移动和保护地面建筑物和矿区环境的关键, 因此, 地表移动变形预计部分是矿区开采沉陷地理信息系统设计中最重要的子模块, 其中用到的关键技术就是图形文件的转换技术、数据结构和数据库的设计、三维模型的构造及平面和剖面图形的自动绘制。另外, 预计参数的确定也是很重要的。

参考文献

[1]靳建明, 吴侃, 王卷乐, 等.GIS在开采沉陷中的应用探讨[J].地矿测绘, 2000 (4) :3-5.

[2]梁明, 王立丰.矿山开采沉陷区地理信息系统探讨[J].陕西煤炭技术, 1995 (1) :32-36.

[3]蔡少华, 朱涛.基于GIS的沉陷数图处理与管理系统研究[J].煤炭工程师, 1997 (4) :20-21.

[4]邹友峰.开采沉陷预计参数的确定方法[J].焦作工学院学报, 2001, 20 (4) :253-257.

[5]李卫民.AutoCAD应用开发实用教程[M].北京:机械工业出版社, 1999.

[6]孙家广, 杨长贵.计算机图形学[M].北京:清华大学出版社, 1994.

[7]芮小平, 余志伟, 许友志.关于建立煤矿三维GIS的构想[J].矿山测量, 2000, 3 (3) :89-92.

条带开采地表沉陷预计参数的确定 第2篇

条带开采地表沉陷预计参数的确定

概率积分法是条带开采地表移动和变形预计常用的方法,而概率积分法预计的精度取决于其预计参数的确定.以国内大量的条带开采实测资料为基础,应用相似理论对条带开采地表沉陷的.相似现象进行了模糊聚类分析,计算出了条带开采地表沉陷预计参数.根据所得条带开采地表沉陷相似现象的分类及其地表沉陷预计参数,应用模式识别对待求条带开采地表沉陷预计参数进行了求取.工程实例表明,用模糊优化确定的预计参数进行条带开采地表移动和变形预计,其预计结果更加可靠、准确.

作 者：柴华彬 邹友峰 CHAI Hua-bin ZOU You-feng 作者单位：河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南焦作,454003刊 名：测绘科学 ISTIC PKU英文刊名：SCIENCE OF SURVEYING AND MAPPING年，卷(期)：34(4)分类号：P258关键词：条带开采 地表移动和变形 预计参数 模糊优化

矿区开采沉陷 第3篇

CORS即连续运行参考站系统, 由固定的连续运行的GPS基准站, 结合现代计算机、数据通信及互联网技术, 实时为用户提供卫星导航定位服务[1]。CORS系统由基准站系统、数据通信系统、数据处理中心系统、定位数据系统和用户应用系统5 个部分组成。根据基准站的数量可以分为单基准站CORS和多基准站CORS, 实例采用的是单基准站CORS。单基准站CORS系统是RTK测量技术与数据通信技术相结合的系统, 基准站的接收机对卫星进行连续的观测并将改正参数发送给移动站接收机, 根据相对定位原理实时计算出移动站的三维坐标, 进行精度评价。

2 安徽某矿区实测水准高差与大地高差数据对比

分析资料来源于安徽某矿区实测的水准数据和RTK数据, 水准测量可以获得相邻监测点之间的正常高系统下的高差, CORS-RTK测量获得的是相邻点位的平面坐标和以WGS-84 椭球为基准的大地高差。全面观测该矿区的水准高差与RTK测量大地高差的数据对比, 见表1。

从数据对比结果可以看出, 水准高差和大地高差规律性基本一致, 但部分点位互差较大, 如从K03 到Z01 点位的互差为1.12 cm, 从Z02 到Z03点位的互差为1.06 cm。根据四等水准观测标准中规定的误差为, 很明显这些点位超出误差允许范围, 不能满足工作需求, 所以直接用CORS-RTK测出的大地高差代替水准高差是行不通的[2]。

3 高程拟合

3.1 高程异常

RTK的高程测量采用的是WGS-84 椭球的大地高系统, 所测的高程是大地高, 是测点沿参考椭球面法线到参考椭球面的距离;而常规的高程测量中, 测得的地面点的高程是采用以似大地水准面为基准面的正常高系统, 是测点沿垂线至似大地水准面的距离。我国规定采用正常高程系统作为我国高程的统一系统[3]。二者之间存在一个高程异常 ξ, 所以将RTK测得的大地高H转换为正常高Hγ, 表达式为

高程拟合就是采用数学方法。已有一定数量的已知水准点的正常高, 根据公共点位的平面坐标和高程异常值, 拟合出似大地水准面的某种曲面, 由于点位的高程异常具有一定的相连性, 得到高程异常值, 最后求出RTK测点的正常高。拟合的曲面不同, 拟合的方法也不一样, 主要有多项式曲面拟合法、神经网络法、移动曲面法等。笔者采用的是多项式曲面拟合法, 在矿区走向线上测点, 用CORS-RTK测得的大地高程进行拟合, 并对拟合后的数据与水准测量的数据进行对比。

3.2 多项式曲面拟合法

多项式曲面拟合的思路:将高程异常值当作拟合曲面内点的函数相关值, 用联测了的GPS水准点拟合曲面函数, 求出拟合系数后反代入函数内, 确定函数关系式, 求出高程异常, 进而求出GPS点位的正常高。多项式曲面拟合函数模型为

式中:ξ 为高程异常值, f (x, y) 为 ξ 中趋势值, ε 为误差值。

设

其中

把每个已知点的坐标分别代入模型中, 根据最小二乘法原理, 求解出ai, 然后求出测区范围内各点的高程异常值, 算出各点的正常高[4]。

笔者根据矿区水准联测值和GPS静态监测的数据, 得到6 个已知点的坐标 (x, y) 和点的正常高与大地高。把已知点的信息代入式 (3) ~ (6) 中, 可以求解出系数a0, a1, a2, a3, a4, a5, 然后代入测区内任一点的平面坐标, 可以求出该点的高程异常值和正常高, 进而求出拟合高差与水准高程进行对比。

3.3 拟合后的数据对比

根据已知数据和运算模型, 编制MATLAB计算程序, 解出系数a0, a1, a2, a3, a4, a5和点位的高程异常值 ξ, 求出各测点的正常高, 算出拟合后的高差。拟合后的高程数据对比见表2。拟合后的高差数据对比见表3。

由表2 可知, 直接用CORS-RTK测量的高程代替水准测量高程的部分点位残差较大, 不能满足水准测量的要求, 可能与监测点位置选取有关, 或与拟合模型选取有关, 对于拟合高程和水准测量高程而言, 拟合过程还需进一步改善。由表3 可知, 虽然拟合后的高程和水准测量高程对比误差较大, 但高程拟合后的高差与水准测量高差相比的误差很小, 只有部分点的互差值较大, 超出四等水准测量中误差的范围, 但合格率可以达到85%, 比用大地高差代替水准测量高差的结果好很多。

4 结论

根据矿区环境条件, 由选用的多项式曲面拟合模型与已知点算出的拟合模型可以看出, 不可以直接用CORS-RTK测量高程代替水准测量高程, 这与模型的选择和已知点有关;但通过拟合模型得出的拟合后高差与水准测量高差较吻合, 超限的测站大多集中在GPS信号接收有干扰的点处。拟合后的高差数据可以为矿区的地表移动变形测量和预计提供依据。

摘要：近年来CORS技术快速发展, 并较大范围地应用于矿区的沉陷监测中。简要介绍了CORS系统的原理及高程拟合的方法, 结合矿区实例, 对比分析了CORS-RTK高程测量与常规水准测量。

关键词：CORS-RTK,水准测量,高程异常,高程拟合

参考文献

[1]康清宣.CORS-RTK在矿山测量中的优缺点分析[J].矿业工程, 2012 (2) :43-44.

[2]陈为民, 张旭东.GPS高程测量代替等级水准测量的应用研究[J].武汉大学学报, 2013 (7) :828-831.

[3]刘兴春, 仲见民.GPS高程拟合代替水准测量的可行性[J].全球定位系统, 2010 (1) :16-19.

矿区开采沉陷 第4篇

摘要：本文根据覆岩的实际受力情况,对开采引起的.覆岩冒落和地表沉陷机理进行了研究.即首先是岩层离层与弯曲,接着岩体移动,从而导至上覆岩层冒落,出现地表沉陷,并给出了相应的预防和维护措施.作 者：梁天书 梁天灵 于海生 LIANG Tian-shu LIANG Tian-ling YU Hai-sheng 作者单位：梁天书,LIANG Tian-shu(辽宁工程技术大学力学与工程科学系,阜新,123000)

梁天灵,LIANG Tian-ling(北京教育学院,北京,100011)

于海生,YU Hai-sheng(阜新市项目工作办公室,阜新,123000)

矿区开采沉陷 第5篇

1 煤矿开采沉陷产生的不良影响

煤炭开采会破坏原有的地质结构, 引发不同程度的地质深陷, 对周围的建筑物造成破坏。有些开采单位在对煤矿进行开采之前, 需要投入大量资金来拆迁煤矿周围建筑物, 提高了开采成本。另外, 地质深陷还会对本区域的生态环境造成严重影响, 比如开采过程中所引造成的地表水下漏问题等。因此, 开采单位需要加强重视, 利用专门的开采技术来对上述不利影响进行控制。

2 部分充填开采技术原理对于煤矿开采的重要意义

充填开采技术广泛应用于矿产资源开采施工中, 其所使用的填充材料可以是开采过程中所得到的开采废弃物, 这种开采技术既能够解决开采沉陷问题, 也能够最大程度上避免开采活动对生态环境造成破坏。开采废弃物的主要成分就是地表层矸石, 这种材料不需要进行专门的加工就可以直接用于填充, 既环保, 又节约开采成本。然而煤矿开采过程中所得到的矸石材料数量有限, 通过只占全部煤矿开采量的15%左右, 传统的充填技术则需要开采单位加入其他充填物质。利用部分充填开采技术, 可以大幅节约填充材料, 提高煤矿开采的经济效益。

3 部分填充开采技术概述及其具体应用

部分填充开采技术的主要原理是加强控制覆岩主关键层进而避免在开采过程中发生开采沉陷问题。根据地质移动规律, 预测煤矿开采可能遇到的潜在风险, 对破裂现象进行有效的控制, 确保生态环境以及周围建筑物的良性运转。与传统的全部填充技术有所不同, 部分填充开采技术不需要过多的填充材料。然而, 这种充填技术对于现场操作人员的技术要求比较高, 填充效果的充分发挥需要操作人员对填充技术以及现场的地质情况有比较深入的了解。根据目前我国煤矿开采技术应用的实际情况来看, 煤矿开采区域的地质情况以及造成开采沉陷的有关因素是影响部分充填技术充分发挥的主要因素。因此, 开采单位需要充分考虑不同开采环境以及造成开采深陷的有关因素, 合理地调整部分填充技术的具体使用方法。

3.1 条带采空区膏体填充

条带采空区膏体填充主要指的是在煤层顶板以及开采的过程中, 利用膏体材料填充采空区, 结合相间填充条带来支持覆岩架构。在此项技术的应用方面, 开采单位需要合理控制采空区的充填宽度, 充填宽度要尽量在保持在初次破裂间距以内。当一个工作面开采完毕之后进行充填, 然后到第三个工作面开采完之后进行充填, 也就是相隔一个工作面进行充填。另外, 开采企业需要对充填条带进行专门的加固处理, 使膏体填充在尽量长的时间内发挥其填充效果。当前我国常用的膏体填充技术主要包含布置短臂条带和长臂条带充填开采, 这两种技术都可以有效起到控制充填条带间隔距离的作用。

3.2 覆岩离层分区隔离注浆充填

这种技术的原理主要是对岩层进行钻孔处理, 并移动岩层形成离层空洞, 再将充填材料填充至空洞中, 提高岩层的支撑能力。覆岩离层分区隔离注浆充填技术能够有效提高覆岩的稳定性, 有效抑制开采深陷。开采单位需要加强对覆岩离层量以及离层位置两个方面的控制, 了解离层变化规律。结合开采区域的地质条件对填充技术进行选择。这种填充技术要求操作人员对离层量以及离层位置情况有着比较深入了研究, 才能够在正确的时间范围内完成充填工作。需要注意的是, 关键层初次断裂后覆岩里层注浆工作一定要在关键层初次断裂后进行, 这上由于不同关键层之间存在着较大的离层量, 而离层量又能够有效支持填充材料的填充。因此, 基于离层注浆充填技术, 开采单位可以在关键初次断裂之间对隔离层进行分离, 为注浆充填创造出独立的空间。然而, 离层注浆并非完全的固态物质, 离层注浆需要为其他的人工支撑结构预留出足够的空间。

3.3 条带开采冒落区注浆填充

条带开采通常会使采空区内部形成冒落区, 当冒落区承载能力被架空时, 煤柱则完全承担了上部岩层的重力载荷, 煤柱在巨大的压力下会出现一定程度的变形, 造成地表沉陷。注浆填充是减轻地表沉陷的有效方法之一, 对井下以及地表进行钻孔处理, 将注浆充填至冒落层, 能提高冒落区的承转能力。所选取的填充材料通常为破碎的矸石, 这种材料取材范围广而且环保性能较好。根据以上三种填充技术可以发现, 填充材料主要运用于采空区, 凭借煤柱以及覆岩关键层结构来对开采塌陷情况进行控制。通过填充的方法防止沉陷具有施工量小, 成本低以及效果显著等方面的优点。

4 结束语

部分填充开采作为一种新的开采技术, 具有十分突出的经济性与灵活性。开采单位在开采过程中, 需要充分考虑到开采位置周围的地质情况, 科学、合理地运用各种勘测技术和计算技术, 充分考察地下以及地表情况, 为后续的开采工作奠定坚实的数据基础。另外, 合理使用填充技术, 提高填充有效性, 防止沉降现象的发生, 实现经济效益与社会效益相统一。

摘要：随着我国经济的不断发展, 能源供应问题日益突出。当前煤炭是推动我国工业发展的重要化石能源, 合理开采煤炭资源, 加大煤炭资源的供应, 是煤矿企业重要的社会责任。本文详细阐述了煤矿开采具体技术应用手段。

关键词：开采技术,部分填充,煤矿开采深陷

参考文献

[1]许家林, 等.控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术研究[J].采矿与安全工程学报, 2006, 01 (07) :10-11.

[2]张文瑞.浅谈控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术[J].中国新技术新产品, 2012, 08 (13) :157-158.

[3]丁玉龙.煤矿开采沉陷对四合木的影响与保护对策研究[D].中国矿业大学, 2013, 05 (20) :13-14.

煤矿开采沉陷地表积水预测 第6篇

煤矿井采后, 不是所有的沉陷区地表都会受积水影响, 众多研究人员对沉陷区地表积水机理和计算模型进行了研究和分析[1,4,5,6,7]。文章提出通过沉陷后地形初步分析和地表水水量平衡深入分析的方式, 判断沉陷区地表是否受到积水影响。

1 积水区预测初判

积水区初判主要是对沉陷后的地形情况进行分析, 判别沉陷区地表是否形成凹地。若沉陷后地面没有形成明显的凹地, 则不会有积水区形成;反之, 若沉陷后地面形成有明显的凹地, 则该区域可能会有积水区形成。其主要原因在于, 沉陷区积水需要有一地形条件, 即可以蓄集水量的凹地, 若没有可以积水的凹地, 沉陷区内的地表水都会以地表径流的方式流向下游, 而不在沉陷区内蓄积。

沉陷后地面不会形成明显的凹地的情况一般在沉陷前地形坡度较大的区域, 如丘陵坡地, 沉陷后地形的坡向较沉陷前没有明显改变, 仅坡度产生了变化;而沉陷后地表容易形成凹地的情况一般在沉陷前地形坡度较小的区域, 如丘陵缓坡区、平原区, 沉陷后地形的坡向较沉陷前会发生改变。

判别沉陷区是否形成凹地, 主要利用开采沉陷软件按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》、结合煤矿开拓布置、地质情况计算开采沉陷等值线图, 再通过软件将开采前地形与开采沉陷等值线图叠加后生成沉陷后地形进行分析。

2 积水区预测深入分析

当沉陷区地面形成凹地条件时, 就需通过进一步分析, 预测是否形成积水区, 主要通过对区域的地表水水量平衡进行分析。

式中:△E为某时段内的水量平衡差, I、Q分别为某时段内的地表水补给量和排泄量。

在不考虑人为因素的情况下, 沉陷区地表水补给量主要是大气降水、河川径流和地下水补给, 排泄量主要是河流排放、蒸发量、地表水渗漏。水量补给量和排泄量需根据当地的水文地质资料进行分析确定, 水量平衡关系如图1所示。

2.1 补给项对沉陷区积水的影响

2.1.1 大气降水

当雨水降落地表后, 一部分下渗转变为地下水, 一部分形成地面径流, 最终都流向流域的最低处。但也不是所有的降水都会形成地表径流, 径流的产生与暴雨强度、下垫面情况密切相关, 根据径流产生情况, 可以分为“超渗产流”和“蓄满产流”[8]。

若降水会形成地面径流, 则地面径流会逐渐在流域的最低处汇集, 并在地表形成积水区;若降水不会形成地面径流, 降水转变为地下水, 则需要分析其他补给项后确定是否存在地表积水。

2.1.2 河川径流

河川径流是沉陷区重要的补给项, 尤其对于临河煤矿或者矿田内有河流穿过的煤矿, 由于开采沉陷造成地表变化, 改变河流走向, 河川径流在沉陷区的最低处蓄积并形成水面。

当有河川径流汇入沉陷区时, 则地表会形成积水区, 反之, 若无河川径流汇入沉陷区, 则需分析其他补给项确定是否存在地表积水。

2.1.3 地下水补给

一般地, 当潜水水位较高, 使得潜水水位高于沉陷后地面标高, 则潜水会转变为地表水, 地表形成积水区;反之, 若流域内潜水水位较低, 不超过沉陷后地面标高, 无地下水转变为地表水, 则需分析其他补给项确定是否存在地表积水。

2.2 排泄项对沉陷区积水的影响

2.2.1 河流排放

一般而言, 河流排放只有在积水区水面达到沉陷区边界最低点高程时才会形成, 其仅能控制积水面积不会超过河流水面水位高程一致的等高线合围的区域, 其犹如木桶的“短板效应”一样。这也进一步说明, 沉陷区形成凹地是积水的前提条件。

2.2.2 蒸发量

蒸发量与当地的气候条件、积水区水面密切相关, 属于一个变化量, 只有当形成积水水面时, 蒸发量才纳入水量平衡中考虑, 并随着水面大小的变化而变化。

2.2.3 地表水渗漏

地表水是否产生渗漏与潜水水位、地表水水位相关, 当地表水水位高于潜水水位时, 表现为地表水向地下水补给, 产生渗漏;当地表水水位低于潜水水位时, 表现为地下水向地表水补给, 不会地表水产生渗漏;当两者水位一致时, 则地表水与地下水不形成转换, 也不产生地表水渗漏。

2.3 积水区面积确定

通过分析确定的沉陷区地表水补给量和排泄量, 由水量平衡公式计算出某时段沉陷区地表水的水量平衡差后。积水区面积可通过绘制沉陷区“库容-面积-高程曲线”的方式求得, 某时段内的积水区库容与地表水的水量平衡差一致。

2.4 水量平衡分析结论

在水量平衡中, 地表水的补充量是沉陷区是否积水的关键因素, 当沉陷区地表水有补给量时, 才会有积水区形成。地表水排泄量对积水区的影响主要是控制积水区存在的时段, 当沉陷区有积水形成时, 若某时段分析的排泄量小于补给量, 则形成永久性积水区, 且积水区会逐渐扩大, 并在某一时段达到水量平衡, 即排泄量等于补给量;若分析的排泄量大于补给量, 形成的积水区会逐渐变小, 甚至干枯露出地表, 并在某一时段达到水量平衡, 如新疆部分地区, 由于地下潜水水位较低, 某次降雨径流或溶雪性洪水, 在凹地内形成积水区, 并在之后的一段时间内由于积水蒸发、下渗, 在地表形成“白板地”。从水量平衡的角度而言, 排泄量总体上与补给量是平衡的。

3 结语

综上所述, 沉陷区地表积水受沉陷后地形、地表水补给量共同影响, 当沉陷后地表存在凹地且地表水存在补给量, 则会形成积水区, 反之, 若不具备以上两个条件, 则不会形成积水区。在分析沉陷后地表是否积水时, 可先通过分析沉陷后地形情况, 再分析沉陷区地表水补给量的方式进行判断。

从水量平衡的角度分析, 沉陷区有积水形成时, 在一个水文周期内, 当沉陷区的补给量大于或等于排泄量, 则积水区永久性积水区;反之, 若沉陷区的补给量小于排泄量, 则积水区为临时性积水区。

需要说明的是, 由于煤矿建设前期获得的水文地质资料是煤矿开采沉陷前的数据, 在进行地下水水位分析时, 应该充分考虑沉陷导致地下水水位的变化和导水裂隙带高度对潜水水位的影响。

参考文献

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矿区开采沉陷 第7篇

关键词：煤矿,开采沉陷,部分充填开采技术

1 煤矿开采沉陷对煤矿开采的不良影响。

煤矿开采是在地下进行的, 是对地表之下的煤层进行开采, 由于地下煤层被开采从而引起地质沉陷影响地表的建筑物和生态环境。

由于煤矿开采引起了地质沉陷从而需要对地表的建筑物进行拆迁, 因为地表建筑物的拆迁所以增加了煤矿开采的成本不利于煤矿开采技术的发展。煤矿开采主要是将地下的能源开采进行利用, 而开采沉陷引起建筑物拆迁需要大量的资源对拆迁的建筑物进行安置和重建, 这需要大量的经济投入而这一经济投入需要从煤矿开采的收益中提取从而增加了煤矿开采的成本。如何保护地表的建筑物不受损坏的情况下进行煤矿开采成为降低煤矿开采成本的关键。

煤矿开采所带来的地质沉陷引起地表的生态系统遭到破坏, 而生态环境遭到破坏需要长时间来恢复, 并需要大量的经济投入, 且不利于我国的可持续发展的战略目的。煤矿开采沉陷引起地表水的下漏使得由地表水支撑形成的生态系统损坏, 由于煤矿开采的地质沉陷带来地质环境的恶化出现山峰的垮塌, 地层的下降对于生态破坏的影响严重。如何实现煤矿绿色化的开采是煤矿开采的关键, 也是对可持续发展战略的一种支持和实践。

2 部分充填开采技术原理对于煤矿开采的重要意义。

充填开采技术在其他矿产资源开采技术中得到了良好的应用, 在其他的矿产资源的开采中将开采产生的废弃物进行利用充填, 不但解决了开采沉陷这一问题, 也避免因为废弃物的堆放对环境造成严重的不良影响。而煤矿开采也和其他矿产资源开采一样也会产生大量的废弃物, 而煤矿开采的主要废弃物就是矸石, 煤矿开采的矸石的矿外堆放所占用的土地资源也是相当巨大的, 所以充填开采技术对于煤矿开采也有着重要的意义。

一般的充填开采技术从总体上来讲可以分为部分充填开采技术和全部充填开采技术, 在金属矿产资源开采中一般采用的是全部充填开采技术, 因为金属矿产资源开采产生的尾料为开采的矿石量的90%以上, 而煤矿开采的矸石占有量只是整个煤矿开采量的15%, 如果进行全部充填开采就需要寻找其他的充填材料, 而采用其他的充填原料的这样不但增加了煤矿开采的成本, 同时寻找合适的充填材料对于充填也存在重大的影响, 所以在对于煤矿的开采充填技术应该采用部分充填开采技术, 部分充填开采技术也是作为煤矿绿色开采的一种重要技术。

控制煤矿开采沉陷的部分充填技术重要就是对覆岩主关键层进行控制, 通过对覆岩主关键层进行控制而控制煤矿开采沉陷。通过了解地质移动规律, 对覆岩主关键层进行控制从而避免因为覆岩主关键层的破裂而引起地表的地质沉陷。部分充填开采技术相对于与全部充填开采技术来说需要的充填材料相对较少, 而实际能够达到的效果也与全部填充效果相同, 只是部分充填技术需要的技术含量更高, 对于充填有一个重要的要求, 也就是必须对覆岩主关键层进行准确的控制, 如未能对主关键层进行准确的控制就不能实现充填的作用, 不能避免地质的沉陷问题的发生。

3 控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术

根据煤矿的开采环境的不同, 而采取的对于控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术也就不同, 一般来说控制煤矿开采沉陷的部分充填技术主要采用的是三种部分充填技术, 也就是条带采空区膏体充填技术、覆岩离层分区隔离注浆充填技术和条带开采冒落区注浆充填技术。这些技术的应用都是根据实际的情况来确定, 由于实际的情况的不同采用不同的技术, 也会因为实际情况而采用这些技术的综合应用。

3.1 控制煤矿开采沉陷的条带采空区膏体填充技术

条带采空区膏体填充技术是指在煤层进行开采至顶板还没有冒落的时候对采空区的部分空间采用膏体材料进行充填, 通过构筑相间的充填条带来对覆岩进行支持, 未充填的采空区的宽度大小要小于覆岩关键词的初次破裂的间距, 这样才能对控制地表发生沉陷, 而这之中就要注意能够保证充填的条带能够长期稳定, 只有充填条带的长期稳定才能保证控制的有效性 (如图1) 。

这种控制煤矿开采沉陷的部分充填技术主要有两种充填模式, 一种模式就是煤矿开采的时候布置成短壁的条带开采, 当一个工作面开采完毕之后进行充填, 然后到第三个工作面开采完之后进行充填, 也就是相隔一个工作面进行充填, 这种充填方式比较简单;而另一种充填模式也就是长壁条带充填开采模式, 也就是在工作面进行开采完毕之后, 构筑长壁的充填条带, 这种条带要注意对条带之间的间距的准确控制。

3.2 控制煤矿开采沉陷的覆岩离层分区隔离注浆充填技术

所谓的控制煤矿开采沉陷的覆岩离层分区隔离注浆充填技术就是通过钻孔向在岩层移动中形成的离层空洞中填充充填材料从而对覆岩进行支撑, 以此使得覆岩的移动的减缓, 避免了地表的沉陷。这种控制煤矿开采沉陷的充填技术主要注重的是对覆岩离层的位置和离层量进行一个准确的研究, 掌握覆岩离层的动态发育规律, 选择合适的时间对覆岩离层进行充填 (如图2) 。

覆岩离层注浆充填的最佳时机在于关键层的初次断裂之前, 因为在这个时候两个关键层之间的离层量最大, 也最适合于充填。当关键层初次断裂之后, 两个关键层的离层量就会变小, 不利于充填。但是因为离层注浆充填的都不是固结的充填物质, 不能将离层立即充填满, 所以不能对关键层进行立即支持, 阻止关键层的断裂, 由于关键层的断裂也就给后续的充填工作带来难度。所以在以往的离层注浆充填技术基础上, 可以采取分区隔离煤柱在关键词初次断裂之前将离层进行隔离成封闭的独立空间, 对每一个空间进行注浆充填, 这样就能有效地将离层充填满, 从而阻止关键层的断裂, 避免地表的沉陷。

3.3 控制煤矿开采沉陷的条带开采冒落区注浆充填技术

由于条带开采使得采空区和采空区上部的岩层形成了一个冒落区, 冒落区失去了承载能力, 将上部岩层的载荷集中向预留的煤柱之上, 由于超出了煤柱的承载能力使得煤柱变形, 煤柱的压缩变形从而使得地表沉陷。而控制煤矿开采沉陷的条带开采冒落区注浆充填技术就是对冒落层进行充填。在地表或者井下通过钻孔的方式向条带冒落区进行注浆充填, 使得冒落区重新拥有承载能力。这种充填技术可以缩短条带的预设宽度从而使得煤矿的开采量的增加 (图3) 。

结语

控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术对于煤矿的绿色开采具有重要的意义, 也是对煤矿开采区上的建筑和生态有着重要的保护作用, 掌握好各种煤矿开采沉陷的部分充填技术, 是煤矿开采可持续发展的要求, 也能大大地提高煤矿开采的收益, 降低煤矿开采的成本。

参考文献

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试谈煤矿开采沉陷的测量 第8篇

一、煤矿开采沉陷的移动规律

岩层与地表移动是一个复杂的时空发展过程。大致分为动态和静态两个阶段。通过对各阶段变形移动规律机理的分析, 可以预测因塌陷而引发的破坏范围和破坏程度。

1. 动态变形阶段。

煤矿以不同方式进行的大面积开采必然引起地下围岩的位移和变形。随着采空区的逐渐扩大, 顶板岩层将发生弯曲、离层、断裂和冒落。冒落岩石上方的岩层随破碎冒落岩石的压实继续下沉和变形, 将会波及地表, 引起地表的下沉、变形和塌陷。影响岩层与地表移动变形的原因除了与采区的地形、地质构造、地层结构、岩性、水文地质等自然条件有关外, 还与采深、采厚、采空区体积和形状、采矿以及顶板管理方法等人为因素有关。如果采用条带法或充填法开采, 可使岩层与地表移动缓和并减小。工作面匀速推进, 可减小地表的动态变形。

2. 静态变形阶段。

一个地表点随着回采工作面推进和时间的推移, 开始移动、逐渐活跃、逐渐衰减, 采区周边岩层移动将慢慢趋于稳定, 采空区上方地表将有些许沉陷, 一般以下降10 mm的点作为地表下沉盆地的边缘点, 形成略大于回采边界的近似椭圆形的地表下沉盆地。虽然各个部位的移动量参差不齐, 不尽相等, 但造成永久性静态变形的移动方向均指向盆地中央。地表移动下沉的持续时间约为1~2年。深度越大, 地表下沉速度越慢, 移动衰落趋于稳定的时间越长。

二、研究移动规律的实地测量方法

为了实现对开采沉陷规律和危害性的研究, 需要通过测量来采集和提供一系列地表移动的相关数据。在矿井开采前, 按照一定规律建立一系列观测点, 由点成线、由线成面地形成一个完整的观测网络。从开始开采到移动稳定后的全过程中, 定期观测这些点的空间位移, 计算出观测网络主断面内移动和变形分布的典型曲线或剖面函数, 总结出三维空间的位移和变形规律, 建立起地表下沉和变形量的经验公式, 确定出移动盆地内任意点移动与变形的计算方法。因为实地测量方法测点众多, 工作周期长, 在应用上有其一定的局限性。为了缩短测量周期, 在地表下沉规律研究上还可采用相似材料模型、岩石砂子模型和明胶模型等模拟试验方法。实地和模拟测量两种方法结合, 可取得较为理想的研究效果。

三、In SAR技术在测量中的应用

空间遥感技术对地表变化的几何测量和定量化研究起到了极大的助推作用。In SAR技术即合成孔径雷达干涉测量, 利用遥感技术改变了传统的测量手段, 其空间分辨率和测量精度均达到应用的要求, 为地表形变监测和建立开采沉陷的预测模型提供了先进的技术支持。

煤矿的塌陷无论变形破坏强度有多大, 毕竟是一个缓慢的过程。应用In SAR技术进行煤矿开采地表变形监测, 既要了解煤矿开采沉陷的特征, 也需要掌握In SAR技术的特点。In SAR可以解决视线向的形变信息提取。通过几个干涉图的连续观测, 能够反映出采掘工作面的动态推进。但是, 目前In SAR用于煤矿沉降变形的局限性没法测量到地表变形的最大值。主要影响因素是“相干性”。煤矿采区上方覆盖的植被, 在春、夏、秋、冬四季更替发生着厚薄变化。对In SAR技术要求的连续性和相干性提出难题。在夏秋季节, 植被变厚引发的散射相位变化使其很难测量出连续的干涉图。在相位层面上, 只有采取长波长、短周期、高分辨率的技术条件, 将大的变形分解成诸多小变形的叠加, 利用In SAR干涉去测量每个片段, 最后才可构成一个较为连续的过程。

四、关于GPS-RTK技术

GPS-RTK测量技术以其作业效率高、观测时间短、定位精度高、数据安全可靠、对作业条件要求低、集成化程度高、测绘功能强大、操作简便等特点在煤矿开采沉陷监测中显示了空前的优越性。

1. GPS的静态功能。

通过接收到的卫星信息, 实现对地面某点的准确定位。测量者可以将地面点施测的三维坐标实时地记录出来, 把地面上已知的三维坐标点位实地放线扩展, 确定出其他需要点的坐标数据。

2. RTK的动态功能。

采用了载波相位动态实时差分原理, 实时获得动态功能级定位精度的位移测量。采用GPS-RTK技术可将观测数据实时地传输发送给用户观测站, 然后在用户观测站根据相对定位原理计算并显示出用户站的三维坐标及其精度。其特点有作业方式灵活、定位精度高、观测时间短、操作简便、可以全天候作业, 使开采沉陷监测设计工作效率和精度大大提高。

五、GPS-RTK技术在梧桐庄煤矿沉陷监测中的应用及体会

梧桐庄矿是峰峰集团按照高产、高效模式建设的大型现代化矿井, 年设计生产能力120万吨, 服务年限80年。煤矿井田东西走向长0.5 km, 倾斜宽12 km, 面积约39 km2, 现生产能力为210万吨/年。为了实现对采区沉陷的监测, 在矿区安装有两台GPS接收机, 一台用于基准站设置, 一台用于流动站设置, 获取了大量的地表点的沉陷数据, 绘制出一系列定量指标曲线, 为预测沉陷规律、指导矿山开采工作做出了巨大贡献。

充填开采地表沉陷规律研究及运用 第9篇

充填开采是在煤炭采出一定长度时进行充填, 据统计, 充填率在0.8以上时, 煤层顶板至地表仍会发生覆岩下沉现象, 但充填开采覆岩与传统垮落方法不同, 充填开采覆岩主要以裂隙离层为主, 一般无周期来压现象, 受到现场实际地质条件和研究手段的影响, 无法对工作面推采过程中覆岩变化情况进行跟踪研究, 利用实验室相似模拟实验可以得到较好效果。

实验室相似模拟实验

本次实验以山东某充填工作面为原型, 根据相应的地质条件进项相似模拟实验, 开采方法为长壁面充填开采, 通过开采过程中模型的覆岩结构变化、覆岩离层情况和应力场的演化特征监测, 建立模型如图1所示。

在完成的模型经过加压晾干等环节, 利用墨线在上面打网格, 用以监测顶板和覆岩结构的位移特征, 经纬线网格规格为50mm×50mm, 纵向60条, 横向40条, 在部分网格交叉处插入大头钉, 通过监测大头钉的位置变化实现模型覆岩结构的位移特征监测, 检测仪器为GTS-602A全站仪, 大头钉顶部距相似模型表面小于5mm, 以防大头钉受外界干扰位置发生变化, 本次试验在模型表面共布设两条监测线, 每条测线14个测点, 具体布设情况如表1所示, 本次试验在煤层的顶板和底板均布设一组压力盒, 每组14个, 压力盒的布设见表2。

充填采场覆岩移动规律分析

煤层开采之后, 原岩应力被打破, 采空区周围应力重新分布, 覆岩变形直至地表。

随着工作面的继续推进, 覆岩开始产生移动变形, 图2为工作面推进到28m时三条测线的下沉量, 结果分析可知, 1号测线上A1-A5测点下沉量较大, 最大下沉值达到了0.32m, 2号测线A15-A19下沉量很小, 最大下沉值只有0.16m, 3号测线上整体位移很小, 几乎不变化, 由此可知, 1号测线和2号测线之间最大离层量为0.16m左右。

随着工作面的继续推进, 覆岩移动逐渐向上发展。图3为工作面推进到44m时三条测线的下沉量。可以看出, 1号测线和2号测线均产生了较大下沉, 最大下沉值分别为0.36m和0.30m, 1、2号测线离层逐渐闭合, 下沉逐渐趋于同步。而3号测线上的点仅产生了微小的下沉量, 最大下沉值为0.16m, 此时2号测线和3号测线之间产生了离层。

由上面的分析可知, 充填采场覆岩没有冒落过程, 充填采场覆岩移动是以离层的形式由下向上逐渐发展, 并且上位岩层的离层是在下位岩层离层闭合的基础上产生的。充填采场覆岩移动后所观测到的离层高度和宽度等参数见表3。

由上表数据及岩层数据表可以分析出:随采场推进距离的增加, 离层由下位岩层逐渐发展至上位岩层, 离层位置主要发生于厚硬岩层 (关键层) 的下层面;上位岩层的离层长度比下位岩层的离层长度大, 离层宽度则逐渐减小。

对于常规未充填的采场来说, 煤层采出后, 最终会导致采场围岩变形以及采场上覆岩层的破坏、垮落。采场覆岩由下向上分为垮落带、断裂带和弯曲带。由充填采场覆岩移动规律可知, 充填体限制了覆岩变形进一步发展, 充填采场上覆岩层不存在垮落带和断裂带, 而仅存在离层带和整体弯沉带, 如图4所示。

结语

通过实验室相似模拟实验, 研究了煤层开采之后上覆岩层直至地表所有岩层的变形特征、力学变化和破坏规律等问题。

实验表明:工作面充填开采过程中采场覆岩没有冒落过程, 充填采场上覆岩层是以离层的形式逐渐发展, 发展顺序是由下至上, 上位岩层离层经过下位岩层离层闭合之后才产生。